Resultados de aprendizaje
- Explicar el equilibrio químico.
- Escribir la expresión para calcular \(K\).
- Calcular y comparar los valores de Q y K.
- Predecir las cantidades relativas de los reactantes y los productos basándose en la constante de equilibrio \(K\).
Los gases hidrógeno y yodo reaccionan para formar yoduro de hidrógeno de acuerdo con la siguiente reacción:
\
Inicialmente, sólo se produce la reacción hacia delante porque no hay \(\ce{HI}}). Tan pronto como se haya formado algo de \ce{HI}, comienza a descomponerse de nuevo en \ce{H_2} y \ce{I_2}. Gradualmente, la velocidad de la reacción directa disminuye mientras que la velocidad de la reacción inversa aumenta. Finalmente, la velocidad de combinación de \N – (\ce{H_2})} y \(\ce{I_2}} para producir \(\ce{HI}}) se hace igual a la velocidad de descomposición de \(\ce{HI}} en \(\ce{H_2}} y \(\ce{I_2}}}. Cuando las velocidades de las reacciones directa e inversa se han igualado entre sí, la reacción ha alcanzado un estado de equilibrio. El equilibrio químico es el estado de un sistema en el que la velocidad de la reacción directa es igual a la velocidad de la reacción inversa.
En la reacción B, el proceso comienza sólo con \ce{HI} y sin \ce{H_2} ni \ce{I_2}. En este caso, la concentración de \(\ce{HI}\) disminuye gradualmente mientras que las concentraciones de \(\ce{H_2}\) y \(\ce{I_2}\) aumentan gradualmente hasta que se alcanza de nuevo el equilibrio. Obsérvese que en ambos casos, la posición relativa de equilibrio es la misma, como muestran las concentraciones relativas de reactivos y productos. La concentración de \ce{HI} en el equilibrio es significativamente mayor que las concentraciones de \ce{H_2} y \ce{I_2}. Esto es cierto tanto si la reacción comenzó con todos los reactivos como con todos los productos. La posición de equilibrio es una propiedad de la reacción reversible concreta y no depende de cómo se haya alcanzado el equilibrio.
Condiciones para el equilibrio y tipos de equilibrio
Puede ser tentador pensar que una vez alcanzado el equilibrio, la reacción se detiene. El equilibrio químico es un proceso dinámico. Las reacciones directas e inversas continúan ocurriendo incluso después de que se haya alcanzado el equilibrio. Sin embargo, como las velocidades de las reacciones son las mismas, no hay cambios en las concentraciones relativas de los reactivos y los productos para una reacción que está en equilibrio. Las condiciones y propiedades de un sistema en equilibrio se resumen a continuación.
- El sistema debe estar cerrado, lo que significa que ninguna sustancia puede entrar o salir del sistema.
- El equilibrio es un proceso dinámico. Aunque no veamos necesariamente las reacciones, tanto la directa como la inversa están teniendo lugar.
- Las tasas de las reacciones directa e inversa deben ser iguales.
- La cantidad de reactivos y productos no tiene que ser igual. Sin embargo, una vez alcanzado el equilibrio, las cantidades de reactantes y productos serán constantes.
La descripción del equilibrio en este concepto se refiere principalmente al equilibrio entre reactantes y productos en una reacción química. Otros tipos de equilibrio incluyen el equilibrio de fase y el equilibrio de solución. Un equilibrio de fase se produce cuando una sustancia está en equilibrio entre dos estados. Por ejemplo, un matraz de agua tapado alcanza el equilibrio cuando la tasa de evaporación es igual a la tasa de condensación. El equilibrio de una solución se produce cuando una sustancia sólida se encuentra en una solución saturada. En este punto, la velocidad de disolución es igual a la velocidad de recristalización. Aunque todos estos son tipos diferentes de transformaciones, la mayoría de las reglas relativas al equilibrio se aplican a cualquier situación en la que un proceso ocurra de forma reversible.
