sábado, 2 de diciembre de 2017

RETOMANDO A HENRI-LOUIS LE CHÂTELIER

 Principio de Le Chatelier

Laura Natalia Páez Muñoz
Licenciada en Química - Universidad Pedagógica Nacional
Maestría en Docencia de la Química - Universidad Pedagógica Nacional




Primero que todo es necesario conocer unos aspectos de quien era el.
Nació en Paris el 8 de octubre de 1850 y murió en Miribel-les-Echelles el 17 de septiembre de 1936.
Fue un químico francés conocido por la formulacion del principio que lleva su nombre en 1887, el cual permite predecir los efectos originados por los cambios de ciertas condiciones (como la presión, la temperatura o la concentración de los reactivos) en una reacción química.

A continuación, se presenta un fragmento de lo recopilado en “Travaux Scientifiques” respecto a los aportes realizados por el químico francés Henri - Louis Le Chatelier en 1897, en relación con el equilibrio químico que permitieron llegar a la formulación y consolidación del Principio de Le Chatelier en 1884.

 Dicho fragmento en su idioma original (francés) dice:
Tomado de: Travaux Scientifiques (1887, pág. 16)

De acuerdo con el anterior fragmento, se puede observar que según lo planteado por Le Chatelier el equilibrio químico depende de ciertos factores como lo son: la presión, la temperatura, el estado de los cuerpos de la reacción y la fuerza electromotriz.
Considero primero que todo que es necesario reconocer a que se le llama “equilibrio químico” el cual es un estado de un sistema reaccionante en el que no se observan cambios a medida que transcurre el tiempo, a pesar que siguen reaccionando entre si las sustancias presentes, en la mayoría de las reacciones químicas, los reactivos no se consumen totalmente para obtener los productos deseados, sino que por el contrario llega a un momento en el que parece que la reacción ha concluido porque alcanzan la misma velocidad, es necesario aclarar que para Le Chatelier el equilibrio químico era concebido como un sistema químico donde intervienen diversas sustancias bien sea reactivos o productos, en el cual se evidencia la influencia a causa de ciertos factores externos de la reacción como lo son: presión, temperatura, concentración y numero de moléculas por unidad de volumen, que pueden presentar un cambio o variación en el sentido de la reacción, principalmente Le Chatelier se enfocó en hacer referencia a los cambios que se presentaban a partir de la temperatura, es por esto que retomó los trabajos de J.H Van’t Hoff, quien había estudiado a profundidad  la evolución de los sistemas en equilibrio debido a un cambio de temperatura y por lo cual se le otorga la autoría de la ley o principio del equilibrio móvil el cual menciona que:

“Todo equilibrio entre dos condiciones diferentes de materia (sistemas) es desplazado por la disminución de la temperatura a volumen constante, hacia la formación del sistema en el que se desarrolla calor” (Le Chatelier, 1887)

Pero lo planteado por Van’t Hoff para Le Chatelier no fue un punto final para su investigación, sino que por el contrario realizó aportes y contribuciones entre ambos principios (el del equilibrio móvil y el de Le Chatelier), a los cuales le involucró dos variables intensivas, es decir que no depende del tamaño ni de la cantidad de materia de dicho sistema, como lo son la presión y la concentración.

Si se analiza el párrafo desde el contexto de la época que fue escrito, estamos hablando de 1884, es decir finales del siglo XIX, donde en ese momento en Europa se estaba evidenciando la revolución industrial en donde se estaba buscando avanzar a nivel de la ciencia y la tecnología por medio de transformaciones económicas, tecnológicas y sociales, es por esto que tal vez es importante resaltar que Le Chatelier tenía una visión muy científica de la industria a tal punto de ser detractor de la duración de la jornada de trabajo semanal de 40 horas, pero él llegó a preocuparse por los factores que intervienen en una reacción química y a pensarse en el equilibrio por influencia de los principales defensores de la revolución industrial que recurrieron a él debido a que era un ingeniero con formación química, le fue otorgada la labor de estudiar la eficiencia de diversos procesos industriales, no sólo químicos sino también físicos, y es por esto que se evidencia en su trabajo la preocupación y el estudio de los diversos procesos físicos y químicos en relación con el calor y su influencia sobre ellos.

