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Cinética y equilibrio químico · El equilibrio químico

La constante de equilibrio

Dejas una botella de refresco bien cerrada. Adentro, el CO₂ se disuelve en el líquido y, al mismo tiempo, otras moléculas de CO₂ salen al aire de la botella. Aunque todo parece quieto, no lo está. ¿Cómo puede un sistema "no cambiar" y seguir lleno de actividad? Y en una reacción química, ¿cómo saber si ya llegó a ese punto o todavía le falta camino? Lo veremos con una sola cantidad: la constante de equilibrio.

Equilibrio dinámico

Muchas reacciones son reversibles: los reactivos forman productos, pero los productos también pueden regresar a reactivos. Se escriben con una doble flecha:

$$\text{N}_2\text{O}_4 \rightleftharpoons 2\ \text{NO}_2$$

Imagina que empiezas solo con $\text{N}_2\text{O}_4$ (incoloro). Al principio, la reacción directa es rápida porque hay mucho reactivo. Conforme aparece $\text{NO}_2$ (café), la reacción inversa empieza a ocurrir y se acelera. Llega un momento en que las dos velocidades son iguales.

Gráfica de concentración contra tiempo: los reactivos bajan, los productos suben desde cero y ambos se vuelven constantes al llegar al equilibrio. equilibrio tiempo concentración reactivo producto

Fíjate: en el equilibrio las concentraciones son constantes, pero no necesariamente iguales. Pueden quedar casi todo reactivos, casi todo productos o una mezcla.

La expresión de K_c

Cuando se mide un sistema en equilibrio a una temperatura fija, aparece una regularidad: aunque cambien las concentraciones iniciales, cierta combinación de las concentraciones finales siempre da el mismo número. Esa combinación es la constante de equilibrio.

Para una reacción general $a\text{A} + b\text{B} \rightleftharpoons c\text{C} + d\text{D}$:

¿Por qué los coeficientes son exponentes? Porque si se necesitan 3 moléculas de $\text{H}_2$ para reaccionar, hay muchas más combinaciones de choques posibles: la concentración de $\text{H}_2$ pesa tres veces en el resultado.

Practica★☆☆Sin empezar
Escribe la expresión de la constante de equilibrio $K_c$ para la síntesis del amoniaco: $\text{N}2 + 3\ \text{H}2 \rightleftharpoons 2\ \text{NH}3$.

Escribe la expresión de la constante de equilibrio $K_c$ para la síntesis del amoniaco: $\text{N}_2 + 3\ \text{H}_2 \rightleftharpoons 2\ \text{NH}_3$.

Resolver

Calcular K_c con datos

Si te dan las concentraciones en equilibrio, solo sustituyes y calculas.

Cómo interpretar el valor:

Valor de $K_c$ Qué indica
Mucho mayor que 1 En el equilibrio hay sobre todo productos
Cercano a 1 Cantidades comparables de ambos
Mucho menor que 1 En el equilibrio hay sobre todo reactivos

$K_c$ no dice qué tan rápido se llega al equilibrio, solo dónde queda.

Practica★★☆Sin empezar
A cierta temperatura, el equilibrio $\text{PCl}5 \rightleftharpoons \text{PCl}3 + \text{Cl}2$ alcanza estas concentraciones: $[\text{PCl}5] = 0.20\ \text{mol}/\text{L}$,…

A cierta temperatura, el equilibrio $\text{PCl}_5 \rightleftharpoons \text{PCl}_3 + \text{Cl}_2$ alcanza estas concentraciones: $[\text{PCl}_5] = 0.20\ \text{mol}/\text{L}$, $[\text{PCl}_3] = 0.10\ \text{mol}/\text{L}$ y $[\text{Cl}_2] = 0.10\ \text{mol}/\text{L}$. Calcula el valor de $K_c$ a esa temperatura.

Resolver

El cociente de reacción Q

¿Qué pasa si el sistema todavía no está en equilibrio? Se calcula el cociente de reacción $Q$ con la misma fórmula que $K_c$, pero usando las concentraciones de ese momento.

Recta numérica que compara Q con K: a la izquierda la reacción va hacia productos, en K hay equilibrio y a la derecha va hacia reactivos. Q = Kc: equilibrio Q < Kc: → productos Q > Kc: ← reactivos

La lógica es la de una balanza: $Q$ mide cuánto producto hay en proporción; si sobra, el sistema lo regresa; si falta, lo fabrica.

Practica★★★Sin empezar
Para la reacción $2\ \text{SO}2 + \text{O}2 \rightleftharpoons 2\ \text{SO}3$ a cierta temperatura, $K_c = 4.0$. En un momento dado las concentraciones son…

Para la reacción $2\ \text{SO}_2 + \text{O}_2 \rightleftharpoons 2\ \text{SO}_3$ a cierta temperatura, $K_c = 4.0$. En un momento dado las concentraciones son $[\text{SO}_2] = 0.40\ \text{mol}/\text{L}$, $[\text{O}_2] = 0.20\ \text{mol}/\text{L}$ y $[\text{SO}_3] = 0.80\ \text{mol}/\text{L}$. a) Calcula el cociente de reacción $Q$ con esos valores. b) Decide si el sistema está en equilibrio y, si no lo está, indica hacia dónde se desplazará (hacia los productos o hacia los reactivos) y por qué.

Resolver

Vuelve al principio: en la botella de refresco el CO₂ pasa al líquido y sale al gas a la misma velocidad; no se nota ningún cambio, pero el sistema está en equilibrio dinámico. En una reacción, $K_c$ te dice dónde queda ese equilibrio y $Q$ te dice si ya llegaste o hacia dónde falta avanzar.

Resumen

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