Equilibrio dinámico, K y Q
Un refresco en lata bien cerrado, en el refrigerador: la presión no cambia y las burbujas no avanzan. Parece que no pasa nada. Sin embargo, a escala molecular hay moléculas de $\mathrm{CO_2}$ que escapan del líquido y otras que vuelven a disolverse, todo el tiempo. ¿Qué es lo que permanece constante, entonces: la actividad o el balance entre dos procesos opuestos?
Equilibrio dinámico
Antes de hablar de equilibrio, distingue dos tipos de reacciones. Una reacción irreversible, como la combustión de un papel, ocurre solo en un sentido hasta que se agota un reactivo. Una reversible puede ocurrir en ambos sentidos, y se escribe con $\rightleftharpoons$.
Si calientas vapor de yodo con dihidrógeno en un matraz cerrado a $450\,^\circ\text{C}$, el color violeta se va atenuando y después se estabiliza, sin desaparecer, aunque todavía haya yodo. ¿Por qué la transformación se frena antes de consumir los reactivos?
Fíjate en que la curva de $v_d$ baja porque los reactivos se van consumiendo, y la de $v_i$ sube porque van apareciendo productos. Se cruzan en un valor intermedio, y desde ahí quedan iguales. Esa es la respuesta al gancho del yodo: la reacción no se detuvo, la inversa la compensa.
La constante de equilibrio: Kc
Para la síntesis del amoniaco según la ecuación $\mathrm{N_2(g) + 3\,H_2(g) \rightleftharpoons 2\,NH_3(g)}$, el valor de la constante de equilibrio $K_{c,1}$ a…
Para la síntesis del amoniaco según la ecuación $\mathrm{N_2(g) + 3\,H_2(g) \rightleftharpoons 2\,NH_3(g)}$, el valor de la constante de equilibrio $K_{c,1}$ a $673\text{ K}$ es igual a $0{,}50$.
- a) Determina el valor de la constante de equilibrio $K_{c,2}$ a esa misma temperatura para la reacción inversa: $2\,\mathrm{NH_3(g) \rightleftharpoons N_2(g) + 3\,H_2(g)}$.
- b) Calcula el valor de la constante $K_{c,3}$ a $673\text{ K}$ correspondiente a la descomposición de un mol de amoniaco: $\mathrm{NH_3(g) \rightleftharpoons \frac{1}{2}\,N_2(g) + \frac{3}{2}\,H_2(g)}$. Para los cálculos, utiliza el modelo ideal y los valores didácticos proporcionados.
El cociente de reacción Q: ¿hacia dónde evoluciona el sistema?
Si pones cantidades cualesquiera de reactivos y productos en un matraz cerrado, el sistema empieza a reaccionar hasta llegar al equilibrio. ¿Cómo saber de antemano si se van a consumir reactivos o a descomponer productos?
En un matraz cerrado de $2{,}00\text{ L}$ de capacidad, a una temperatura fija de $700\text{ K}$, se introduce una mezcla gaseosa compuesta por $0{,}40\text{ mol}$ de…
En un matraz cerrado de $2{,}00\text{ L}$ de capacidad, a una temperatura fija de $700\text{ K}$, se introduce una mezcla gaseosa compuesta por $0{,}40\text{ mol}$ de $\mathrm{H_2(g)}$, $0{,}20\text{ mol}$ de $\mathrm{I_2(g)}$ y $0{,}80\text{ mol}$ de $\mathrm{HI(g)}$. La constante de equilibrio a dicha temperatura para el proceso $\mathrm{H_2(g) + I_2(g) \rightleftharpoons 2\,HI(g)}$ es $K_c = 54{,}0$.
- a) Calcula el cociente de reacción inicial $Q_c$.
- b) Deduce justificadamente si el sistema se encuentra en equilibrio y, en caso negativo, en qué sentido evolucionará de forma espontánea para alcanzarlo. Para los cálculos, utiliza el modelo ideal y los valores didácticos proporcionados.
Se estudia cinéticamente en fase gaseosa la reacción elemental reversible $\mathrm{A(g) \rightleftharpoons B(g)}$ en un recipiente isotermo cerrado de volumen constante…
Se estudia cinéticamente en fase gaseosa la reacción elemental reversible $\mathrm{A(g) \rightleftharpoons B(g)}$ en un recipiente isotermo cerrado de volumen constante a $300\text{ K}$, partiendo únicamente del reactivo $\mathrm{A}$ a una concentración inicial de $1{,}00\text{ mol}\cdot\text{L}^{-1}$. En el gráfico adjunto se monitoriza la evolución temporal de la velocidad de la reacción directa ($v_d$) y de la reacción inversa ($v_i$).
