Introducción al equilibrio químico II

Introducción al equilibrio químico II
Como se mencionó anteriormente, la clave para identificar a una reacción reversible y que por lo tanto ingresa al equilibrio químico es aquella que aparenta detenerse antes de que todos los reactivos se hubieran consumido (nivel molar o macroscópico). Mientras que a nivel molecular explicamos que en el equilibrio los reactivos reaccionan entre sí, para regenerar los reactivos de partida.
Consideremos por ejemplo la siguiente reacción.

Esta reacción que requiere un catalizador para poder dares a una velocidad razonable es denominada metanación catalítica. Esta reacción adicionalmente se la puede clasificar como una reducción desde el punto de vista del carbono ya que pierde oxigeno (agente oxidante) y adquiere hidrógenos (agentes reductores) y por lo tanto requiere de una cantidad importante de energía para poder suceder “no solo en términos de la energía que logra almacenarse en los enlaces entre carbono e hidrógeno, sino también en la energía de activación para que la reacción siquiera empiece a darse”.  

Figura IEQ-01. Esta es literalmente la edad de la petroquímica, los fertilizantes con los cuales hacemos crecer nuestros alimentos son derivados del petróleo, del mismo modo que el material con que se hacen las canastas con las que se transportan, la gasolina que mueve al camión de los transporta, la ropa que visten los operarios que cargan y en muchos casos la maquinaria que se encarga del procesamiento de estos. Los derivados del petroleo son omnipresentes en nuestra sociedad.

Esta reacción es potencialmente útil ya que el metano es n gas energético bastante útil, mientras que el monóxido de carbono es un gas de baja energía. La quema incompleta de carbón mineral tiende a producir grandes cantidades de monóxido de carbono, por lo que la metanación catalítica sería una buena forma de poder regenerar un gas energético y posteriormente quemar este hasta llevarlo al dióxido de carbono que es la especie química de carbono con menos energía posible.  

Figura IEQ-02. Mucho de los vapores producidos por la quema del carbón mineral es dióxido de carbono y agua, sin embargo también existe cierta cantidad de monóxido de carbono, una especie química toxica y con un efecto de invernadero mas potente que el dióxido de carbono.

El metano no solo puede emplearse para su quema, también puede ser empleado como punto de partida para la síntesis de otros hidrocarburos de cadenas más largas como los alcanos, los alquenos y de allí en adelante. Ahora, esta ruta de síntesis de hidrocarburos y demás compuestos orgánicos no es muy empleada debido a que el metano puede obtenerse fácilmente de yacimientos fósiles o geológicos naturales.  

Figura IEQ-03. En la edad de la petroquímica todo depende de la capacidad de una nación para producir y procesar el petróleo y el gas natural, pero los yacimientos de estos materiales no durarán para siempre.

Sin embargo así como la gasolina se hace cada vez más escasa “y más costosa”, lo mismo le sucederá tarde o temprano al gas natural. Actualmente las fuentes para poder crear los compuestos orgánicos como la gasolina o los plásticos es el petróleo, de hecho en retrospectiva podríamos acuñar a la era del siglo XX pasando por nuestro presente hasta que los yacimientos de petróleo se sequen en términos prácticos como la edad del petróleo o edad de la petroquímica. La regeneración artificial de compuestos orgánicos a partir de monóxido de carbono plantea una alternativa teórica cuando la geología nos corte el chorro de petróleo y gas natural.
Sin embargo, la metanación catalítica del monóxido de carbono posee un problemita estequimétrico, es una reacción reversible, esto quiere decir que no todo el reactivo “que cuesta dinero tanto para conseguir como para preparar de manera industrial” es consumido por la reacción, más aun, dependiendo de las condiciones del reactor industrial se puede hasta invertir el sentido de la reacción, un proceso llamado reformación de vapor

Este proceso inverso es empleado en algunas industrias que necesitan sintetizar hidrógeno gaseoso. El proceso de la metanación catalítica y la reformación de vapor ilustran la reversibilidad de muchas reacciones químicas. Más aun, el hecho de que solo alterar las condiciones externas afecte que tipo de reacción se dé, ya nos da pistas sobre qué es lo que posiblemente se vea afectado en estos procesos, y es la constante de proporcionalidad de la velocidad de la reacción “la cual como ya se dijo en el tema anterior es afectada por las condiciones termodinámicas externas como la presión y la temperatura”.
Por lo general los equilibrios químicos se describen en términos de disociaciones en solución acuosa, sin embargo el concepto de equilibrio es mucho más amplio, cubriendo reacciones que disolución entre especies químicas en fases diferentes.
Uno de los ejemplos más ilustrativos es el del dióxido de carbono que puede iniciar un equilibrio múltiple. El dióxido de carbono atmosférico ingresa a un equilibrio con el dióxido de carbono del agua “equilibrio de disolución entre fases”, pero el dióxido de carbono acuoso a su vez entabla un equilibrio de reacción con el ácido carbónico “equilibrio de reacción” pero el ácido carbónico entabla a su vez un primer equilibrio de disociación con el ion bicarbonato “equilibrio iónico- ácido base” y a su vez en ion bicarbonato puede entrar en equilibrio con el ion carbonato “equilibrio iónico- ácido base”.   Este equilibrio múltiple es muy importante ya que determina las condiciones de acidez de los océanos del planeta, y por esta razón el calentamiento climático puede afectar a los ecosistemas marinos al alterar a la acidez de las aguas.

Figura IEQ-04. El dióxido de carbono atmosférico no solo incrementa la temperatura del planeta por efecto invernadero, también incrementa la acidez de los océanos, tanto por concentración como por el hecho de que la solubilidad del dióxido de carbono se incrementa con el aumento en la temperatura.

La biología está llena de reacciones de equilibrio múltiple, donde virtualmente toda reacción biológica puede y está en algún tipo de equilibrio. PRINCIPAL
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