Equilibrio en Ingeniería Química

El equilibrio es un concepto fundamental que cuenta con múltiples aplicaciones dentro de la ingeniería química, ya que puede emplearse para resolver situaciones mediante la óptica termodinámica, química o de cinética.

Equilibrio químico obtenido en laboratorio
El estado de equilibrio es fundamental para estudios de ingeniería química. Imagen de thoughtco

En este artículo definiremos al equilibrio y los tipos de equilibrio que comúnmente se encuentran en el estudio de la ingeniería química.

Tabla de contenidos
  1. Estado de equilibrio
    1. Características del estado de equilibrio
  2. Equilibrio entre fases o equilibrio físico
  3. Equilibrio químico
  4. La evolución hacia el equilibrio
    1. Fenómenos de transporte
    2. Cinética química

Estado de equilibrio

Diagrama del estado de equilibrio
Estado de equilibrio. Imagen de khullanote

Antes de definir el estado de equilibrio, es importante tener una idea básica sobre el equilibrio:

El equilibrio es un estado de inmovilidad de un cuerpo, partícula o sistema de partículas, que se encuentra sometido a dos o más fuerzas de la misma intensidad, las cuales, se encuentran en sentidos opuestos, lo que contrarresta dichas magnitudes de fuerza, o dicho en otras palabras, se anulan debido a sus sentidos opuestos.

Como podemos notar, es un concepto general que tiene una explicación física sobre el equilibrio. Sin embargo, el concepto es más o menos el mismo en cualquier disciplina científica. Asimismo, teniendo una idea general sobre el equilibrio, podemos definir el concepto de estado de equilibrio:

“Un sistema en estudio se encuentra en equilibrio cuando su estado es tal que no experimenta ningún tipo de cambio espontáneo”

Es un concepto simple, bastante parecido al concepto físico, pero que se adapta mejor al campo de la ingeniería química. Para definir el estado de equilibrio que presenta un sistema en estudio no se requiere que todas las propiedades intensivas del sistema estén especificadas, sólo se requiere conocer un determinado número de propiedades de dicho sistema para definir automáticamente al estado de equilibrio, de modo, que los valores de las propiedades intensivas restantes queden completamente fijadas.

A este número de propiedades intensivas conocidas, se les conoce como grados de libertad de un sistema (L). Estos grados de libertad dependen del número de componentes que conforman el sistema en estudio (C) y del número de fases presentes (F). La relación entre estas tres magnitudes se conoce como la regla de las fases de Gibbs y se representa matemáticamente, como:


Características del estado de equilibrio

El estado de equilibrio presenta características que lo definen y nos permiten identificar cuando nos encontramos frente a dicho estado de equilibrio. Sus principales características son:

  • En todo sistema en estudio la condición de equilibrio es dinámica. Esto se debe a que alcanza una igualdad entre la velocidad para alcanzar el equilibrio y la velocidad para abandonar el estado de equilibrio.
  • Cuando un sistema no se encuentra en equilibrio, espontáneamente tiende a encontrar el estado de equilibrio.
  • Si un sistema en equilibrio es sometido a una acción que da como resultado el cambio de uno de los factores que determinan el estado de equilibrio, el sistema tiende a recuperar el estado de equilibrio disminuyendo el cambio que generó la salida del estado de equilibrio (principio de LeChatelier).
  • Las propiedades y la naturaleza de un estado en equilibrio son completamente independientes de cómo el sistema alcanzó el estado de equilibrio.
  • La condición de un sistema en equilibrio representa la compensación de dos tendencias opuestas, las cuales, son la exigencia de asumir un estado de energía mínimo y la capacidad de adquirir entropía máxima.





Equilibrio entre fases o equilibrio físico

Fases en equilibrio
Equilibrio de fases. Imagen de edurev

Cuando estamos frente a un sistema monofásico, podemos definir su condición de equilibrio como la uniformidad de sus componentes en toda la fase. No obstante, aunque las condiciones de equilibrio entre fases se basan en el mismo principio, la condición final de equilibrio no implica la igualdad de todos los componentes en todas las fases, sino que cada componente se reparte entre las fases de acuerdo con unas ciertas proporciones que solo dependen de la temperatura y de la presión. En otras palabras, la condición de equilibrio va a existir siempre que haya uniformidad de componentes en cada fase, pero que presentan valores distintos.