Los glóbulos rojos transportan oxígeno a los tejidos para que puedan funcionar. En ausencia de oxígeno, las células no pueden llevar a cabo sus responsabilidades bioquímicas. El oxígeno se traslada a las células unido a la hemoglobina, una proteína que se encuentra en los glóbulos rojos. En los casos de intoxicación por monóxido de carbono, el oxígeno se une mucho más fuertemente a la hemoglobina, bloqueando la fijación del oxígeno y reduciendo la cantidad de oxígeno que llega a las células. El tratamiento consiste en que el paciente respire oxígeno puro para desplazar el monóxido de carbono. La reacción de equilibrio que se muestra a continuación ilustra el desplazamiento hacia la derecha cuando se añade un exceso de oxígeno al sistema:
\
Constante de equilibrio
Considere la hipotética reacción reversible en la que los reactantes \(\ce{A}\) y \(\ce{B}\) reaccionan para formar los productos \(\ce{C}\) y \ (\ce{D}\). Este equilibrio puede mostrarse a continuación, donde las letras minúsculas representan los coeficientes de cada sustancia.
\Ncomo hemos establecido, las velocidades de las reacciones directa e inversa son las mismas en el equilibrio, por lo que las concentraciones de todas las sustancias son constantes. Dado que este es el caso, es lógico que la relación de la concentración para cualquier reacción en el equilibrio mantenga un valor constante. La constante de equilibrio \\N(\N izquierda( K_\text{eq} \N derecha)\N es el cociente entre el producto matemático de los productos de una reacción y el producto matemático de las concentraciones de los reactantes de la reacción. Cada concentración se eleva a la potencia de su coeficiente en la ecuación química equilibrada. Para la reacción general anterior, la expresión de la constante de equilibrio se escribe de la siguiente manera:
\c \left^d}{\left^a \left^b}]
Las concentraciones de cada sustancia, indicadas por los corchetes alrededor de la fórmula, se miden en unidades de molaridad (\left( \text{mol/L} \right)\N).
El valor de la constante de equilibrio para cualquier reacción sólo se determina mediante la experimentación. Como se ha detallado en el apartado anterior, la posición de equilibrio para una reacción dada no depende de las concentraciones de partida, por lo que el valor de la constante de equilibrio es realmente constante. Sin embargo, sí depende de la temperatura de la reacción. Esto se debe a que el equilibrio se define como una condición que resulta de la igualdad de las velocidades de las reacciones directa e inversa. Si la temperatura cambia, el cambio correspondiente en esas tasas de reacción alterará la constante de equilibrio. Para cualquier reacción en la que se dé una \(K_texto{eq}), debe especificarse la temperatura.
Cuando \(K_texto{eq}) es mayor que 1, el numerador es mayor que el denominador por lo que los productos se ven favorecidos, lo que significa que la concentración de sus productos es mayor que la de los reactantes.
Si \(K_\text{eq}} es menor que 1, entonces los reactantes se ven favorecidos porque el denominador (reactantes) es mayor que el numerador (productos).
Cuando \(K_\text{eq}} es igual a 1, entonces la concentración de reactantes y productos es aproximadamente igual.
Cociente de reacción
El cociente de reacción, \(Q\), se utiliza cuando se cuestiona si estamos en equilibrio. El cálculo de \(Q\) es exactamente el mismo que el de \(K\) pero sólo podemos utilizar \(K\) cuando sabemos que estamos en equilibrio. La comparación de \(Q\) y \(K\) permite predecir el sentido de la reacción.
- (Q\) = \(K\) equilibrio
- (Q\) < \(K\) reacción procede a la derecha para formar más productos y disminuir la cantidad de reactivos por lo que el valor de \(Q\) aumentará
- (Q\) > \(K\) la reacción procede a la izquierda para formar más reactivos y disminuir la cantidad de productos por lo que el valor de \(Q\) disminuirá
Contribuidores y Atribuciones
-
CK-12 Fundación de Sharon Bewick, Richard Parsons, Therese Forsythe, Shonna Robinson y Jean Dupon.
-
Allison Soult, Ph.D. (Departamento de Química, Universidad de Kentucky)