Capítulo XIII

REACCIONES REVERSIBLES Y EQUILIBRIO QUÍMICO

~Reacciones reversibles.~ Las reacciones consideradas hasta ahora se han representado como si continuaran, una vez iniciadas, hasta que una u otra sustancia que participa en la reacción se haya consumido. Sin embargo, en algunas reacciones esto no ocurre así. Por ejemplo, hemos visto que cuando se hace pasar vapor de agua sobre hierro caliente, la reacción se representa mediante la ecuación

3Fe + 4H{2}O = Fe{3}O{4} + 8H.

Por otro lado, cuando se hace pasar hidrógeno sobre óxido de hierro caliente, ocurre la reacción inversa:

Fe{3}O{4} + 8H = 3Fe + 4H{2}O.

Por lo tanto, la reacción puede ir en cualquiera de las dos direcciones, dependiendo de las condiciones del experimento. A este tipo de reacción se le llama reacción reversible. Se representa mediante una ecuación con flechas dobles en lugar del signo de igualdad, así:

3Fe + 4H{2}O Fe{3}O{4} + 8H.

De manera similar, la ecuación

N + 3H NH{3}

expresa el hecho de que bajo ciertas condiciones el nitrógeno puede unirse con hidrógeno para formar amoníaco, mientras que bajo otras condiciones el amoníaco se descompone en nitrógeno e hidrógeno.

La conversión de oxígeno en ozono también es reversible y puede representarse así:

oxígeno ozono.

~Equilibrio químico.~ Las reacciones reversibles generalmente no se completan en una sola dirección a menos que las condiciones bajo las cuales ocurre la reacción sean cuidadosamente controladas. Así, si el hierro y el vapor de agua se encuentran confinados en un tubo calentado, el vapor actúa sobre el hierro produciendo óxido de hierro e hidrógeno. Pero estas sustancias, a su vez, reaccionan entre sí para formar nuevamente hierro y vapor de agua. Cuando estas dos reacciones opuestas ocurren a velocidades tales que el peso del hierro transformado en óxido de hierro se equilibra exactamente con el peso del óxido de hierro transformado en hierro, no habrá más cambios en las proporciones relativas de las cuatro sustancias presentes en el tubo. Se dice entonces que la reacción ha alcanzado un equilibrio.

~Factores que determinan el punto de equilibrio.~ Existen dos factores que influyen considerablemente en determinar el punto en el que una reacción dada alcanzará el equilibrio.

1. Influencia de la naturaleza química de las sustancias. Si se seleccionan dos reacciones reversibles del mismo tipo general, se ha encontrado que el punto de equilibrio es diferente en ambos casos. Por ejemplo, en las reacciones representadas por las ecuaciones

3Fe + 4H{2}O Fe{3}O{4} + 8H,

Zn + H{2}O ZnO + 2H,

el equilibrio se alcanzará cuando cantidades muy diferentes de hierro y zinc se hayan transformado en óxidos. Por lo tanto, las propiedades químicas individuales del hierro y del zinc influyen notablemente en el punto en el que se alcanza el equilibrio.

2. Influencia de la masa relativa. Si se abre el tubo en el que la reacción

3Fe + 4H{2}O Fe{3}O{4} + 8H

ha alcanzado el equilibrio y se introduce más vapor de agua, una cantidad adicional de hierro se transformará en óxido de hierro. Si se introduce más hidrógeno, parte del óxido se reducirá a metal. Por lo tanto, el punto de equilibrio depende de las masas relativas de las sustancias que participan en la reacción. Sin embargo, cuando una de las sustancias es un sólido, su masa tiene poca influencia, ya que solo la extensión de su superficie puede afectar la reacción.

~Condiciones bajo las cuales las reacciones reversibles son completas.~ Si, cuando se ha alcanzado el equilibrio entre el hierro y el vapor de agua, se abre el tubo y se hace pasar una corriente de vapor, el hidrógeno se elimina tan pronto como se forma. Por lo tanto, la reacción opuesta del hidrógeno sobre el óxido de hierro debe cesar, y la acción del vapor sobre el hierro continuará hasta que todo el hierro se haya transformado en óxido de hierro.

Por otro lado, si se introduce una corriente de hidrógeno en el tubo, el vapor de agua será arrastrado por el hidrógeno y todo el óxido de hierro se reducirá a hierro. Por lo tanto, una reacción reversible puede completarse en cualquiera de las dos direcciones cuando uno de los productos de la reacción se elimina tan pronto como se forma.

