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Equilibrio Químico

Ejercicios: Constantes de equilibrio

Presta atención a la construcción de las tablas que facilitan la resolución de la mayoría de problemas:

Ejercicio 1

Problema-equilibrio-quimico

Ejercicio 2

Observa que la constante no varía si mantenemos la misma temperatura, pero observa como cambia el grado de disociación al modificar la presión del sistema:

Ejercicio-Kp-grado-disociacion

Y para seguir practicando, unos pocos ejercicios más!

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Otras Constantes de Equilibrio

Anteriormente hemos definido la constante de equilibrio a partir de la ley de acción de masas, en función de las concentraciones molares de cada una de las especies intervinientes, según la siguiente reacción general:

Reaccion-equilibrio-quimico

Constante de equilibrio

En el caso de que estudiemos un equilibrio homogéneo entre gases, podemos definir la constante de equilibrio en función de las presiones parciales ejercidas por cada uno de ellos:

Constante de equilibrio

Igualmente, esta constante es característica de cada reacción, es independiente de las cantidades iniciales de reactivos y productos y sus unidades se obtienen al sustituir las presiones parciales, generalmente en atmósferas.

Podríamos definir también una constante de equilibrio en función de las fracciones molares de las diferentes especies:

Constante de equilibrio

Según las condiciones que se planteen y la información disponible, se debe evaluar la conveniencia de emplear una u otra. Compruébalo aquí.

¿No te ha quedado claro? Pues deja un comentario!

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Ejercicios: Ley de acción de masas

Cuestiones previas

Cuestiones-equilibrio

Ejercicio 1

Ejercicio-Equilibrio-Constante

Ejercicio 2

Fíjate en la construcción de la tabla que nos ayuda a resolver este tipo de problemas.

Problema-equilibrio-quimico

Ejercicio 3

Presta atención al cálculo del grado de disociación en este equilibrio.

Problema-equilibrio-quimico

Ejercicio 4

Ejercicio-equilibrios-kc-grado-disociacion-HI

Puedes ver más ejercicios aquí.

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Ley de acción de masas: la constante de equilibrio

Cuando tiene lugar una reacción química reversible se observa que llegado un determinado momento las cantidades netas de reactivos y productos se mantienen invariables. Ya vimos que este hecho no significa que la reacción se pare, sino que la velocidad a la que se forman los productos se iguala a la velocidad a la que se regeneran los reactivos. Es decir, nuestra reacción está en equilibrio.

De manera general, podemos representar una reacción química en equilibrio así:

Reaccion-equilibrio-quimico

Al leer la reacción de izquierda a derecha (sentido directo) los reactivos A y B (en color verde) reaccionan para formar los productos C y D (en color rojo). Pero como es una reacción reversible (se representa mediante una flecha de doble sentido) podríamos interpretar que los productos también reaccionan para formar los reactivos (sentido inverso). Las velocidades a las que tienen lugar ambos procesos se pueden representar mediante las siguientes ecuaciones de velocidad:

Velocidad-reacciones-equilibrio

Donde a, b, c y d son los correspondientes coeficientes estequiométricos.

En el equilibrio las velocidades de las reacciones directa e inversa son iguales, por lo tanto:

Deduccion-constante-equilibrio

De esta manera se puede definir el constante de equilibrio como:

Constante-equilibrio-ley-accion-masas

Esta expresión se conoce como ley de acción de masas, y permite determinar las concentraciones molares de los reactivos y productos en el equilibrio. Esta constante es característica de cada reacción y es independiente de las cantidades iniciales de reactivos y productos.

Así, por ejemplo, para la siguiente reacción:

Ejemplo-constante-equilibrio

Como se puede observar todos los compuestos se encuentran en estado gaseoso. En este caso se habla de equilibrio homogéneo, pues en él todas las especies químicas están en la misma fase. Pero, ¿qué ocurriría si uno de ellos fuese, por ejemplo, un sólido o un líquido? En este caso se trataría de un equilibrio heterogéneo, en el que (al menos) una especie está en una fase distinta. Cuando esto ocurre, en la expresión de la constante de equilibrio no aparecen las concentraciones de los sólidos ni de los líquidos puros, ya que a una temperatura determinada, estas concentraciones son constantes. Por ejemplo:

Ejemplo-equilibrio-heterogéneo

Pero, ¿qué utilidad tiene la constante de equilibrio? El valor de la constante de equilibrio nos permite predecir la tendencia de una reacción química a formar productos. Así, valores altos de la constante de equilibrio indican una mayor concentración de productos que de reactivos en el equilibrio, es decir, el equilibrio estará desplazado hacia la derecha de la reacción. Por el contrario, valores bajos de la constante de equilibrio expresan una mayor proporción de reactivos que de productos, por lo que la reacción química estará desplazada hacia la izquierda.