El equilibrio entre fases puede expresarse utilizando el concepto de coeficiente de reparto, que matemáticamente se define de la siguiente manera:

Donde x e y son las composiciones de los componentes i en las respectivas fases de X e Y. Para sistemas bifásicos, existen las siguientes expresiones para sistemas en equilibrio:

Ley de Dalton – Raoult para equilibrio líquido-vapor, la cual podemos representar de la siguiente manera:

Donde:

  • Pi0: Presión de vapor de componente i
  • P: Presión total del sistema
  • yi: Composición del componente i en fase Y
  • xi: Composición del componente i en fase X

Ley de Henry para equilibrio líquido-gas, la cual podemos representar de la siguiente manera:

Donde Hi es la constante de Henry para el componente i

Cuando los sistemas en estudio se alejan de la idealidad, suelen utilizarse los diagramas de equilibrio para estudiar el estado de equilibrio de dicho sistema. Estos diagramas suministran información gráfica sobre este estado en diferentes condiciones, resultando una herramienta de gran utilidad para comprender el estado de equilibrio.


Equilibrio químico

Diagrama de equilibrio químico
Equilibrio químico. Imagen de jove

En una reacción química se produce un reordenamiento de los átomos constitutivos de las especies presentes, los cuales, se combinan en proporciones definidas representadas por una ecuación estequiométrica, que expresa la naturaleza del cambio que tiene lugar, de este modo:

Este tipo de proceso es denominado reversible y por lo tanto, es un sistema cerrado. Los reactivos (A y B) y los productos (R y S), pueden coexistir permanentemente en cantidades relativamente fijas que reflejan las estabilidades intrínsecas de los diversos compuestos. La forma más precisa de describir esta situación es utilizando el concepto de constante de equilibrio (K) definida para sistemas ideales a presión y temperatura constantes, como:

Donde los exponentes son los denominados coeficientes estequiométricos de la reacción química reversible, es decir, la proporción que reacciona de cada especie química.




La evolución hacia el equilibrio

Cuando un sistema de estudio no se encuentra en equilibrio, tiende espontáneamente a alcanzarlo, debido a la segunda ley de la termodinámica, por un transporte de propiedades de una región a otra del sistema o cuando se trata de reacciones químicas de la reorganización energética de los enlaces de las especies reaccionantes.

Las leyes cinéticas que influyen directamente sobre los cambios físicos y químicos no están completamente establecidas como las que se consideran en el estado de equilibrio, por lo tanto, hay que tener mucha atención sobre los métodos experimentales para obtener resultados confiables y como consecuencia, estos resultados deben tratarse bajo un punto de vista totalmente empírico.

Fenómenos de transporte

El potencial impulsor de un sistema se define como la diferencia entre la condición real de dicho sistema y la condición de equilibrio. Este potencial impulsor determina el desarrollo del proceso. La velocidad con la que cualquier sistema evoluciona hacia el estado de equilibrio provocando un transporte, es directamente proporcional al potencial impulsor que lo origina e inversamente proporcional a la resistencia que el sistema opone a dicho transporte.

Esta velocidad puede expresarse matemáticamente mediante la ecuación de la ley de Ohm:

Cinética química

Si por el contrario, nos encontramos estudiando reacciones químicas, el estado de equilibrio es determinado por el final de la transformación de las especies químicas en productos, pero no por el tiempo necesario para que dicha transformación tenga lugar. El estudio de esta velocidad considerando todos los factores que influyen sobre ella, tiene como objetivo formular una expresión matemática que describa la velocidad de la reacción de una forma mucho más fidedigna, tomando en cuenta todos los factores que influyen en la velocidad de la reacción.

Esta expresión matemática lleva por nombre expresión cinética, y tiene como forma predeterminada:

Donde:

  • ri: Velocidad de cambio
  • Ni: Cantidad del componente i
  • C: Fracción de las cantidades de especies presentes en el sistema
  • T: Temperatura
  • ƞ: Factores asociados a la posible existencia de más de una fase

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