Constante de equilibrio (K) y cociente de reacción (Q)

Un estado de equilibrio

Una balanza con pesos iguales en cada lado, un punto muerto durante un tira y afloja y una cantidad igual de oferta y demanda son todos ejemplos de un tipo de equilibrio, una especie de estado de equilibrio que se logra debido a fuerzas opuestas. La química también está sujeta a una noción de equilibrio, y la vamos a repasar ahora mismo.

Equilibrio químico

Imagine una simple reacción química con las especies A y B , denotada de la siguiente manera:

A <-> B

La flecha doble que está en el medio de A y B significa que la reacción va en ambos sentidos. Es decir, los reactivos se están convirtiendo en especies de productos, mientras que los productos vuelven a convertirse en especies de reactivos.

Suponga que las moléculas A comienzan a convertirse en moléculas B cuando la temperatura sube por encima de la temperatura ambiente. Por lo tanto, imagine colocar un tubo de ensayo con solo moléculas A en un horno que mantiene una temperatura constante por encima de la temperatura ambiente.

Dado lo que acabo de mencionar, es de esperar que algunas moléculas A comiencen a convertirse en moléculas B. A medida que pasa el tiempo, más y más moléculas A se convertirán en moléculas B. Sin embargo, suponga que también existe una tendencia retrógrada de que las moléculas B se conviertan en moléculas A para un amplio rango de temperaturas, incluida la del horno.

El resultado será un movimiento de ida y vuelta entre las concentraciones de productos y reactivos, con la posibilidad de que finalmente se establezca un equilibrio químico . Un equilibrio químico es un estado en el que la velocidad de la reacción directa es la misma que la velocidad de la reacción inversa.

En nuestro ejemplo, esto significa que después de un cierto período de tiempo, las concentraciones de las especies A y B serán alcanzar un estado estable en el que al igual que muchos A moléculas serán convirtiendo en B moléculas como B moléculas convirtiéndose en A moléculas. En otras palabras, la reacción alcanzará el equilibrio, que podría mantenerse indefinidamente si todos los factores, como la temperatura, permanecen igual.

La constante de equilibrio

Sabiendo esto, ahora puede comprender la siguiente parte del equilibrio, en lo que respecta a la química. Existe un valor numérico, llamado constante de equilibrio , que es un valor que relaciona la relación de las concentraciones de productos con los reactivos una vez que la reacción ha alcanzado el equilibrio químico.

Volviendo a nuestro ejemplo de la última sección, podríamos calcular esta constante conociendo las concentraciones de las especies A y B en equilibrio químico.

Pero consideremos una reacción más general para impulsar el punto de una constante de equilibrio a casa. Dice lo siguiente:

aA + bB <-> cC + dD

Aquí, un , b , c , y d son números enteros, y A , B , C , y D designan las especies químicas en cuestión. Los corchetes designan tomando la concentración de especies químicas; es decir, [ A ] es la concentración de A .

Podemos calcular la constante de equilibrio, denotada como Keq , de la siguiente manera:

Es importante tener en cuenta que solo las especies en estado gaseoso y acuoso se incluyen en el cálculo de la constante de equilibrio (se omiten los sólidos y líquidos puros).

El cociente de reacción

En este punto, es posible que se esté preguntando qué sucede cuando la reacción no está en equilibrio. Es decir, ¿hay un número similar que podamos calcular para determinar el estado de la reacción en tal escenario? ¡Sí, la hay!

Cuando la reacción no está en equilibrio, podemos determinar su estado calculando el cociente de reacción ( Q ) , que relaciona las concentraciones de productos con los reactivos en cualquier momento. El cociente de reacción es útil para determinar la dirección en la que se mueve la reacción, hacia o alejándose del equilibrio químico.

Se calcula de la misma forma que la constante de equilibrio:

Cuando el cociente de reacción ( Q ) es mayor que la constante de equilibrio ( Keq ), los reactivos se ven favorecidos y la reacción se mueve en la dirección inversa. Cuando Q es igual a K , la reacción está en equilibrio y no hay tendencia a moverse hacia los reactivos o productos. Pero cuando Q es menor que Keq , los productos se ven favorecidos y la reacción avanza.

Tiempo de ejemplo

Bien, ahora que tienes la teoría, pongamos la teoría en práctica con un par de ejemplos. Consideremos la siguiente reacción con concentraciones de equilibrio de productos y reactivos:

2SO 2 (g) + O 2 (g) <-> 2SO 3 (g)

[SO 2 ] = 3,77 * 10-3 mol / L

[O 2 ] = 4,30 * 10-3 mol / L

[SO 3 ] = 4,13 * 10-3 mol / L

Calculando la constante de equilibrio:

Ahora, supongamos que a una temperatura diferente determina que las concentraciones son:

[SO 2 ] = 2,68 * 10-3 mol / L

[O 2 ] = 3,20 * 10-3 mol / L

[SO 3 ] = 3,24 * 10-3 mol / L

Tenga en cuenta que estas concentraciones no son concentraciones de equilibrio. En ese caso, calculemos el cociente de reacción:

En este caso específico, dado que Q es mayor que Keq , se favorecería la reacción inversa.

Resumen de la lección

Bien, hemos aprendido mucho aquí, así que recapitulemos las partes fundamentales de nuestra lección. Un equilibrio químico es un estado en el que la velocidad de la reacción directa es la misma que la velocidad de la reacción inversa.

La constante de equilibrio es un valor que relaciona la relación de las concentraciones de productos con los reactivos una vez que la reacción ha alcanzado el equilibrio químico, y el cociente de la reacción es útil para determinar la dirección en la que se mueve la reacción, hacia o desde el equilibrio químico.

Hay tres casos posibles para Q y Keq :

• Cuando Q > Keq , la reacción se mueve en la dirección inversa.
• Cuando Q = K , la reacción está en equilibrio.
• Cuando Q < Keq , la reacción se mueve hacia adelante.

Los resultados del aprendizaje

Cuando haya terminado, debería poder:

• Describir un equilibrio químico y cómo se logra.
• Recuerde cómo calcular la constante de equilibrio
• Recite cuándo y cómo calcular el cociente de reacción