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Química - Preparación Educación Superior
Curso: Química - Preparación Educación Superior > Unidad 7
Lección 2: Equilibrio químicoLa constante de equilibrio K
Reacciones reversibles, equilibrio, y la constante de equilibrio K. Cómo calcular K, y cómo usar K para determinar si una reacción favorece la formación de productos o de reactivos en el equilibrio.
Puntos más importantes
- Una reacción reversible puede proceder tanto hacia productos como hacia reactivos.
- El equilibrio se da cuando la velocidad de la reacción hacia adelante es igual a la velocidad de la reacción en sentido inverso. Las concentraciones de reactivos y productos se mantienen constantes en el equilibrio.
- Dada la reacción start text, a, A, end text, plus, start text, b, B, end text, \leftrightharpoons, start text, c, C, end text, plus, start text, d, D, end text, la constante de equilibrio K, start subscript, start text, c, end text, end subscript, también llamada K o K, start subscript, start text, e, q, end text, end subscript, se define como sigue:
- Para las reacciones fuera del equilibrio, podemos escribir una expresión similar llamada cociente de reacción Q, que es igual a K, start subscript, start text, c, end text, end subscript en el equilibrio.
- K, start subscript, start text, c, end text, end subscript y Q se pueden usar para determinar si una reacción está en equilibrio, para calcular concentraciones en el equilibrio, y para determinar si la reacción favorece la formación de productos o de reactivos en el equilibrio.
Introducción: reacciones reversibles y equilibrio
Una reacción reversible puede proceder tanto hacia adelante como hacia atrás. En teoría, la mayoría de las reacciones son reversibles en un sistema cerrado, aunque algunas pueden ser consideradas irreversibles si la formación de productos o reactivos se ve mayormente favorecida. La doble flecha incompleta que usamos al escribir reacciones reversibles, \leftrightharpoons, es un buen recordatorio visual de que las reacciones pueden ir ya sea hacia adelante para generar productos, o hacia atrás para crear reactivos. Un ejemplo de una reacción reversible es la formación de dióxido de nitrógeno, start text, N, O, end text, start subscript, 2, end subscript, a partir de tetraóxido de dinitrógeno start text, N, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, O, end text, start subscript, 4, end subscript:
Imagina que agregamos start text, N, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, O, end text, start subscript, 4, end subscript, left parenthesis, g, right parenthesis incoloro a un recipiente al vacío a temperatura ambiente. Si miráramos el vial por un tiempo, podríamos observar que el gas en el vial cambia a un color anaranjado amarillento volviéndose más obscuro paulatinamente hasta que el color se mantuviera constante. Podemos graficar la concentración de start text, N, O, end text, start subscript, 2, end subscript y start text, N, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, O, end text, start subscript, 4, end subscript en el tiempo para este proceso, como lo puedes observar en la gráfica de abajo.
Inicialmente, el vial contiene solo start text, N, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, O, end text, start subscript, 4, end subscript, y la concentración de start text, N, O, end text, start subscript, 2, end subscript es 0 M. Conforme el start text, N, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, O, end text, start subscript, 4, end subscript se convierte en start text, N, O, end text, start subscript, 2, end subscript, la concentración de start text, N, O, end text, start subscript, 2, end subscript se incrementa hasta cierto punto, indicado por una línea punteada en la gráfica de la izquierda, y después se mantiene constante. De manera similar, la concentración de start text, N, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, O, end text, start subscript, 4, end subscript disminuye de la concentración inicial hasta alcanzar la concentración de equilibrio. Cuando la concentración de start text, N, O, end text, start subscript, 2, end subscript y start text, N, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, O, end text, start subscript, 4, end subscript permanece constante, la reacción ha alcanzado el equilibrio.
Todas las reacciones tienden al estado de equilibrio químico, el punto en el cual tanto el proceso hacia adelante como el proceso inverso suceden a la misma velocidad. Dado que las velocidades hacia adelante y hacia atrás son iguales, las concentraciones de los reactivos y productos son constantes en el equilibrio. Es importante recordar que aunque las concentraciones son constantes en el equilibrio, ¡la reacción no se ha detenido! Y es por eso que a este estado también se le llama equilibrio dinámico.
De acuerdo con las concentraciones de todas las especies de reacción en equilibrio, podemos definir una cantidad llamada la constante de equilibrio K, start subscript, start text, c, end text, end subscript, que a veces también se escribe como K, start subscript, start text, e, q, end text, end subscript o K. La start text, c, end text en el subíndice significa concentración, dado que la constante de equilibrio describe las concentraciones molares, en start fraction, start text, m, o, l, e, s, end text, divided by, start text, l, end text, end fraction, en el equilibrio para una temperatura específica. La constante de equilibrio nos ayuda a entender si una reacción tiende a mostrar una concentración más alta de productos o de reactivos en el equilibrio. También podemos usar K, start subscript, start text, c, end text, end subscript para determinar si la reacción se encuentra o no en el equilibrio.
