La relación entre la cinética química y el equilibrio químico

Publicado el 1 noviembre, 2020

Tasas de reacciones y constantes de velocidad para una reacción química reversible

A menudo experimentamos situaciones como días de semana ocupados en los que nos ocupamos apresuradamente de nuestros asuntos y luego nos establecemos para un fin de semana, con suerte, más tranquilo y estable, lleno de diversión. Las reacciones químicas también pueden ser así. Para comenzar, recordemos los principios de la velocidad de reacción y la constante de velocidad (una constante de proporcionalidad entre la velocidad de reacción y las concentraciones de reactivo) para una reacción de descomposición reversible del yoduro de hidrógeno que se indican a continuación:

descomposición de yoduro de hidrógeno

La expresión de la ley de velocidad para las reacciones directa e inversa, respectivamente, para esta reacción de descomposición es:

Expresiones de calificación para HI

Aunque los exponentes en las expresiones de la ley de velocidad directa e inversa para estas reacciones son los mismos que los coeficientes estequiométricos, recuerde que este no es siempre el caso para todas las reacciones. Así que ahora tenemos relaciones basadas en las concentraciones de reactivo y producto tanto para las reacciones directa como inversa. Pero, ¿y si las reacciones directa e inversa estuvieran ocurriendo al mismo ritmo?

Alcanzando el equilibrio

Después de comenzar con solo yoduro de hidrógeno presente o solo los productos de los gases de hidrógeno y yodo presentes, la reacción anterior alcanzará un punto en el que las velocidades de reacción directa e inversa ocurrirán a la misma velocidad. Puede recordar que esta es nuestra definición de equilibrio (o EQ): las velocidades de reacción directa e inversa son iguales y las concentraciones de especies que reaccionan son constantes. Dicho equilibrio tiene una constante de equilibrio asociada (K c donde c se refiere a una constante de EQ basada en concentraciones) que está relacionada con las concentraciones de equilibrio de los productos y reactivos. Matemáticamente en equilibrio, se ve así:

igualdad de tasas para HI

Reordenando la ecuación, obtenemos:

Relación de tasa y EQ

Lo que esto nos dice es que en el equilibrio, la constante de equilibrio es igual a la razón de la constante de tasa directa dividida por la constante de tasa inversa. Así es como las velocidades de las reacciones en equilibrio para una reacción reversible se relacionan con su constante de equilibrio a cualquier temperatura dada. Note que decimos, ‘… a cualquier temperatura dada’ ya que tanto las constantes de velocidad como la constante de equilibrio son valores relativos a una temperatura específica. Si cambia la temperatura, las velocidades y el equilibrio cambiarán, al igual que los valores de las constantes de velocidad y la constante de equilibrio asociadas con ellas.

Reacciones complejas y equilibrios

La vida no siempre es tan simple como la reacción de descomposición del yoduro de hidrógeno que usamos como ilustración al principio de la lección. A menudo, las reacciones son de varios pasos donde un paso depende de otro. Si estas reacciones también son reversibles, también puede existir un estado de equilibrio para el proceso general. Veamos un ejemplo teórico para que sea fácil de seguir. Aquí hay una reacción de dos pasos y su ecuación de reacción general.

Reacción de varios pasos y ecualizadores

Esto representa una reacción general con equilibrios múltiples para la cual podemos escribir expresiones de constantes de equilibrio basadas en constantes de velocidad y concentraciones para cada equilibrio de la siguiente manera:

Expresiones de ecualización de varios pasos

Para determinar la constante de equilibrio de la reacción general, multiplicamos las dos constantes de equilibrio de un solo paso y las simplificamos.

Producto de K_EQ independientes

Esto también se puede ver como:

K_EQ a conc.  a multi Ks y ks

Como K ‘y K’ ‘son constantes, multiplicarlas también da como resultado una constante, en este caso, K c . Como puede verse, incluso una reacción de varios pasos puede tratarse como la reacción general y la constante de equilibrio general calculada como el producto de las constantes de equilibrio de los pasos individuales o la relación del producto de las constantes de velocidad de avance de los pasos individuales sobre el producto de las constantes de velocidad inversa de los pasos individuales.

Resumen de la lección

De estudios anteriores, recuerde que la constante de velocidad es una constante de proporcionalidad entre la velocidad de reacción y las concentraciones de reactivo para una ley de velocidad dada, y existe una para las reacciones directa e inversa en una situación de reacción reversible. Cuando las velocidades de las reacciones directa e inversa son iguales, hemos alcanzado un estado de equilibrio . Este equilibrio tiene asociada una constante de equilibrio que es una relación de valor constante entre las concentraciones de especies que reaccionan. La constante de equilibrio para cualquier reacción reversible dada está relacionada con las constantes de velocidad para las reacciones directa e inversa mediante la siguiente ecuación:

K_EQ general para rateCs

Estos son valores constantes pero son relativos a una temperatura dada. Si la temperatura cambia, también lo harán los valores de las constantes asociadas con las reacciones y el equilibrio.

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