En los capítulos uno y dos, frecuentemente se ha hecho referencia a lo que ocurre con un sistema, cuando pasa de un estado más energético, a otro menos o viceversa, ahora se analizarán los mismos fenómenos pero en relación con las reacciones químicas que ocurren en un medio acuoso.
Para los propósitos de este libro se considerarán únicamente reacciones en las que intervienen dos reactivos, por ejemplo A y B, los cuales al reaccionar reversiblemente se convierten en dos productos, C y D, de acuerdo a la reacción siguiente:
3.1
La velocidad, (v0), de una reacción se define como el número de moléculas de producto, (C o D), que se forman por unidad de tiempo. Esto es equivalente al número de moléculas de reactivo, (A o B), que desaparecen por unidad de tiempo.
Para que ocurra la formación de moléculas de C y D, una molécula de A debe de chocar con una de B. Estos encuentros ocurren al azar. Cuantas más moléculas de reactivos existan hay mayor probabilidad que se produzca una reacción en la dirección de la formación de los productos. Como la reacción es reversible, lo contrario también es cierto: C y D deben de chocar para formar A y B. Esto significa que: “la velocidad de una reacción es directamente proporcional a la concentración de los reactivos”.
La reacción 3.1 se desarrolla en tres fases (Fig. 3.1):
a) En un tiempo determinado, (t0), se inicia la reacción mezclando los reactivos A y B. En ese instante, la concentración de C y D es 0.
b) A medida que transcurre la reacción las concentraciones de los reactivos A y B disminuyen y la de los productos C y D aumentan.
c) Después de un tiempo no hay cambio en la concentración de productos ni de reactivos. En este momento se dice que la reacción está en equilibrio.
De acuerdo con las tres fases de la reacción, se tiene: durante los primeros instantes de la reacción, (a), la velocidad de formación de productos, vp, es máxima, puesto que existen altas concentraciones de reactivos. La velocidad de desaparición de C y D, vr, es mínima debido a que en esos momentos los productos están a muy bajas concentraciones, (Fig. 3.1.1). A medida que transcurre la reacción, (b), la concentración de A y B se hace menor y por lo tanto vp disminuye, pero, la concentración de C y D aumenta y por lo tanto hay más probabilidad de que una molécula de C choque con una de D y se transformen en reactivos, lo cual resulta en un aumento de vr, (Fig. 3.1.2). Al llegar a la fase c las concentraciones de productos y de reactivos no cambian en el tiempo, lo cual se debe a que las velocidades de formación y de destrucción son iguales, vp = vr, (Fig. 3.1.3). En el equilibrio la velocidad de formación de un compuesto es igual a la velocidad de su destrucción.
Figura 3.1 Al inicio de una reacción reversible, en un tiempo t0, la velocidad de conversión de reactivos en productos, vr es muy alta con respecto a vp, a medida que hay productos la reacción también se efectúa en la dirección contraria y vp aumenta. En equilibrio vp = vr. (Figura elaborada por el autor).
Resulta más fácil explicar estos conceptos con un lenguaje matemático, para lo que se define la constante de equilibrio, K, de una reacción como la que se muestra en la Fórmula 3.1, con la siguiente relación:
3.2
El valor de la constante de equilibrio es único para una reacción determinada, siempre y cuando se tomen en cuenta los siguientes factores:
1. La constante de equilibrio, K, no varía, mientras la medición se haga en las mismas condiciones de temperatura, presión y pH.
2. No importa qué cantidades de reactivos reaccionen, al llegar al equilibrio, el valor de K no varía. (K es independiente de la concentración).
El valor que tiene K es muy útil para determinar, de manera exacta, hasta qué punto reaccionan los reactivos para dar productos y para predecir, sin ir al laboratorio, las concentraciones de reactivos y productos que se obtendrán cuando se alcance el equilibrio de una reacción determinada:
En la Ecuación 3.2, se pueden tener los siguientes casos para los valores de K:
Caso 1: Cuando [C] [D] > [A] [B], según la Ecuación 3.2, se tiene que K > 1. Esta situación se presenta cuando, tras ocurrir la reacción, en el equilibrio hay una concentración mayor de productos que de reactivos. Cuanto más grande sea el valor de K, menos reactivos y mayor cantidad de productos. En estas condiciones se dice que la reacción está desplazada hacia la formación de productos.
Desde el punto de vista de la termodinámica, (ver el Capítulo 1), los reactivos A y B, tienen más energía que los productos, C y D, de tal manera que la reacción se lleva a cabo de manera espontánea hacia la formación de productos. (Fig. 3.2).
Caso 2: Cuando [C] [D] < [A] [B], según la Ecuación 3.2, se tiene que K < 1. Esto significa que al llegar al equilibrio hay una concentración mayor de reactivos que de productos. En estas condiciones se dice que la reacción está desplazada hacia la formación de reactivos.
En esta situación los reactivos son más estables que los productos, por lo que desplazar la reacción hacia éstos, implica proporcionar energía de una fuente externa. (Fig. 3.3).