Calculadora de equilibrio
En un sistema que ha alcanzado el equilibrio químico, las concentraciones de las distintas sustancias están cuantitativamente relacionadas. En el ejemplo de las transformaciones entre los dos óxidos de nitrógeno, las concentraciones en el equilibrio obedecen a esta expresión de equilibrio:
Para cualquier reacción de equilibrio, la relación entre las concentraciones de las sustancias de la derecha y las concentraciones de las de la izquierda es igual a una constante apropiada para esa reacción específica. Obsérvese que la relación se escribe siempre con los productos sobre los reactivos. Cada concentración debe elevarse a la potencia de su coeficiente estequiométrico en la reacción. Como el NO 2 tiene un coeficiente de 2 en la reacción, su concentración debe elevarse al cuadrado en la expresión anterior.
Por supuesto, la constante de equilibrio K de esta última ecuación no tiene el mismo valor que la K de la ecuación de equilibrio del amoníaco. El valor numérico de K depende de la reacción concreta, la temperatura y las unidades utilizadas para describir la concentración. En el caso de las soluciones líquidas, las concentraciones suelen expresarse en forma de molaridad. Para una mezcla de gases, la concentración de cada especie molecular se suele dar como molaridad o como presión en atmósferas.
Cómo encontrar la concentración del producto a partir de los reactivos
Tras haber tratado los conceptos esenciales del equilibrio químico en las secciones anteriores de este capítulo, esta última sección demostrará el aspecto más práctico de la utilización de estos conceptos y de las estrategias matemáticas adecuadas para realizar diversos cálculos de equilibrio. Estos tipos de cálculos son esenciales para muchas áreas de la ciencia y la tecnología, por ejemplo, en la formulación y dosificación de productos farmacéuticos. Una vez que se ingiere o se inyecta un fármaco, suele participar en varios equilibrios químicos que afectan a su concentración final en el sistema corporal de interés. El conocimiento de los aspectos cuantitativos de estos equilibrios es necesario para calcular la cantidad de dosis que solicitará el efecto terapéutico deseado.
Muchos de los cálculos de equilibrio útiles que se demostrarán aquí requieren términos que representen cambios en las concentraciones de reactivos y productos. Estos términos se derivan de la estequiometría de la reacción, como lo ilustra la descomposición del amoníaco:
Como se mostró anteriormente en este capítulo, este equilibrio puede establecerse dentro de un recipiente sellado que inicialmente contiene sólo NH3, o una mezcla de dos de las tres especies químicas involucradas en el equilibrio. Independientemente de su composición inicial, una mezcla de reacción mostrará las mismas relaciones entre los cambios en las concentraciones de las tres especies involucradas, como lo dicta la estequiometría de la reacción (ver también el contenido relacionado sobre la expresión de las tasas de reacción en el capítulo sobre cinética). Por ejemplo, si la concentración de nitrógeno aumenta en una cantidad x
Unidad de concentración de equilibrio
Para calcular las concentraciones de equilibrio, es necesario conocer la concentración inicial de cada especie. También es necesario conocer el cambio de concentración de una de las especies. A partir de ahí, puedes utilizar la ecuación química equilibrada para calcular el cambio de concentración de todas las especies y, por tanto, encontrar sus concentraciones de equilibrio. Sin embargo, también puedes calcular las concentraciones de equilibrio utilizando las concentraciones iniciales y la constante de equilibrio Kc. Este proceso implica representar el cambio de concentración como x, y encontrar y resolver una ecuación cuadrática. Consulta este artículo para ver algunos ejemplos prácticos.
Para hallar las concentraciones iniciales, necesitas conocer la concentración de equilibrio de cada especie y su cambio de concentración. A continuación, se resta el cambio de concentración de la concentración de equilibrio para encontrar la concentración inicial.
Para encontrar las concentraciones de equilibrio de los reactivos y los productos se necesita la concentración inicial de cada especie. También es necesario conocer el cambio de concentración de una de las especies. A partir de ahí, puedes utilizar la ecuación química equilibrada para calcular el cambio en la concentración de todas las especies, y así encontrar sus concentraciones de equilibrio. Sin embargo, también puedes calcular las concentraciones de equilibrio utilizando las concentraciones iniciales y la constante de equilibrio Kc. Este proceso implica representar el cambio de concentración como x, y encontrar y resolver una ecuación cuadrática. Aunque esto puede parecer un poco complicado, en este artículo tenemos un par de buenos ejemplos trabajados para ayudarte.
Cómo calcular la concentración de equilibrio con la temperatura
Inicialmente, la concentración para cada especie es la siguiente: [N2]0 = [O2]0 = 0,1 M, y [NO]0 = 0 M. Se sabe que el valor de Kc para esta reacción es 0,1 (supondremos que se nos da esta cantidad determinada experimentalmente). Podemos escribir la siguiente expresión de Kc basándonos en esta información de partida:
Como sabemos cuál es nuestro valor de Kc y las concentraciones iniciales de los reactivos, podemos establecer un gráfico ICE para seguir los cambios de concentración, a medida que la reacción avanza hacia el equilibrio. ICE significa “inicial, cambio, equilibrio”.
Observe que los valores de x en la tercera fila de nuestro gráfico indican el cambio en la concentración de cada especie en el transcurso de la reacción. Los coeficientes presentes en la ecuación equilibrada nos indican cuántos moles de átomos o moléculas participan en la reacción. Utilizando estos coeficientes, la ecuación equilibrada nos dice que por cada mol de N2 y cada mol de O2 consumidos, se producen 2 moles de NO. Podemos designar x como el cambio en la concentración de N2 y O2. Como los reactivos se encuentran en el lado izquierdo de nuestra ecuación equilibrada, el signo es negativo ya que se están consumiendo. Del mismo modo, designamos +2x como el cambio de concentración del NO, pero es positivo porque se está produciendo. Después de rellenar nuestra tabla, podemos determinar las concentraciones de equilibrio sumando las columnas de la tabla ICE. Por lo tanto, las concentraciones de equilibrio para cada especie son: [N2] = 0,1 – x; [O2] = 0,1 – x; [NO] = 2x.