~Equilibrio en solución.~ Cuando las reacciones ocurren en solución acuosa, se aplican los mismos principios generales. Sin embargo, el asunto no es tan sencillo como en el caso descrito anteriormente, debido a que muchas de las reacciones en solución se deben a la presencia de iones. Las sustancias más comúnmente empleadas en solución son ácidos, bases o sales, y todas ellas sufren disociación. Cualquier equilibrio que se alcance en soluciones de estas sustancias debe ocurrir entre los distintos iones formados, por un lado, y las moléculas no disociadas, por el otro. Así, cuando el ácido nítrico se disuelve en agua, se alcanza el equilibrio de acuerdo con la ecuación

H+ + NO{3}- HNO{3}.

~Condiciones bajo las cuales las reacciones reversibles en solución son completas.~ El equilibrio entre sustancias en solución puede alterarse y la reacción puede forzarse a completarse en una dirección de cualquiera de las siguientes tres maneras.

1. Puede formarse un gas que escape de la solución. Cuando el nitrato de sodio y el ácido sulfúrico se mezclan en solución, se forman los cuatro iones: Na+, NO{3}-, H+, SO{4}—. Estos iones pueden reorganizarse en varias combinaciones. Por ejemplo, los iones H+ y NO{3}- alcanzarán el equilibrio

H+ + NO{3}- HNO{3}.

Si el experimento se realiza con muy poca agua, como ocurre en la preparación del ácido nítrico, el equilibrio se alcanza cuando la mayor parte de los iones H+ y NO{3}- se han combinado para formar HNO{3} no disociado.

Finalmente, si la mezcla se calienta por encima del punto de ebullición del ácido nítrico, el ácido se destila tan pronto como se forma. Entonces, más y más iones H+ y NO{3}- se combinarán, y el proceso continuará hasta que uno u otro de ellos se haya eliminado completamente de la solución. La sustancia que queda es bisulfato de sodio (NaHSO{4}), y la reacción puede expresarse mediante la ecuación

NaNO{3} + H{2}SO{4} = NaHSO{4} + HNO{3}.

2. Puede formarse un sólido insoluble. Cuando el ácido clorhídrico (HCl) y el nitrato de plata (AgNO{3}) se mezclan en solución, estarán presentes los siguientes iones: H+, Cl-, Ag+, NO{3}-. Los iones Ag+ y Cl- establecerán el equilibrio

Ag+ + Cl- AgCl.

Pero el cloruro de plata (AgCl) es casi completamente insoluble en agua, y tan pronto como se forma una pequeña cantidad, la solución se sobresatura y el exceso de sal precipita. Entonces, más iones de plata y cloro se unen, y esto continúa hasta que prácticamente todos los iones de plata o de cloro han sido eliminados de la solución. Entonces decimos que la siguiente reacción es completa:

AgNO{3} + HCl = AgCl + HNO{3}.

3. Dos iones diferentes pueden formar moléculas no disociadas. En la neutralización del hidróxido de sodio por el ácido clorhídrico, los iones H+ y OH- alcanzan el equilibrio

H+ + OH- H{2}O.

Pero como el agua está casi completamente no disociada, el equilibrio solo puede alcanzarse cuando hay muy pocos iones hidroxilo o de hidrógeno presentes. En consecuencia, los dos iones continúan uniéndose hasta que uno u otro de ellos ha sido prácticamente eliminado de la solución. Cuando esto ocurre, la neutralización expresada en la siguiente ecuación es completa:

NaOH + HCl = H{2}O + NaCl.

~Preparación de ácidos.~ El principio de las reacciones reversibles tiene aplicación práctica en la preparación de la mayoría de los ácidos comunes. Un ácido suele prepararse tratando la sal más común de dicho ácido con otro ácido de alto punto de ebullición. La mezcla se calienta hasta que el ácido deseado, de menor punto de ebullición, se destila. Debido a su alto punto de ebullición (338 °C), el ácido sulfúrico se emplea generalmente para este propósito, ya que la mayoría de los otros ácidos hierven por debajo de esa temperatura.

EJERCICIOS

1. ¿Qué ocurriría al mezclar soluciones de nitrato de plata y cloruro de sodio? ¿Qué otros cloruros actuarían de la misma manera?

2. ¿La reacción expresada por la ecuación NH{3} + H{2}O = NH{4}OH es reversible? Si es así, indique las condiciones bajo las cuales se produce en cada dirección.

3. ¿La reacción expresada por la ecuación 2H + O = H{2}O es reversible? Si es así, indique las condiciones bajo las cuales se produce en cada dirección.

4. Sugiera un método para la preparación de ácido clorhídrico.