Equilibrios simultáneos

Introducción a los equilibrios simultáneo

Con frecuencia, las reacciones en medio acuoso contienen distintas especies que reaccionan en el medio y entre sí, dando lugar a dos o más equilibrios que ocurren de manera simultánea. Para estudiar estos sistemas, se debe entender el efecto que tiene el equilibrio colateral o secundario sobre el principal.

Principio de Le Châtelier

Si un sistema se encuentra en un estado de equilibrio químico, este estado no se ve alterado a menos que ocurra una tensión o perturbación en el mismo (cambios de temperatura, presión o concentración). Cuando una tensión es aplicada, sus efectos se pueden predecir mediante el principio de Le Châtelier, el cual establece que la posición del equilibrio químico siempre se desplaza hacia la dirección en que tiende a aliviarse el efecto de dicha tensión.

El principio resulta particularmente útil para la predicción del efecto que tiene sobre el equilibrio principal, una perturbación en el equilibrio secundario. Observe por ejemplo el siguiente equilibrio, donde un centro metálico y un ligante reaccionan para formar un complejo:

Error al representar (MathML con SVG o PNG como alternativa (recomendado para navegadores modernos y herramientas de accesibilidad): respuesta no válida («Math extension cannot connect to Restbase.») del servidor «https://wikimedia.org/api/rest_v1/»:): {\displaystyle \ce{ M^{n+} + L <=> ML^{n+} }}

Este equilibrio se puede ver afectado por la presencia de iones hidronio Error al representar (MathML con SVG o PNG como alternativa (recomendado para navegadores modernos y herramientas de accesibilidad): respuesta no válida («Math extension cannot connect to Restbase.») del servidor «https://wikimedia.org/api/rest_v1/»:): {\displaystyle \ce{H^{+}}} o iones hidróxilo Error al representar (MathML con SVG o PNG como alternativa (recomendado para navegadores modernos y herramientas de accesibilidad): respuesta no válida («Math extension cannot connect to Restbase.») del servidor «https://wikimedia.org/api/rest_v1/»:): {\displaystyle \ce{OH^{-}}} , que pueden reaccionar con todas las especies a través de los siguientes equilibrios secundarios:

• Formación de hidroxocomplejos con el centro metálico.

Error al representar (MathML con SVG o PNG como alternativa (recomendado para navegadores modernos y herramientas de accesibilidad): respuesta no válida («Math extension cannot connect to Restbase.») del servidor «https://wikimedia.org/api/rest_v1/»:): {\displaystyle \ce{ M^{n+} + jOH^{-} <=> M(OH)_{j}^{n-j}}}

• Protonación del ligante.

Error al representar (MathML con SVG o PNG como alternativa (recomendado para navegadores modernos y herramientas de accesibilidad): respuesta no válida («Math extension cannot connect to Restbase.») del servidor «https://wikimedia.org/api/rest_v1/»:): {\displaystyle \ce{ L + iH^{+} <=> H_{i}L^{i+}}}

• Reacción del complejo con Error al representar (MathML con SVG o PNG como alternativa (recomendado para navegadores modernos y herramientas de accesibilidad): respuesta no válida («Math extension cannot connect to Restbase.») del servidor «https://wikimedia.org/api/rest_v1/»:): {\displaystyle \ce{H^{+}}} y Error al representar (MathML con SVG o PNG como alternativa (recomendado para navegadores modernos y herramientas de accesibilidad): respuesta no válida («Math extension cannot connect to Restbase.») del servidor «https://wikimedia.org/api/rest_v1/»:): {\displaystyle \ce{OH^{-}}} .

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Con esto se puede predecir, por ejemplo:

1. Una disminución del pH a valores bajos, o aumento en la concentración de iones hidronio, desplaza el equilibrio de la protonación del ligante (equilibrio secundario) hacia los productos, por lo que el equilibrio de formación del complejo ${\ce {ML^{n+}}}$ se ve desplazado hacia los reactivos.
2. Un aumento del pH a valores altos, o aumento en la concentración de iones hidroxilo, desplaza el equilibrio de la formación del hidroxocomplejos (equilibrio secundario) hacia los productos, por lo que el equilibrio de formación del complejo ${\ce {ML^{n+}}}$ se ve desplazado hacia los reactivos de igual forma.

Clasificación de equilibrios simultáneos

Equilibrios homogéneos

Un equilibrio homogéneo es aquel en el que todas las especies que participan se encuentran en una misma fase. Dentro de estos se encuentran los equilibrios ácido-base, de formación de complejos y de óxido-reducción.

Equilibrios heterogéneos

En un equilibrio heterogéneo, las especies que participan en el se encuentran en fases distintas. En esta clasificación se encuentran los equilibrios de solubilidad-precipitación.

Modelo generalizado de equilibrios simultáneos

La resolución de equilibrios simultáneos se puede tratar desde diversas perspectivas. Por ejemplo, Gaston Charlot emplea como estrategia la resolución de sistemas de ecuaciones obtenidos a partir del uso de balances de masas y cargas , al igual que se hace en el libro de Skoog y coautores. Por su parte, Burgot en su libro "Ionic Equilibria in Analytical Chemistry" , hace uso de los coeficientes alfa para la construcción de constantes de equilibrio condicionales.

Metodología de resolución de equilibrios simultáneos

Cualquiera que sea el enfoque que se opte por seguir, es importante tener una estrategia para su resolución ordenada.

1. Metodología estilo Charlot / Skoog et al.:
   • Identificar el equilibrio químico condicional.
   • Identificar la cantidad y naturaleza de los equilibrios secundarios y en que especies del equilibrio principal afectan.
   • Plantear las expresiones de balances de masas y cargas totales, al igual que expresiones de las constantes de equilibrio.
   • Establecer el número de incógnitas y de ecuaciones simultáneas a resolver, estableciendo si tiene solución con base a ello.
   • Realizar aproximaciones convenientes para despejar las incógnitas.
2. Metodología estilo Burgot / Ringbom:
   • Identificar el equilibrio químico condicional.
   • Identificar la cantidad y naturaleza de los equilibrios secundarios y en que especies del equilibrio principal afectan.
   • Plantear los balances de masa condicionales, factorizando en términos de las especies afectadas en el equilibrio principal.
   • Establecer las expresiones para los coeficientes alfa.
   • Calcular las constantes condicionales con base a los coeficientes alfa.

Complejos / Ácido-Base

Sea un equilibrio de formación del complejo ${\ce {ML^{n+}}}$:

Error al representar (MathML con SVG o PNG como alternativa (recomendado para navegadores modernos y herramientas de accesibilidad): respuesta no válida («Math extension cannot connect to Restbase.») del servidor «https://wikimedia.org/api/rest_v1/»:): {\displaystyle \ce{ M^{n+} + L <=> ML^{n+} }}