Equilibrio dinámico
Dado que un estado de equilibrio se alcanza cuando la velocidad de reacción hacia adelante es igual a la velocidad de reacción hacia atrás, bajo un conjunto dado de condiciones debe haber una relación entre la composición del sistema en el equilibrio y la cinética de una reacción (representada por las constantes de velocidad). Podemos mostrar esta relación utilizando el sistema descrito en la ecuación 15.1, la descomposición de N2O4 en NO2. Tanto la reacción directa como la inversa de este sistema consisten en una única reacción elemental, por lo que las velocidades de reacción son las siguientes:
La relación de las constantes de velocidad nos da una nueva constante, la constante de equilibrio (K)La relación de las constantes de velocidad para la reacción directa y la reacción inversa; es decir, K=kf/kr. También es la constante de equilibrio calculada a partir de las concentraciones de la solución: K=[C]c[D]d/[A]a[B]b para la reacción general aA+bB⇌cC+dD, en la que cada componente está en solución. que se define como sigue:
Por lo tanto, existe una relación fundamental entre la cinética química y el equilibrio químico: bajo un conjunto dado de condiciones, la composición de la mezcla de equilibrio está determinada por las magnitudes de las constantes de velocidad de las reacciones directa e inversa.
Presión 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 gaseosa homogénea, 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 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:
Fórmula de 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].
Constante de equilibrio kc
La magnitud de la constante de equilibrio depende de las cantidades relativas de productos y reactivos en un sistema en equilibrio. Por ejemplo, si predominan los productos, la constante de equilibrio será mayor que 1. Si predominan los reactantes, la constante de equilibrio será menor que 1.
La magnitud de la constante de equilibrio es su valor absoluto, o en otras palabras, su distancia de 0. Nos da información importante sobre las cantidades relativas de productos y reactivos en un sistema en equilibrio.
Para una reacción reversible, el Keq suele estar entre 10-2 y 102. Esto significa que hay cantidades significativas tanto de productos como de reactivos en el equilibrio. Si el Keq es inferior a 10-2, consideramos que la reacción inversa es irreversible. Si Keq es mayor que 102, consideramos que la reacción hacia adelante es irreversible.
A partir de la constante de equilibrio, puedes inferir las cantidades relativas de productos y reactivos en un sistema en equilibrio. También puede utilizarla para encontrar la posición del equilibrio y hasta dónde llega la reacción hacia adelante.
