Equilibrio dinámico

Para ilustrar el concepto de equilibrio,  digamos que tenemos un vaso de precipitados   y le agregamos un poco de agua.  Y también nos aseguramos de que   nuestro vaso tenga una tapa. Algunas de  esas moléculas de agua se van a evaporar   y a convertirse en gas. Y eventualmente,  cuando tengamos suficiente agua gaseosa,   parte del agua gaseosa se va a condensar  y se convertirá en agua líquida otra vez. Para representar estos dos procesos,   podemos mostrar agua líquida a la  izquierda y agua gaseosa a la derecha.  De modo que en el proceso inicial el agua  líquida se convierte en agua gaseosa. Y esta flecha hacia la derecha, representa  el proceso de vaporización. Y cuando el agua   gaseosa se convierte de nuevo en agua  líquida, lo que está representado por   esta flecha que tenemos aquí en la parte de  abajo, ese es el proceso de condensación. Como empezamos con agua líquida, al principio  la tasa de vaporización es mayor que la tasa   de condensación. Pero finalmente llegamos a  un punto en el que la tasa de vaporización es   igual a la tasa de condensación. Y cuando eso  sucede, si estamos convirtiendo agua líquida   en agua gaseosa y a la misma velocidad estamos  convirtiendo el agua gaseosa en agua líquida,   el número de moléculas de agua en estado  líquido y gaseoso permanecen constantes. Así que cuando la tasa de vaporización es igual  a la tasa de condensación, hemos alcanzado un   estado de equilibrio. Y este es un equilibrio  dinámico porque si nos acercamos y miramos esto,   las moléculas de agua se están convirtiendo  del estado líquido al estado gaseoso todo el   tiempo y las moléculas están pasando del estado  gaseoso de nuevo al estado líquido todo el tiempo. Sin embargo, dado que las tasas son  iguales, la cantidad de moléculas en   estado líquido y en estado gaseoso se  mantienen constantes. Y si lo miramos   desde un punto de vista macroscópico, el  nivel del agua no cambiaría en absoluto. Ahora apliquemos este concepto de equilibrio  dinámico a una reacción química hipotética.   En nuestra reacción hipotética, X2, que  es un gas marrón rojizo, se descompone en   sus átomos individuales para formar 2X y los  átomos individuales son incoloros. Entonces,   en la reacción hacia adelante vamos  de X2 a 2X. X2 se descompone en 2X. Y en la reacción inversa, los dos átomos  de X se combinan para formar X2. Cuando   tenemos una reacción hacia adelante y  una reacción inversa, por convención,   decimos que lo que está en el lado izquierdo son  los reactantes y lo que está en el lado derecho,   son los productos. Y al usar estos  términos, podemos evitar confusiones. Digamos que comenzamos nuestra  reacción solo con reactantes. Entonces,   solo X2 está presente en este primer  contenedor. Y hay cinco partículas de X2.  Si cada partícula representa 0.1 moles,  ya que tenemos cinco partículas de X2,   tenemos 0.5 moles de X2. Y digamos  que este es un recipiente de un litro. 0.5 dividido entre uno sería 0.5 molar. Entonces, la concentración inicial de gas   X2 es 0.5 molar. Y como no tenemos ninguna de  las X, no hay puntos blancos en este contenedor,   ¿cierto? La concentración inicial de X sería cero  molar. Así que escribiré eso aquí... 0 Molar. A continuación, esperamos 10 segundos. Así que comenzamos con un tiempo igual   a cero segundos, y ahora estamos  en el tiempo igual a 10 segundos.  Y ahora, como podemos observar, hay tres  partículas de X2 en nuestra contenedor.   Y eso sería 0.3 molar, así que continuemos y  escribamos 0.3 Molar para nuestra concentración. Y ahora tenemos algunas partículas de X. Hay una, dos, tres, cuatro partículas.  