Reacciones de equilibrio homogéneas y heterogéneas: ejemplos

Reacción de equilibrio

Una reacción de equilibrio describe una reacción química en la que los reactivos y los productos están en equilibrio. Este estado de equilibrio se logra cuando la velocidad de los productos que se transforman en reactivos es igual a la velocidad de los reactivos que se transforman en productos. Existen cuatro condiciones de equilibrio químico:

1. El sistema debe estar cerrado.
2. Las reacciones deben ser dinámicas.
3. Las reacciones directas e inversas son iguales.
4. Por último, debe haber una cantidad estable de reactivos y productos.

En la práctica, estos requisitos significan que la reacción no puede perder ni ganar material (gases, líquidos, etc.) del mundo exterior. Debe haber una reacción en la que existan reacciones directas e inversas que puedan equilibrarse entre sí. La reacción debe tener tanto reactivos como productos.

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

La constante de equilibrio, representada por K, es la proporción de reactivos a productos cuando la reacción está en equilibrio. Esto se logra colocando los reactivos en la parte inferior de la proporción y los productos en la parte superior. La aplicación más útil de esta proporción es determinar si una reacción tiene más productos que reactivos o está en equilibrio. El cociente de reacción es la proporción de reactivos a productos de una reacción en un instante específico. En otras palabras, el cociente de reacción nos permite comparar nuestra reacción en un momento dado con el estado de equilibrio de la reacción, la constante de equilibrio. Como tal, la comparación numérica de K con Q brinda información significativa. Si K = Q, entonces la reacción está en equilibrio. Si K>Q, la reacción formará productos para alcanzar el equilibrio; por el contrario, si K<Q, la reacción formará reactivos para lograr el equilibrio. Las reacciones de equilibrio siempre intentan alcanzar el equilibrio y lograr Q = K.

Calculando K y Q

Lo bueno de que K y Q relacionen la misma proporción es que tienen la misma ecuación. Dada la ecuación química genérica de {eq}aA (aq) + bB (aq) \iff cC (aq) + dD (aq) {/eq} la constante de equilibrio y el cociente de reacción se pueden calcular como: $$K = \frac {[C]^c [D]^d }{ [A]^a [B]^b } \qquad Q = \frac{[C]^c [D]^d }{ [A]^a [B]^b } $$

Tenga en cuenta que los productos van en el numerador y los reactivos en el denominador. Las letras minúsculas son los exponentes de la concentración del producto o reactivo, y representan los coeficientes estequiométricos del reactivo/producto. Para calcular numéricamente K o Q, la concentración (o presión parcial si se utilizan gases) se introduce en las letras mayúsculas dentro de los corchetes.

Ejemplos de reacciones de equilibrio homogéneo

Ejemplo 1: {eq}C_2H_2(ac) + 2Br_2 (ac) \iff C_2H_2Br_4 (ac) {/eq}

Al recorrer la reacción paso a paso, la flecha doble indica una reacción dinámica, ya que son posibles reacciones tanto directas como inversas. Todos los reactivos y productos están en estado acuoso, lo que la convierte en una reacción homogénea. Se cumplen todos los demás criterios de equilibrio, ya que se supone que el sistema del entorno acuoso es cerrado. Por lo tanto, la constante de equilibrio se puede escribir como $$K = \frac{ [C_2H_2Br_4] } {[Br_2]^2 [C_2H_2] } $$

Ejemplo 2: {eq}2SO_2 (g) + O_2 (g) \iff 2SO_3 (g) {/eq}

Esta es una reacción de equilibrio homogéneo porque contiene una reacción dinámica (los reactivos pueden convertirse en productos y los productos pueden convertirse en reactivos). Se puede suponer que la reacción es un sistema cerrado y que todos los reactivos y productos están en el mismo estado. La constante de equilibrio para esta reacción es entonces, $$K = \frac{ [SO_3]^2 } {[SO_2]^2 [O_2] } $$

Ejemplos de reacciones de equilibrio heterogéneo

Ejemplo 1: {eq}C_6H_{12}O_6(s) + 6O_2 (g) \iff 6CO_2 (g) + 6H_2 O(g) {/eq}

Al leer la ecuación, lo primero que salta a la vista es la presencia de un sólido. Desde un punto de vista algorítmico, la presencia de un sólido aumenta la probabilidad de que la reacción se clasifique como heterogénea. En este ejemplo en particular, dado que hay un reactivo sólido y reactivos y productos gaseosos, se trata de una reacción heterogénea. Recuerde que una reacción heterogénea contiene más de un estado de la materia. La reacción también se clasifica como una reacción de equilibrio porque es (presumiblemente) una reacción cerrada en la que los reactivos y los productos pueden intercambiarse libremente. La constante de equilibrio para las reacciones de equilibrio heterogéneas es la misma que la de una reacción de equilibrio homogénea, pero sin reactivos/productos sólidos o líquidos. Por lo tanto, la constante de equilibrio para esta reacción se puede escribir como $$K = \frac{ [CO_2]^6 [H_2O]^6 } {[O_2]^6 } $$

Ejemplo 2: {eq}PCl_3 (l) + Cl_2 (g) \iff PCl_5 (s) {/eq}

Esta es una reacción de equilibrio porque contiene una reacción dinámica (los reactivos pueden convertirse en productos y los productos pueden convertirse en reactivos) y se puede suponer que la reacción es un sistema cerrado. Hay más de un estado de la materia presente (de hecho, hay tres estados presentes), lo que hace que la reacción de equilibrio sea una reacción de equilibrio heterogénea. Para la constante de equilibrio de esta reacción, omitimos cualquier reactivo o producto que no sea líquido o sólido. La constante de equilibrio es entonces, $$K = \frac{ 1} { [Cl_2] } $$

Resumen de la lección

Las reacciones de equilibrio son reacciones químicas en las que los reactivos y los productos pueden intercambiarse, y la reacción directa equivale a la reacción inversa, de modo que las concentraciones de todos los reactivos/productos son estables. Las reacciones de equilibrio homogéneas son reacciones de equilibrio que tienen solo un estado de la materia presente, ya sea acuoso (aq), gas (g), sólido (s) o líquido (l). Las reacciones de equilibrio heterogéneas son entonces reacciones de equilibrio con más de un estado de la materia. La constante de equilibrio es la relación entre la concentración de productos y reactivos, y el cociente de reacción es la misma relación cuando la reacción no está en equilibrio. Esta ecuación se puede calcular mediante $$K = \frac {[C]^c [D]^d }{ [A]^a [B]^b } \qquad Q = \frac{[C]^c [D]^d }{ [A]^a [B]^b } $$