¿Cómo calculamos K, start subscript, start text, c, end text, end subscript?
Considera la reacción balanceada reversible siguiente:
Si conocemos las concentraciones molares de cada una de las especies de reacción, podemos encontrar el valor de K, start subscript, start text, c, end text, end subscript usando la relación
donde open bracket, start text, C, close bracket, end text y start text, open bracket, D, close bracket, end text son las concentraciones de los productos en el equilibrio; open bracket, start text, A, end text, close bracket y open bracket, start text, B, end text, close bracket las concentraciones de los reactivos en el equilibrio; y start text, a, end text, start text, b, end text, start text, c, end text, y start text, d, end text son los coeficientes estequiométricos de la ecuación balanceada. Las concentraciones se expresan comúnmente en molaridad, que tiene unidades de start fraction, start text, m, o, l, e, s, end text, divided by, start text, l, end text, end fraction.
Hay algunas cosas importantes que recordar cuando se calcula K, start subscript, start text, c, end text, end subscript:
- K, start subscript, start text, c, end text, end subscript es una constante para una reacción específica a una temperatura específica. Si cambias la temperatura de la reacción, entonces K, start subscript, start text, c, end text, end subscript también cambia.
- Los sólidos y líquidos puros, incluyendo disolventes, no se consideran para la expresión de equilibrio.
- K, start subscript, start text, c, end text, end subscript se escribe sin unidades, dependiendo de el libro de texto.
- La reacción debe estar balanceada con los coeficientes escritos como el mínimo valor entero posible para poder obtener el valor correcto de K, start subscript, start text, c, end text, end subscript.
Nota: si alguno de los reactivos o productos está en fase gas, también podemos escribir la constante de equilibrio en términos de la presión parcial de los gases. Típicamente nos referimos a ese valor como K, start subscript, start text, p, end text, end subscript para diferenciarlo de la constante de equilibrio que usa concentraciones en molaridad, K, start subscript, start text, c, end text, end subscript. En este artículo sin embargo, nos estaremos enfocando en K, start subscript, start text, c, end text, end subscript.
¿Qué nos dice la magnitud de K, start subscript, start text, c, end text, end subscript acerca de la reacción en el equilibrio?
La magnitud de K, start subscript, start text, c, end text, end subscript puede proporcionarnos información acerca de las concentraciones de reactivos y productos en el equilibrio.
- Si K, start subscript, start text, c, end text, end subscript es muy grande, ~1000 o más, tendremos mayormente especies de producto presentes en el equilibrio.
- Si K, start subscript, start text, c, end text, end subscript es muy pequeña, ~0.001 o menos, tendremos mayormente especies de reactivo presentes en el equilibrio.
- Si K, start subscript, start text, c, end text, end subscript está entre 0.001 y 1000, tendremos una concentración significativa tanto de las especies de productos como de reactivos en el equilibrio.
Mediante el uso de estas pautas, podemos rápidamente estimar si una reacción favorecerá considerablemente la reacción hacia adelante y generar productos —K, start subscript, start text, c, end text, end subscript muy grande—o favorecer fuertemente la dirección inversa hacia la formación de reactivos—K, start subscript, start text, c, end text, end subscript muy pequeña—o algún punto intermedio.
Ejemplo
Parte 1: calcular K, start subscript, start text, c, end text, end subscript a partir de las concentraciones en el equilibrio
Veamos la reacción en equilibrio que sucede entre el dióxido de azufre y oxígeno para producir trióxido de azufre:
La reacción está en equilibrio a una cierta temperatura, start text, T, end text, midiéndose las siguientes concentraciones en el equilibrio:
Podemos calcular K, start subscript, start text, c, end text, end subscript para la reacción a temperatura start text, T, end text resolviendo la siguiente expresión:
Si introducimos las concentraciones en el equilibrio conocidas en la ecuación anterior, tenemos:
Considera que dado que el valor calculado de K, start subscript, start text, c, end text, end subscript se encuentra entre 0.001 y 1000, esperaríamos que esta reacción tuviera concentraciones significativas tanto de reactivos como de productos en el equilibrio, contrario a tener principalmente productos o principalmente reactivos.
