En las reacciones que dibujamos con una flecha de una sola punta
Recordemos que si \(Q < K\), entonces la reacción procede espontáneamente hacia la derecha como se ha escrito, dando lugar a la conversión neta de reactivos en productos. Por el contrario, si \(Q > K\), entonces la reacción procede espontáneamente hacia la izquierda como se ha escrito, dando lugar a la conversión neta de productos en reactivos. Si \(Q = K\), entonces el sistema está en equilibrio, y no se produce ninguna reacción neta. La tabla \(\PageIndex{1}) resume estos criterios y sus valores relativos para los procesos espontáneos, no espontáneos y de equilibrio.
Dado que los tres criterios evalúan lo mismo -la espontaneidad del proceso-, sería muy sorprendente que no estuvieran relacionados. En esta sección, exploramos la relación entre la energía libre estándar de reacción (\(ΔG^o\)) y la constante de equilibrio (\(K\)).
Dado que \(ΔH^o\) y \(ΔS^o\) determinan la magnitud y el signo de \(ΔG^o\) y también porque \(K\) es una medida de la relación entre las concentraciones de productos y las concentraciones de reactivos, deberíamos ser capaces de expresar K en términos de \(ΔG^o\) y viceversa. “Energía libre”, \(ΔG\) es igual a la cantidad máxima de trabajo que un sistema puede realizar sobre su entorno mientras sufre un cambio espontáneo. Para un proceso reversible que no implique trabajo externo, podemos expresar el cambio de energía libre en términos de volumen, presión, entropía y temperatura, eliminando así \(ΔH\) de la ecuación para \(ΔG\). La relación general puede mostrarse como sigue (no se muestra la derivación):
En el equilibrio, las concentraciones de reactivos y productos son iguales o constantes
Cuando el cociente de reacción es menor que la constante de equilibrio, una reacción química procederá en la dirección hacia adelante hasta que se alcance el equilibrio y Q = K; sin embargo, si Q < K, el proceso procederá en la dirección inversa hasta que se alcance el equilibrio.
El cambio de energía libre para un proceso puede ser visto como una medida de su fuerza motriz. Un valor negativo de ΔG representa una fuerza motriz finita para el proceso en la dirección de avance, mientras que un valor positivo representa una fuerza motriz para el proceso en la dirección inversa. Cuando ΔG es cero, las fuerzas impulsoras hacia adelante y hacia atrás son iguales, por lo que el proceso ocurre en ambas direcciones a la misma velocidad (el sistema está en equilibrio).
El cociente de reacción, Q, es una medida del estado de un sistema en equilibrio. Cuando Q es menor que la constante de equilibrio, K, la reacción procederá en la dirección de avance hasta que se alcance el equilibrio y Q = K. Por el contrario, si Q < K, el proceso procederá en la dirección inversa hasta que se alcance el equilibrio.
En equilibrio, la velocidad de la reacción de avance es
Esta página ofrece lo suficiente para cubrir los requisitos de una de las juntas de examen de nivel A del Reino Unido para mostrar que las reacciones con grandes valores negativos de ΔG° tienen grandes valores para sus constantes de equilibrio, mientras que las que tienen grandes valores positivos de ΔG° tienen valores muy pequeños de sus constantes de equilibrio.
Si buscas o calculas el valor de la energía libre estándar de una reacción, acabarás con unidades de kJ mol-1, pero si te fijas en las unidades del lado derecho de la ecuación, incluyen J – NO kJ.
ln K (es una letra L, no una letra I) es el logaritmo natural de la constante de equilibrio K. Para los fines de la química de nivel A (o sus equivalentes), no importa en absoluto si no sabes lo que significa, pero debes ser capaz de convertirlo en un valor de K.
La forma de hacerlo dependerá de tu calculadora. Una vez que hayas calculado un valor para ln K, sólo tienes que pulsar el botón ex. En mi calculadora, es el mismo botón que la función ln, pero tienes que pulsar la tecla de mayúsculas y luego el botón ln. Si la tuya es diferente y no es obvio, ¡lee el libro de instrucciones!
La constante de equilibrio puede ser cero
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. Así, dada la composición inicial de un sistema, se pueden utilizar valores conocidos de la constante de equilibrio 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
