Aplicaciones de las constantes de equilibrio

Cuando un proceso químico alcanza el equilibrio, la constante de equilibrio (generalmente representada por el símbolo K) proporciona información sobre la relación entre los productos y los reactivos. Por ejemplo, la constante de equilibrio de concentración (denotada por K _c ) de una reacción química en equilibrio se puede definir como la relación entre la concentración del producto y la concentración del reactivo aumentada a sus respectivos coeficientes estequiométricos. Es crucial recordar que existen numerosos tipos de constantes de equilibrio que dan relaciones en términos de diferentes unidades entre los productos y los reactivos de las reacciones en equilibrio.

¿Qué es una constante de equilibrio?

La constante de equilibrio de una reacción química se puede describir como la relación entre la cantidad de reactivo y la cantidad de producto que se utiliza para determinar el comportamiento químico. Las constantes de velocidad son constantes a una temperatura dada. La relación entre la constante de velocidad de reacción hacia adelante y las constantes de velocidad de reacción hacia atrás debe ser constante, y esto se denomina constante de equilibrio ( _Kequ ).

Constante de equilibrio y energía libre de Gibbs

K denota el número proporcional de productos a reactivos en el equilibrio, mientras que Q denota la relación en cualquier momento durante la reacción. La dirección de la reacción se puede determinar comparando el valor de Q con el de K. La espontaneidad del proceso está relacionada con el cambio de energía libre. La siguiente es la relación entre G (Energía libre de Gibbs), K (Constante de equilibrio) y Q (Cociente de reacción).

• △G < 0 y Qc ˂ Kc o Kp al inicio de la reacción: La reacción continuará produciendo productos.
• △G = 0 y Qc = Kc o Kp en el equilibrio y no habrá variaciones adicionales en la concentración de la combinación.
• △G > 0 y Qc > Kc o Kp después del equilibrio: La reacción procederá en la dirección de formación del reactivo.

K _c es la constante de equilibrio medida en moles por litro, mientras que K _p denota la constante de equilibrio determinada a partir de presiones parciales.

Características de la constante de equilibrio

1. Es específico de la reacción y se fija a una temperatura constante.
2. Un catalizador modifica la velocidad de las reacciones de avance y retroceso de tal manera que el valor de la constante de equilibrio no se ve afectado.
3. Los cambios en la concentración, la presión, la temperatura y los gases inertes pueden tener un efecto sobre el equilibrio, favoreciendo la reacción directa o inversa, pero no la constante de equilibrio.
4. G0 = -RT ln K _equ está relacionado con la energía libre estándar.
5. K _equ tiene valores variables a diferentes temperaturas para la misma reacción reversible.
6. La constante de equilibrio del equilibrio inverso es el recíproco del equilibrio original, es decir, K _rev = 1/K _equ .
7. Cuando cambia la estequiometría de la reacción de equilibrio, la potencia de la constante de equilibrio cambia en la misma cantidad.
8. En el escenario de equilibrios múltiples escalonados que conducen a los productos finales, la constante de equilibrio neta = producto de cada constante de equilibrio escalonada. Como resultado, la constante de equilibrio neta K = K ₁ * K ₂ * K ₃ .
9. Las reacciones de equilibrio ocurren al mismo tiempo y producen el mismo producto. La constante de equilibrio de las reacciones permanece constante. Las concentraciones del producto se reducirán debido a la mayor concentración del producto común.

Aplicaciones de la constante de equilibrio

Constante de equilibrio para predecir la extensión de la reacción

La constante de equilibrio (Kc) se puede utilizar para pronosticar la extensión de una reacción, es decir, el grado en que desaparecen los reactivos. El valor de la constante de equilibrio indica las cantidades relativas de los reactivos y productos.