Y una vez más, si cada partícula representa 0.1   moles eso es 0.4 moles de X  dividido por uno o 0.4 Molar. Esperamos otros 10 segundos así que  cuando el tiempo es igual a 20 segundos,   hay dos partículas de X2 y una, dos,  tres, cuatro, cinco, seis partículas de X.  Así que ahora las concentraciones son  0.2 Molar para X2 y 0.6 Molar para X. Esperamos otros 10 segundos para acumular un  total de 30 segundos. Y todavía quedan dos   partículas de X2 y seis partículas de X. Y entonces las concentraciones después de   30 segundos... la concentración de X2  es 0.2 Molar y la de X es 0.6 Molar. Observemos cómo la concentración de X2 pasó de  0.5 Molar a 0.3 Molar y luego a 0.2, y luego se   mantuvo en 0.2 después de 30 segundos. Así que  se volvió constante cuando pasaron 20 segundos.  La concentración de X pasó de cero a  0.4, a 0.6 y luego también se mantuvo   en 0.6 después de 30 segundos. Entonces las concentraciones se   volvieron constantes cuando el tiempo  transcurrido fue igual a 20 segundos,   lo que significa que la reacción alcanzó  el equilibrio después de 20 segundos. Así que cuando el tiempo era igual  a cero, no estaba en equilibrio.  Cuando el tiempo era igual a 10  segundos, no estaba en equilibrio.  Solo cuando el tiempo fue igual a 20  segundos, la reacción alcanzó el equilibrio.  Y en ese equilibrio, la velocidad de  la reacción hacia adelante es igual   a la velocidad de la reacción  inversa. Y si eso es cierto,   entonces X2 se está convirtiendo en 2X al  mismo ritmo que 2X se vuelve a convertir en X2.   Y si esas tasas son iguales, las concentraciones  de X2 y X en equilibrio permanecen constantes. Podemos ver el mismo concepto, si observamos  una gráfica de concentración respecto al tiempo.  La concentración de X2 comienza en 0.5 Molar  cuando el tiempo es igual a cero segundos,   y luego cae a 0.3 Molar después de 10  segundos. Y después de 20 segundos,   está en 0.2 Molar y después  de eso se mantiene constante. Para la concentración de X, comienza en 0 Molar,   aumenta a 0.4 después de 10 segundos, luego  llega a 0.6 y luego permanece constante. Entonces, si pensamos en una línea, si dibujamos  una línea discontinua aquí a los 20 segundos, esa   es la línea divisoria entre la izquierda, donde  no estamos en equilibrio y así las concentraciones   siempre están cambiando y luego, a la derecha  de esa línea punteada, estamos en equilibrio,   y aquí las concentraciones permanecen constantes.  De modo que la concentración de equilibrio del   gas X2 es igual a 0.2 Molar y la concentración  de equilibrio del gas X es igual a 0.6 Molar. Finalmente, usemos estos diagramas  de partículas para pensar en lo que   veríamos a nivel macroscópico mientras  la reacción procede al equilibrio.  En el primer diagrama de partículas  solo vemos partículas rojas. Entonces,   solo nuestros reactantes X2  están presentes al principio. Sin embargo, a medida que pasa el tiempo,  la cantidad de partículas rojas disminuye de   cinco en el primer diagrama de partículas,  a tres en el segundo, a dos y luego el   número permanece en dos porque recuerda que  llegamos equilibrio después de 20 segundos. Entonces, lo que veríamos desde un punto de  vista macroscópico, es que comenzamos con un   recipiente de reacción que contiene un gas que  es rojo marrón más oscuro y luego sería rojo   marrón más claro. Y luego, finalmente, cuando  se alcanza el equilibrio se volvería de un rojo   marrón aun más claro, el cual se mantendría  igual, debido a que habríamos alcanzado el   equilibrio y las concentraciones de reactantes  y productos permanecen constantes en equilibrio. A pesar de que nuestros reactantes se  están convirtiendo en nuestros productos,   nuestros productos están volviendo a convertirse  en nuestros reactantes a la mismo tasa y por   lo tanto las concentraciones tanto de los  reactantes como de los productos son constantes.