7.9 Introducción al principio de Le Châtelier

Pregunta esencial

¿Cómo responde un sistema en equilibrio cuando lo perturbamos?

El equilibrio es un balance. Esta lección estudia qué pasa cuando empujamos ese balance al agregar sustancias, apretar el recipiente o calentarlo.

Principio de Le Châtelier

• Si se aplica una perturbación a un sistema en equilibrio, el sistema se desplaza en la dirección que reduce la perturbación.
• Una perturbación es cualquier cambio en las condiciones: agregar o quitar una sustancia, cambiar el volumen o cambiar la temperatura.
• Un desplazamiento significa que la reacción avanza de forma neta en dirección directa (a la derecha, hacia los productos) o en dirección inversa (a la izquierda, hacia los reactivos) hasta llegar a un nuevo equilibrio.
• Imagina a una persona sobre una tabla de equilibrio: si la empujas hacia un lado, se inclina hacia el otro para mantener el balance.

Adición o eliminación de una sustancia

• Agregas una sustancia → el sistema se desplaza alejándose de ella y consume un poco.
• Quitas una sustancia → el sistema se desplaza hacia ella y produce más.

N₂(g) + 3H₂(g) ⇌ 2NH₃(g)

Al agregar N₂, el sistema se desplaza a la derecha: consume un poco de N₂ y de H₂ y produce más NH₃. Quitar el NH₃ conforme se forma también desplaza el sistema a la derecha. Las fábricas hacen justo esto para obtener más amoníaco.

Cambio del volumen de un gas

• Menor volumen → la presión sube → desplazamiento hacia el lado con menos moles de gas.
• Mayor volumen → desplazamiento hacia el lado con más moles de gas.
• En N₂O₄ ⇌ 2NO₂ (1 mol de gas frente a 2 mol de gas), si aprietas el cilindro, el sistema se desplaza a la izquierda. Se forman pares y baja el número de partículas.

Cambios que NO desplazan el equilibrio

Cambio	Por qué no hay desplazamiento
Agregar un catalizador	Acelera por igual la reacción directa y la inversa. El equilibrio se alcanza más rápido, pero las cantidades no cambian.
Agregar un gas inerte a volumen constante	La presión total sube, pero las presiones parciales y las concentraciones de los gases que reaccionan siguen igual.
Agregar o quitar un sólido o un líquido puro	No aparecen en la expresión de K, así que no afectan el balance.

Estos cambios no modifican Q ni K. Aparecen mucho como preguntas con trampa.

Cambio de temperatura

• Trata el calor como una sustancia: es un reactivo en una reacción endotérmica y un producto en una reacción exotérmica.
• Al calentar → desplazamiento alejándose del calor. Al enfriar → desplazamiento hacia el calor.
• N₂O₄ → 2NO₂ es endotérmica. En agua caliente se desplaza a la derecha y se vuelve café oscuro. En un baño de hielo se desplaza a la izquierda y se vuelve pálido.
• La temperatura es la única perturbación que cambia el valor de K. Veremos más sobre esto en el Tema 7.10.

Dilución

Fe³⁺(aq) + SCN⁻(aq) ⇌ FeSCN²⁺(aq)

• Al agregar agua bajan todas las concentraciones al mismo tiempo.
• El sistema se desplaza hacia el lado con más partículas disueltas para volver a subir el total.
• Aquí la izquierda tiene 2 partículas y la derecha tiene 1, así que al diluir el sistema se desplaza a la izquierda. El FeSCN²⁺, de color rojo intenso, se consume, y por eso la solución se ve más pálida, no solo porque esté más aguada.
• Esto funciona de manera muy parecida a la regla del volumen de los gases.

Observación de un desplazamiento

• El principio de Le Châtelier predice cambios que podemos observar: color, pH o temperatura.
• El Co(H₂O)₆²⁺ es rosa. El CoCl₄²⁻ es azul.
• Al agregar HCl se agrega Cl⁻, un reactivo, así que el sistema se desplaza a la derecha y la solución se vuelve azul.
• Las preguntas de AP suelen describir un cambio de color y pedir que lo expliques con el principio de Le Châtelier.