Por otra parte para llegar a la consolidación de dicho principio realizó una serie de experimentos orientados a la metalurgia, es donde inician el estudio de diversas mezclas explosivas, y las condiciones para ello, con hidrógeno, metano, monóxido de carbono y aire, por medio de estas investigaciones se determinaron los calores específicos de muchos de estos gases a altas temperaturas, así como el estudio del comportamiento de los óxidos de hierro con monóxido de carbono en los altos hornos, y descubre que dicho monóxido puede descomponerse en carbono y dióxido, en una reacción reversible, por la acción catalítica del hierro.

De acuerdo con las condiciones óptimas que se mencionan en el fragmento anterior, es necesario reconocer como estos factores inciden en el equilibrio químico, es por esto que para su formulación y corroboración Le Chatelier aplica las leyes de la termodinámica en la solubilidad de sales, por eso es que indica que: “El principio de oposición de la acción y la reacción permite conocer la relación del signo que existe entre los dos fenómenos opuestos, pero no sus aspectos cuantitativos, que permiten establecer una relación numérica, basándose en la teoría mecánica del calor”, de acuerdo con lo anterior es que la termodinámica y el equilibrio se relacionan dado que hacen posible predecir en cual sentido la reacción va a tener una evolución de un sistema al liberar ciertos aspectos o restricciones, así como cuál sería el nuevo estado de equilibrio final posible, pero no establece un camino definido ni una velocidad para la evolución. Es decir, deduce la viabilidad de un cierto proceso y su posible estado final, y no si ése será el proceso real, ni si se alcanzará el equilibrio en el tiempo que dure la observación, esto quiere decir que va a indicar la tendencia a la espontaneidad de una reacción química, es decir la energía libre de Gibbs (ΔG) que fue analizada, estudiada y propuesta por J. Willard Gibbs 1870, es decir para el desarrollo del trabajo de Le Chatelier se hizo una recopilación de  dicho trabajo de Gibbs, en el cual se articuló con el equilibrio químico y como esta energía mantenía una estrecha relación con la constante de equilibrio (Q), ya que cuando ΔG < 0, la reacción evoluciona espontáneamente hacia la formación de los productos, con lo cual tienden a desaparecer los reactivos y por lo tanto Q aumenta y ΔG también aumenta hasta que llegue a 0.

Si se habla de la solubilidad y como esta fue concebida como un factor determinante a la hora de la consolidación del principio de Le Chatelier, la solubilidad está relacionada con las soluciones químicas dado que cuando un sólido se disuelve hay un cambio favorable de entropía, muchos sólidos serán más solubles con el aumento de la temperatura, lo cual es lo que se expresa por la ecuación de la energía libre de Giibbs, adicionalmente una de las consecuencias de este factor es que la solubilidad es un factor que varía según la sustancia y esto mantiene una estrecha relación con la saturación de las soluciones y así generar el proceso de solvatación que consiste en la formación de interacciones atractivas entre moléculas de un disolvente con moléculas o iones de un soluto. 

Retomando el fragmento anterior, en él se abordan los factores que inciden en el equilibrio, esto quiere decir que cuando se agrega una sustancia a un sistema en equilibrio, modificando la concentración en equilibrio, del reactivo o producto, éste se desplazará en el sentido que lo contrarreste consumiendo la sustancia adicionada para conseguir un nuevo estado de equilibrio. Si por el contrario, se extrae del sistema reactivo o producto, el sistema se dirigirá en la dirección que se forme más de la sustancia retirada; por otro lado si se eleva la presión de un sistema de gases en equilibrio, la reacción se desplaza en la dirección en la que desaparezcan moles de gas, a fin de minimizar la elevación de presión, pero si disminuye la presión, la reacción se desplazará en el sentido en que aumenten las moles totales de gas lo que ayudará a que la presión no se reduzca. Si en el sistema donde sucede una reacción se eleva la temperatura, la reacción se trasladará hacia el lado que absorba calor (reacción endotérmica). Por otro lado, si la temperatura disminuye, la reacción se trasladará para el lado que desprenda calor (reacción exotérmica).