Y para comenzar a practicar, aquí van unos ejercicios. Cualquier duda, ya sabes, a los comentarios!

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Una cuestión de equilibrio

La vida es como montar en bicicleta, para mantener el equilibrio hay que seguir moviéndose [Albert Einstein]

citaeinstein

En ocasiones me caracterizo por mi torpeza, y os puedo asegurar que varias veces me ha pasado que se me ha resbalado una copa de cristal y ha terminado hecha añicos en el suelo. Si hubiera estado más atento… Pero no hay marcha atrás. Ni el mejor pegamento conseguiría recuperar la forma inicial, uniforme y brillante, de mi copa. Es totalmente irreversible. Muchos sucesos cotidianos los son. Que el tiempo no vuelve atrás es evidente, aunque algunas veces nos hubiera gustado hacerlo posible. Pero existen cambios que sí se pueden revertir. ¿O acaso nunca has tenido que calentar de nuevo una taza de café porque se te ha quedado fría?

Pues esa idea de irreversibilidad tiene un gran interés en los procesos químicos. Cuando enciendes una vela se produce una reacción típica de combustión, en la cual la parafina que la constituye arde gracias al oxígeno y se transforma en dióxido de carbono y agua. No hay manera de volver a juntar estos compuestos para reconstruir de nuevo nuestra vela. La reacción transcurre en un sólo sentido, no es reversible. Sin embargo, en otros casos sí lo es. Así ocurre en las pilas recargables: la reacción transcurre en un sentido cuando se requiere el aporte de energía, y en el sentido inverso cuando recuperamos esa energía volviendo a los compuestos de partida. Muchas otras reacciones son reversibles y pueden transcurrir tanto en un sentido como en el contrario.

Volvamos un momento a nuestra taza de café. Tras calentarla comienza a perder calor pues la temperatura del ambiente es menor y seguirá haciéndolo hasta que su temperatura sea igual a la del exterior. En ese momento se habrá alcanzado el equilibrio. Pues bien, una reacción química también transcurre en un determinado sentido de manera espontánea, y los reactivos implicados formarán los productos correspondientes. Según la Termodinámica, esto es debido a que la variación de energía libre de Gibbs en este proceso es negativa. Pero cuando la variación de energía libre de Gibbs es cero, diremos que la reacción reversible se encuentra en equilibrio químico. Esta es una situación ideal, que se alcanza en ciertas condiciones, en la que aparentemente no hay cambio: las cantidades de reactivos y productos se mantienen constantes.

equilibrio-quimico-dinamico

En realidad la reacción no se para, pues que ésta se produzca dependerá de la probabilidad para que los reactivos se junten de la manera adecuada para formar productos, y esta probabilidad será alta o baja, pero no es cero. De modo que los reactivos siguen formando productos. ¿Entonces por qué no notamos ningún cambio? Pues porque, no lo olvidemos, la reacción es reversible. Y eso significa que, simultáneamente, los productos tienen la misma probabilidad de chocar y formar de nuevo los reactivos de partida. Es por eso, que hablamos siempre de equilibrio dinámico, ya que la velocidad de formación de los productos es igual a la velocidad de regeneración de los reactivos, por lo que las concentraciones de todos los compuestos se mantienen aparentemente fijas.

¿Recuerdas la cita de Albert Einstein con la que abrí esta entrada? Para mantener el equilibrio hay que seguir moviéndose. Y esto es exactamente lo que les ocurre a las reacciones reversibles en equilibrio: nunca paran, para que nada cambie.

¿Y cómo podemos predecir en qué sentido evolucionará una reacción? ¿Qué cantidades de cada molécula habrá en el equilibrio? ¿Qué factores pueden alterar ese equilibrio? Todas las respuestas las tienes aquí.