• Cuanto mayor sea el valor de la constante de equilibrio (>103), se prefiere una reacción más directa, lo que indica que la concentración de productos es sustancialmente mayor que la de los reactivos en el equilibrio. Esto demuestra que, en el equilibrio, la concentración de los productos es muy alta, lo que indica que la reacción está casi completa. Como ejemplo:

H ₂ (g) + Br ₂ (g)⇌ 2HBr(g) ⇒ K _c = 5,4×10 ¹⁸

• Los valores intermedios de la constante de equilibrio (10 ^-3 a 10 ³ ) indican que las concentraciones de reactivo y producto son equivalentes. Como ejemplo:

Fe ₃ (aq) + SCN (aq) ⇌ [Fe(SCN)] ₂ (aq) ⇒ K _c = 138 a 298 K

• Un valor bajo de la constante de equilibrio (<10 ^-3 ) indica que se favorece la reacción hacia atrás, lo que implica que la concentración de reactivos es significativamente mayor que la de los productos, lo que implica que la reacción avanza en muy pequeña medida hacia adelante. Como ejemplo:

N ₂ (g) + O ₂ (g) ⇌ 2NO (g) ⇒ K _c =4.8 × 10 ^-31 a 298K

Constante de equilibrio para predecir la dirección de una reacción

La constante de equilibrio se puede utilizar para pronosticar la dirección de la reacción. Requerimos un término llamado cociente de reacción (Q _c en términos de concentraciones o Q _p en términos de presiones parciales), que es idéntico a la constante de equilibrio excepto que las condiciones no están en equilibrio. aA + bB ⇌ cC+ dD para una respuesta equilibrada En comparación con K _c , y en términos de dirección de reacción:

• La reacción está en equilibrio si Q = K _c . [Donde K _c es la constante de equilibrio]
• Si Q > K _c , Q tenderá a disminuir hasta igualar a K. Como resultado, la reacción se invertirá.
• Si Q< K _c , Q tenderá a aumentar hasta igualar a K. Como resultado, la reacción continuará.

Otras aplicaciones

1. La expresión de la constante de equilibrio solo es válida cuando las concentraciones de los reactivos y productos han alcanzado un valor constante en el equilibrio.
2. Su valor es independiente de las concentraciones originales de reactivo y producto.
3. Se ve afectado por la temperatura. Muestra un valor único para una ecuación balanceada a una temperatura específica.
4. Es igual a la inversa de la constante de equilibrio para la reacción directa para la reacción inversa.
5. La constante de equilibrio K de una reacción está conectada a la constante de equilibrio de la reacción correspondiente, cuya ecuación se genera multiplicando o dividiendo la ecuación de la reacción original por un número entero pequeño.
6. Se utiliza para pronosticar el tamaño de una reacción en función de su magnitud.
7. Se utiliza para pronosticar la dirección de la reacción.
8. Se emplea en el cálculo de concentraciones de equilibrio.

Ejemplos de preguntas 

Pregunta 1: Escribe dos factores de los que depende la constante de equilibrio (Kc).

Responder:

La constante de equilibrio se ve afectada por los siguientes factores:

1. La temperatura a la que se produce la reacción.
2. La cantidad de reactivos presentes.
3. La naturaleza de los reactivos se refiere a si los reactivos son ácidos, bases u otras sustancias químicas.

Pregunta 2: Cuando se alcanza el equilibrio, ¿qué sucede con las velocidades de reacción directa e inversa?

Responder:

Cuando se establece el equilibrio, la velocidad de reacción directa es igual a la velocidad de reacción inversa.

Pregunta 3: ¿En qué dirección se desplazará la reacción de equilibrio en presencia de un catalizador?

Responder:

Un catalizador favorece el ritmo de las reacciones hacia delante y hacia atrás por igual. Como resultado, la existencia de un catalizador no tiene influencia en el equilibrio.

Pregunta 4: ¿Cuál es el significado del término «Equilibrio dinámico» para el equilibrio químico?

Responder:

Una etapa de equilibrio se define como el punto en el que la tasa de respuesta directa es igual a la tasa de reacción inversa. En este momento, el número de moléculas de reactivos que se convierten en productos y de moléculas de productos que se convierten en reactivos es el mismo. El equilibrio químico es dinámico porque se puede lograr con los mismos reactivos en condiciones idénticas en cualquier lugar con intercambio de moléculas en curso.