8.2: Equilibrio Químico
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Resultados de aprendizaje
- Explicar el equilibrio químico.
- Escribir expresión para calcular\(K\).
- Calcular y comparar los valores de Q y K.
- Predecir cantidades relativas de reactivos y productos basados en la constante de equilibrio\(K\).
Los gases hidrógeno y yodo reaccionan para formar yoduro de hidrógeno de acuerdo con la siguiente reacción:
\[\ce{H_2} \left( g \right) + \ce{I_2} \left( g \right) \rightleftharpoons 2 \ce{HI} \left( g \right)\]
\[\begin{align} &\text{Forward reaction:} \: \: \ce{H_2} \left( g \right) + \ce{I_2} \left( g \right) \rightarrow 2 \ce{HI} \left( g \right) \\ &\text{Reverse reaction:} \: \: 2 \ce{HI} \left( g \right) \rightarrow \ce{H_2} \left( g \right) + \ce{I_2} \left( g \right) \end{align}\]
Inicialmente, solo se produce la reacción hacia adelante porque no\(\ce{HI}\) está presente. Tan pronto como algunos se\(\ce{HI}\) han formado, comienza a descomponerse de nuevo en\(\ce{H_2}\) y\(\ce{I_2}\). Poco a poco, la velocidad de la reacción directa disminuye mientras que la velocidad de la reacción inversa aumenta. Finalmente, la tasa de combinación de\(\ce{H_2}\) y\(\ce{I_2}\) para producir\(\ce{HI}\) se vuelve igual a la tasa de descomposición de\(\ce{HI}\) en\(\ce{H_2}\) y\(\ce{I_2}\). Cuando las velocidades de las reacciones hacia adelante y hacia atrás se han vuelto iguales entre sí, la reacción ha alcanzado un estado de equilibrio. El equilibrio químico es el estado de un sistema en el que la velocidad de la reacción directa es igual a la velocidad de la reacción inversa.
El equilibrio químico se puede lograr si la reacción comienza con todos los reactivos y sin productos, todos los productos y sin reactivos, o algunos de ambos. La siguiente figura muestra cambios en la concentración de\(\ce{H_2}\)\(\ce{I_2}\), y\(\ce{HI}\) para dos reacciones diferentes. En la reacción representada por la gráfica de la izquierda (A), la reacción comienza con solo\(\ce{H_2}\) y\(\ce{I_2}\) presente. No hay\(\ce{HI}\) inicialmente. A medida que la reacción avanza hacia el equilibrio, las concentraciones del\(\ce{H_2}\) y disminuyen\(\ce{I_2}\) gradualmente, mientras que la concentración del aumenta\(\ce{HI}\) gradualmente. Cuando la curva se nivela y todas las concentraciones se vuelven constantes, se ha alcanzado el equilibrio. En equilibrio, las concentraciones de todas las sustancias son constantes.
En la reacción B, el proceso comienza con solo\(\ce{HI}\) y no\(\ce{H_2}\) o\(\ce{I_2}\). En este caso, la concentración de disminuye\(\ce{HI}\) gradualmente mientras que las concentraciones de\(\ce{H_2}\) y\(\ce{I_2}\) gradualmente aumentan hasta que se vuelve a alcanzar el equilibrio. Observe que en ambos casos, la posición relativa de equilibrio es la misma, como lo demuestran las concentraciones relativas de reactivos y productos. La concentración de\(\ce{HI}\) en equilibrio es significativamente mayor que las concentraciones de\(\ce{H_2}\) y\(\ce{I_2}\). Esto es cierto tanto si la reacción comenzó con todos los reactivos como con todos los productos. La posición de equilibrio es una propiedad de la reacción reversible particular y no depende de cómo se logró el equilibrio.
Condiciones para el Equilibrio y Tipos de Equilibrio
Puede ser tentador pensar que una vez que se ha alcanzado el equilibrio, la reacción se detiene. El equilibrio químico es un proceso dinámico. Las reacciones hacia adelante y hacia atrás continúan ocurriendo incluso después de que se ha alcanzado el equilibrio. Sin embargo, debido a que las velocidades de las reacciones son las mismas, no hay cambio en las concentraciones relativas de reactivos y productos para una reacción que está en equilibrio. A continuación se resumen las condiciones y propiedades de un sistema en equilibrio.
- El sistema debe estar cerrado, lo que significa que ninguna sustancia puede entrar o salir del sistema.
- El equilibrio es un proceso dinámico. A pesar de que no necesariamente vemos las reacciones, se están dando tanto hacia adelante como hacia atrás.
- Las tasas de las reacciones hacia adelante y hacia atrás deben ser iguales.
- La cantidad de reactivos y productos no tiene que ser igual. Sin embargo, una vez alcanzado el equilibrio, las cantidades de reactivos y productos serán constantes.
