Constante k
La constante de equilibrio de una reacción química es el valor de su cociente de reacción en el equilibrio químico, un estado al que se aproxima un sistema químico dinámico después de que haya transcurrido un tiempo suficiente en el que su composición no tiene ninguna tendencia mensurable a seguir cambiando. Para un conjunto dado de condiciones de reacción, la constante de equilibrio es independiente de las concentraciones analíticas iniciales de las especies reaccionante y producto en la mezcla. Por lo tanto, dada la composición inicial de un sistema, los valores conocidos de la constante de equilibrio pueden utilizarse para determinar la composición del sistema en equilibrio. Sin embargo, los parámetros de reacción como la temperatura, el disolvente y la fuerza iónica pueden influir en el valor de la constante de equilibrio.
El conocimiento de las constantes de equilibrio es esencial para la comprensión de muchos sistemas químicos, así como de procesos bioquímicos como el transporte de oxígeno por la hemoglobina en la sangre y la homeostasis ácido-base en el cuerpo humano.
El equilibrio químico se define como el valor del cociente de reacción Qt cuando las reacciones directas e inversas se producen a la misma velocidad. En el equilibrio químico, la composición química de la mezcla no cambia con el tiempo y el cambio de energía libre de Gibbs
Cálculo de la constante de equilibrio
La constante de equilibrio, K, expresa la relación entre los productos y los reactivos de una reacción en equilibrio con respecto a una unidad específica. Este artículo explica cómo escribir las expresiones de las constantes de equilibrio e introduce los cálculos relacionados con la constante de equilibrio de concentración y de presión parcial.
Una reacción homogénea es aquella en la que los estados de la materia de los productos y las reacciones son todos iguales (la palabra “homo” significa “igual”). En la mayoría de los casos, el disolvente determina el estado de la materia de la reacción global. Por ejemplo, la síntesis de metanol a partir de una mezcla de monóxido de carbono e hidrógeno es una mezcla homogénea gaseosa, que contiene dos o más sustancias:
En el equilibrio, la velocidad de la reacción directa e inversa son iguales, lo que se demuestra con las flechas. Sin embargo, la constante de equilibrio da la relación entre las unidades (presión o concentración) de los productos y los reactivos cuando la reacción está en equilibrio.
Una reacción heterogénea es aquella en la que uno o más estados dentro de la reacción difieren (la palabra griega “heteros” significa “diferente”). Por ejemplo, la formación de una solución acuosa de yoduro de plomo (II) crea una mezcla heterogénea que tiene partículas tanto en estado sólido como acuoso:
Calcular la constante de equilibrio
Dado que el equilibrio puede abordarse desde cualquier dirección en una reacción química, la expresión de la constante de equilibrio y, por tanto, la magnitud de la constante de equilibrio dependen de la forma en que se escriba la reacción química. Por ejemplo, si escribimos la reacción mostrada anteriormente en sentido inverso, obtenemos lo siguiente:
Esta expresión es la inversa de la expresión de la constante de equilibrio original, por lo que [latex] K′ = 1/K [/latex]. Es decir, cuando escribimos una reacción en sentido inverso, la expresión de la constante de equilibrio se invierte. Por ejemplo, la constante de equilibrio para la reacción [latex] N_2O_4 \rightleftharpoons 2NO_2 [/latex] es la siguiente:
Consideremos otro ejemplo, la formación de agua: [latex] 2H_{2(g)}+O_{2(g)} \rightleftharpoons 2H_2O_{(g)} [/latex]. Debido a que [latex] H_2 [/latex] es un buen reductor y [latex] O_2 [/latex] es un buen oxidante, esta reacción tiene una constante de equilibrio muy grande ([latex] K = 2,4 veces 10^{47} [/latex] a 500 K). En consecuencia, la constante de equilibrio para la reacción inversa, la descomposición del agua para formar [latex] O_2 [/latex] y [latex] H_2 [/latex], es muy pequeña: [latex] K′ = 1/K = 1/(2,4 \times 10^{47}) = 4,2 \times 10^{-48} [/latex]. [/latex]. Como sugiere la pequeñísima constante de equilibrio, y afortunadamente para la vida tal y como la conocemos, se necesita una cantidad sustancial de energía para disociar el agua en [latex] H_2 [/latex] y [latex] O_2 [/latex].
Expresión de equilibrio
Esta reacción, estudiada en 1862 por otros, se llevó a cabo muchas veces con diferentes concentraciones de partida. Se dejó que la reacción llegara al equilibrio y se determinaron las concentraciones de los reactivos y los productos.
A partir de los datos publicados (así como de sus propios experimentos), pudieron determinar un principio general que se aplica a todos los equilibrios químicos. Lo llamaron la “Ley de Acción de Masas” y, en términos modernos, aquí está:
Cuando un sistema está en equilibrio, se establece un valor constante por el producto multiplicativo de las concentraciones de los productos (cada uno elevado primero a la potencia de su coeficiente), luego dividido por el producto multiplicativo de las concentraciones de los reactantes (cada uno elevado primero a la potencia de su coeficiente).
Por cierto, puedes notar que los términos productos y reactivos están algo borrosos en una situación de equilibrio. La convención acordada es utilizar la reacción TAL COMO ESTÁ ESCRITA y llamar al lado izquierdo “reactantes” y al derecho “productos”.