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Ejemplos resueltos

Primero intenta resolver cada problema por tu cuenta y luego abre la solución para revisar tu trabajo.

Ejemplo 1: Cambio de volumen

Para 2SO₂(g) + O₂(g) ⇌ 2SO₃(g), el volumen del recipiente disminuye a temperatura constante. ¿Hacia dónde se desplaza el equilibrio?

Mostrar la solución

1. Identifica la perturbación: el volumen es menor, así que la presión sube.
2. Cuenta los moles de gas: lado izquierdo 2 + 1 = 3 mol de gas. Lado derecho 2 mol de gas.
3. Aplica la regla: para reducir la presión, el sistema se desplaza hacia menos moles de gas.
4. Respuesta: El equilibrio se desplaza a la derecha, hacia el SO₃. Al disminuir el volumen aumenta la presión, y el lado de los productos tiene menos moles de gas (2 mol < 3 mol).

Ejemplo 2: Cambio de temperatura

Para la misma reacción, 2SO₂(g) + O₂(g) ⇌ 2SO₃(g), ΔH < 0. La temperatura aumenta. ¿Hacia dónde se desplaza el equilibrio y qué pasa con [SO₃]?

Mostrar la solución

1. Ubica el calor: exotérmica significa que el calor es un producto: 2SO₂ + O₂ ⇌ 2SO₃ + calor
2. Identifica la perturbación: al subir la temperatura se agrega calor.
3. Aplica la regla: el sistema se desplaza alejándose del calor agregado. El calor está a la derecha, así que se desplaza a la izquierda.
4. Respuesta: El equilibrio se desplaza a la izquierda y [SO₃] disminuye. Como cambió la temperatura, K también cambia: en una reacción exotérmica, K se hace más pequeña al calentar.

Ejemplo 3: Explicación de un cambio de color

Para Co(H₂O)₆²⁺(aq) + 4Cl⁻(aq) ⇌ CoCl₄²⁻(aq) + 6H₂O(l), un tubo de ensayo azul con la mezcla se coloca en un baño de hielo y se vuelve rosa. ¿La reacción directa es endotérmica o exotérmica? Justifica tu respuesta.

Mostrar la solución

1. Identifica la perturbación: el baño de hielo enfría la mezcla, es decir, le quita calor.
2. Usa la observación: el rosa es el Co(H₂O)₆²⁺, que está a la izquierda. De azul a rosa significa que el equilibrio se desplazó a la izquierda.
3. Razona sobre el calor: al quitar calor, el sistema se desplaza hacia el lado que tiene calor. Se desplazó a la izquierda, así que el calor está a la izquierda: el calor es un reactivo.
4. Respuesta: Endotérmica. Al enfriar se quitó calor y el sistema se desplazó a la izquierda (rosa), así que el calor es un reactivo en la reacción directa.

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Práctica

La hoja de práctica llegará pronto.

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Diapositivas de la lección

• Diapositivas de 7.9 Introducción al principio de Le Châtelier (PDF) (en inglés)

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Ideas clave

• Un sistema perturbado se desplaza para reducir la perturbación.
• Si agregas una sustancia, el sistema se aleja de ella. Si la quitas, se acerca a ella.
• Menor volumen: desplazamiento hacia menos moles de gas.
• Trata el calor como un reactivo o un producto. Solo la temperatura cambia K.
• Los catalizadores, los gases inertes y los sólidos no causan un desplazamiento.

De vuelta a la pregunta esencial: un sistema en equilibrio se desplaza en la dirección que contrarresta la perturbación, hasta llegar a un nuevo equilibrio. A continuación, el Tema 7.10, Cociente de reacción y principio de Le Châtelier, donde usamos Q y K para explicar por qué funcionan estas reglas.

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