Parte 2: usar el cociente de reacción Q para verificar si una reacción está en equilibrio
Ahora sabemos que la constante de equilibrio para esta temperatura es K, start subscript, start text, c, end text, end subscript, equals, 4, point, 3. Imagina que tenemos la misma reacción a la misma temperatura start text, T, end text, pero en esta ocasión registramos las concentraciones en un recipiente de reacción diferente:
Queremos saber si esta reacción está en equilibrio, pero ¿cómo averiguarlo? Cuando no estamos seguros si nuestra reacción está en equilibrio, podemos calcular el cociente de reacción, Q:
En este punto, podrías preguntarte porqué esta ecuación parece tan familiar y cómo Q es diferente de K, start subscript, start text, c, end text, end subscript. La diferencia principal es que podemos calcular Q para una reacción en cualquier punto ya sea que la reacción esté en el equilibrio o no, pero solo podemos calcular K, start subscript, start text, c, end text, end subscript en el equilibrio. Comparando Q con K, start subscript, start text, c, end text, end subscript, podemos decir si la reacción está en equilibrio porque Q, equals, K, start subscript, start text, c, end text, end subscript en el equilibrio.
Si calculamos Q usando las concentraciones anteriores, tenemos:
Dado que nuestro valor para Q es igual a K, start subscript, start text, c, end text, end subscript, sabemos que la nueva reacción está también en equilibrio. ¡Hurra!
Ejemplo 2: usar K, start subscript, start text, c, end text, end subscript para encontrar composiciones en el equilibrio
Consideremos una mezcla en equilibrio de start text, N, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, O, end text, start subscript, 2, end subscript y start text, N, O, end text:
Podemos escribir la expresión de la constante de equilibrio como sigue:
Sabemos que la constante de equilibrio es 3, point, 4, times, 10, start superscript, minus, 21, end superscript a una temperatura particular, y también sabemos las siguientes concentraciones en el equilibrio:
¿Cuál es la concentración de start text, N, O, end text, left parenthesis, g, right parenthesis en el equilibrio?
Dado que K, start subscript, start text, c, end text, end subscript es menor que 0.001, podemos predecir que los reactivos start text, N, end text, start subscript, 2, end subscript y start text, O, end text, start subscript, 2, end subscript van a estar presentes en concentraciones mucho mayores que el producto, start text, N, O, end text, en el equilibrio. Por lo tanto, esperaríamos que nuestra concentración de start text, N, O, end text calculada fuera muy pequeña comparada con las concentraciones de los reactivos.
Si sabemos que las concentraciones en el equilibrio para start text, N, end text, start subscript, 2, end subscript y start text, O, end text, start subscript, 2, end subscript son 0.1 M, podemos despejar la ecuación para K, start subscript, start text, c, end text, end subscript para calcular la concentración de start text, N, O, end text:
Si introducimos nuestras concentraciones en el equilibrio y el valor para K, start subscript, start text, c, end text, end subscript, tenemos:
Como se predijo, la concentración de start text, N, O, end text, 5, point, 8, times, 10, start superscript, minus, 12, end superscript, start text, M, end text, es mucho menor que las concentraciones de los reactivos open bracket, start text, N, end text, start subscript, 2, end subscript, close bracket y open bracket, start text, O, end text, start subscript, 2, end subscript, close bracket.
Resumen
- Una reacción reversible puede proceder tanto hacia productos como hacia reactivos.
- El equilibrio se da cuando la velocidad de la reacción hacia adelante es igual a la velocidad de la reacción en sentido inverso. Las concentraciones de reactivos y productos se mantienen constantes en el equilibrio.
- Dada la ecuación start text, a, A, end text, plus, start text, b, B, end text, \leftrightharpoons, start text, c, C, end text, plus, start text, d, D, end text, la constante de equilibrio K, start subscript, start text, c, end text, end subscript, también llamada K o K, start subscript, start text, e, q, end text, end subscript, se define usando concentraciones molares como sigue:
- Para las reacciones fuera del equilibrio, podemos escribir una expresión similar llamada cociente de reacción Q, que es igual a K, start subscript, start text, c, end text, end subscript en el equilibrio.
- Se puede usar K, start subscript, start text, c, end text, end subscript para determinar si una reacción esta en equilibrio, para calcular las concentraciones en el equilibrio, y para predecir si una reacción favorecerá productos o reactivos en el equilibrio.
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- En el articulo se menciona que no se toman en cuenta los sólidos y líquidos puros en la ecuación, mi pregunta es ¿Por qué?
Disculpen las molestias.(12 votos) - Amigos, me encantó el artículo está muy bien hecho. Me gustaría una recomendación para encontrar las constantes de equilibrio. Una tabla o una página sería muy útil. Muchas gracias.(9 votos)
- En libro titulado Quimica: Chang, Goldsby vienen muchas tablas de constantes de equilibrio tanto de acidos y bases organicos e inorganicos.(5 votos)
- saludos, como puedo calcular un valor numérico de K si solo conozco la reacción por ejemplo: Exprese las constantes de equilibrio y obtenga los valores numéricos de cada constante para la disociación básica de etilamina, C2H5NH2.(4 votos)
- En el articulo se menciona que no se toman en cuenta los sólidos y líquidos puros en la ecuación, mi pregunta es ¿Por qué?
Disculpen las molestias.(3 votos)
- Se puede calcular para sólidos?(1 voto)