Para formular dicho principio Le Chatelier no sólo se basó en los aportes desde la solubilidad sino también en diversos experimentos que corroboraran sus resultados, es por esto por lo que se abarcaron fenómenos desde el calor latente, disoluciones y sentido de la reacción, en este caso el sentido de la reacción está muy relacionado como lo menciona Le Chatelier con los fenómenos de vaporización de Lavoisier y de disociación de las sustancias de Van’t Hoff, que le permitieron reformular su principio de acuerdo al sentido de la reacción y el desplazamiento del equilibrio va a depender de la elevación de la temperatura y así mismo corresponderá a una absorción de calor, a lo cual denomino “Ley de oposición de la reacción a la acción”, la cual menciona: 

     “Todo sistema en equilibrio experimenta, debido a la variación de uno solo de los factores del equilibrio, una variación en un sentido tal que, de producirse sola, conduciría a una variación de signo contrario del factor considerado.” (Le Chatelier, 1887).

Por otra parte muchas veces no se piensa el equilibrio químico más allá desde la perspectiva de la rama de la química, que puede explicar fenómenos físicos o químicos desde la fisicoquímica, pero si se observa una de las aplicaciones que tuvo el principio de Le Chatelier y el equilibrio químico desde principios del siglo XX es su contribución al desarrollo de la industria química y reacciones como la de Haber- Bosch para la obtención del amoníaco donde mediante la adecuada articulación de los factores cinéticos y termodinámicos le permitieron obtener el NH3, otras de las aplicaciones de dicho principio corresponde a la fabricación del cloro por el procedimiento Deacon y la obtención del ácido sulfúrico por el método de contacto.

Como se menciona anterioromente respecto al proceso de Haber-Bosh, es una de las principales aplicaciones del principio de Le Chatelier a nivel industrial, teniendo en cuenta que es una de las reacciones más dificiles de dar en la naturaleza, debido a la abundancia de los elementos en la naturaleza, dicho proceso es representado por la siguiente reaccion.


N2(g) + 3H2(g) ⇔ 2NH3(g)                 variación de entalpía negativa

Que de igual manera se observa en el siguiente esquema:
Tomado de https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/4/4a/Haber-Bosch-es.svg/1200px-Haber-Bosch-es.svg.png

 Debido a que la reacción natural es muy lenta, se acelera con un catalizador de hierro (Fe3+) y óxidos de aluminio (Al2O3) y potasio (K2O) permitiendo que el equilibrio se alcance con mayor rapidez. Los factores que aumentan el rendimiento, al desplazar el equilibrio de la reacción hacia los productos (Principio de Le Châtelier), son las condiciones de alta presión (150-300 atmósferas) y altas temperaturas (400-500°C), resultando en un rendimiento del 10-20%, los cuales se dan a conocer a continuación:

  •      Temperatura:  Dado que la reacción es exotérmica, la formación de amoniaco se verá favorecida por una disminución de la temperatura. Sin embargo, la velocidad de una reacción química aumenta con la temperatura, en cualquiera de los dos sentidos; es decir, el factor cinético se favorece a elevadas temperaturas. A medida que la temperatura disminuye, la velocidad de la reacción se hace cada vez menor y, en consecuencia, la obtención del amoníaco no tendría interés en la práctica, ya que se tardaría mucho tiempo para conseguir una pequeña concentración de NH3.
  •        Presión: Un aumento de la presión favorecerá el desplazamiento de la reacción hacia la derecha, ya que a la izquierda hay 4 moles de gas y a la derecha únicamente 2 (recordemos que el aumento de la presión favorece el sentido de reacción en el que hay menos moles gaseosas). Por tanto, al aumentar la presión se favorece la formación de NH3, que es lo deseado.
Lo mencionado anteriormente, se presenta a manera de recopilación en el siguiente cuadro comparativo entre cada una de las versiones de los postulados que presento el principio de Le Chatelier, esto con base en los criterios de la mecánica química y la termodinámica.
Fuente: Autora
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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