La descripción del equilibrio en este concepto se refiere principalmente al equilibrio entre reactivos y productos en una reacción química. Otros tipos de equilibrio incluyen equilibrio de fase y equilibrio de solución. Un equilibrio de fase ocurre cuando una sustancia está en equilibrio entre dos estados. Por ejemplo, un matraz tapado de agua alcanza el equilibrio cuando la velocidad de evaporación es igual a la velocidad de condensación. Un equilibrio de solución ocurre cuando una sustancia sólida está en una solución saturada. En este punto, la velocidad de disolución es igual a la velocidad de recristalización. Si bien todos estos son diferentes tipos de transformaciones, la mayoría de las reglas relativas al equilibrio se aplican a cualquier situación en la que un proceso ocurre de manera reversible.
Los glóbulos rojos transportan oxígeno a los tejidos para que puedan funcionar. En ausencia de oxígeno, las células no pueden llevar a cabo sus responsabilidades bioquímicas. El oxígeno se mueve hacia las células adheridas a la hemoglobina, una proteína que se encuentra en los glóbulos rojos. En los casos de intoxicación por monóxido de carbono,\(\ce{CO}\) se une mucho más fuertemente a la hemoglobina, bloqueando la unión de oxígeno y disminuyendo la cantidad de oxígeno que llega a las células. El tratamiento consiste en que el paciente respire oxígeno puro para desplazar el monóxido de carbono. La reacción de equilibrio que se muestra a continuación ilustra el desplazamiento hacia la derecha cuando se agrega oxígeno en exceso al sistema:
\[\ce{Hb(CO)_4} \left( aq \right) + 4 \ce{O_2} \left( g \right) \rightleftharpoons \ce{Hb(O_2)_4} \left( aq \right) + 4 \ce{CO} \left( g \right)\]
Constante de Equilibrio
Considerar la hipotética reacción reversible en la que\(\ce{B}\) reaccionan\(\ce{A}\) y reaccionan para formar productos\(\ce{C}\) y\(\ce{D}\). Este equilibrio se puede mostrar a continuación, donde las letras minúsculas representan los coeficientes de cada sustancia.
\[a \ce{A} + b \ce{B} \rightleftharpoons c \ce{C} + d \ce{D}\]
Como hemos establecido, las tasas de las reacciones directa e inversa son las mismas en equilibrio, por lo que las concentraciones de todas las sustancias son constantes. Dado que ese es el caso, es lógico pensar que una relación de la concentración para cualquier reacción dada en equilibrio mantiene un valor constante. La constante de equilibrio\(\left( K_\text{eq} \right)\) es la relación entre el producto matemático de los productos de una reacción y el producto matemático de las concentraciones de los reactivos de la reacción. Cada concentración se eleva a la potencia de su coeficiente en la ecuación química equilibrada. Para la reacción general anterior, la expresión constante de equilibrio se escribe de la siguiente manera:
\[K_\text{eq} = \frac{\left[ \ce{C} \right]^c \left[ \ce{D} \right]^d}{\left[ \ce{A} \right]^a \left[ \ce{B} \right]^b}\]
Las concentraciones de cada sustancia, indicadas por corchetes alrededor de la fórmula, se miden en unidades de molaridad\(\left( \text{mol/L} \right)\).
El valor de la constante de equilibrio para cualquier reacción sólo se determina mediante experimento. Como se detalla en la sección anterior, la posición de equilibrio para una reacción dada no depende de las concentraciones iniciales y por lo tanto el valor de la constante de equilibrio es verdaderamente constante. Sin embargo, depende de la temperatura de la reacción. Esto se debe a que el equilibrio se define como una condición resultante de que las tasas de reacciones hacia adelante y hacia atrás sean iguales. Si la temperatura cambia, el cambio correspondiente en esas velocidades de reacción alterará la constante de equilibrio. Para cualquier reacción en la que\(K_\text{eq}\) se dé a, se deberá especificar la temperatura.
Cuando\(K_\text{eq}\) es mayor a 1, el numerador es mayor que el denominador por lo que se favorecen los productos, es decir, la concentración de sus productos es mayor que la de los reactivos.
Si\(K_\text{eq}\) es menor a 1, entonces los reactivos son favorecidos porque el denominador (reactivos) es mayor que el numerador (productos).
Cuando\(K_\text{eq}\) es igual a 1, entonces la concentración de reactivos y productos son aproximadamente iguales.
Cociente de reacción
El cociente de reacción,\(Q\), se utiliza a la hora de cuestionar si estamos en equilibrio. El cálculo para\(Q\) es exactamente el mismo que para\(K\) pero sólo podemos usar\(K\) cuando sabemos que estamos en equilibrio. Comparar\(Q\) y\(K\) permitir que se prediga la dirección de la reacción.
- \(Q\)=\(K\) equilibrio
- \(Q\)< la\(K\) reacción procede a la derecha para formar más productos y disminuir la cantidad de reactivos por lo que el valor de\(Q\) aumentará
- \(Q\)> la\(K\) reacción procede a la izquierda para formar más reactivos y disminuir la cantidad de productos por lo que el valor de\(Q\) disminuirá
Colaboradores y Atribuciones
CK-12 Foundation by Sharon Bewick, Richard Parsons, Therese Forsythe, Shonna Robinson, and Jean Dupon.
Allison Soult, Ph.D. (Department of Chemistry, University of Kentucky)