Observa la siguiente figura representativa:
- a) Explica a partir del gráfico por qué el estado final alcanzado tras un tiempo suficientemente largo, dentro de la precisión experimental corresponde a un equilibrio dinámico y no a un cese estático de la reactividad.
- b) Si la constante de velocidad directa es $k_d = 0{,}030\text{ s}^{-1}$ y en el equilibrio la velocidad común representada es $v_{\mathrm{eq}} = 0{,}012\text{ mol}\cdot\text{L}^{-1}\cdot\text{s}^{-1}$, calcula la concentración de equilibrio de $\mathrm{A}$, la concentración de equilibrio de $\mathrm{B}$ y el valor de la constante de equilibrio $K_c$. Para los cálculos, utiliza el modelo ideal y los valores didácticos proporcionados.
Tablas de equilibrio: inicial, cambio, equilibrio
Si mezclas $1\,\text{mol}$ de cada reactivo en un recipiente cerrado, la estequiometría de reactivo limitante no alcanza para saber qué queda al final: la reacción es reversible y no se consume todo. ¿Cómo organizar los datos para hallar la composición de equilibrio?
En un matraz de $5{,}00\text{ L}$ previamente evacuado se mezclan $1{,}50\text{ mol}$ de monóxido de carbono, $\mathrm{CO(g)}$, y $1{,}50\text{ mol}$ de vapor de agua,…
En un matraz de $5{,}00\text{ L}$ previamente evacuado se mezclan $1{,}50\text{ mol}$ de monóxido de carbono, $\mathrm{CO(g)}$, y $1{,}50\text{ mol}$ de vapor de agua, $\mathrm{H_2O(g)}$, a una temperatura constante de $900\text{ K}$, transcurriendo la reacción:
$\mathrm{CO(g) + H_2O(g) \rightleftharpoons CO_2(g) + H_2(g)}$, cuya constante es $K_c = 4{,}00$.
- a) Construye una tabla con las cantidades de sustancia iniciales, la variación experimentada y las cantidades en el equilibrio expresadas en moles.
- b) Determina la concentración molar de cada una de las especies en el equilibrio y calcula la fracción molar de dióxido de carbono en la fase gaseosa. Para los cálculos, utiliza el modelo ideal y los valores didácticos proporcionados.
Puedes hacerlo en papel y enviar una foto con tu respuesta.
Grado de disociación y ecuaciones de segundo grado
También puedes hallar $\alpha$ con la ley de los gases: la presión total medida permite calcular $n_\text{total} = PV/RT$ y de ahí despejar $\alpha$ con $n_\text{total} = n_0(1+\alpha)$.
En un reactor rígido de $4{,}00\text{ L}$ a $720\text{ K}$ se introducen $1{,}20\text{ mol}$ de monóxido de carbono, $\mathrm{CO(g)}$, y $3{,}60\text{ mol}$ de vapor de…
En un reactor rígido de $4{,}00\text{ L}$ a $720\text{ K}$ se introducen $1{,}20\text{ mol}$ de monóxido de carbono, $\mathrm{CO(g)}$, y $3{,}60\text{ mol}$ de vapor de agua, $\mathrm{H_2O(g)}$. A dicha temperatura tiene lugar la reacción de desplazamiento del gas de agua:
$\mathrm{CO(g) + H_2O(g) \rightleftharpoons CO_2(g) + H_2(g)}$, con $K_c = 1{,}60$.
- a) Plantea la ecuación cuadrática correspondiente al avance de la reacción $x$ en el equilibrio y justifica rigurosamente el descarte de la raíz que carece de significado físico.
- b) Calcula la composición molar de cada gas en el equilibrio y el rendimiento porcentual del proceso respecto al reactivo limitante. Para los cálculos, utiliza el modelo ideal y los valores didácticos proporcionados.
Vuelve al principio: en la lata cerrada lo que se mantiene constante es el balance entre el $\mathrm{CO_2}$ que se disuelve y el que escapa, dos procesos de igual velocidad que nunca cesan.