Equilibrio químico y Le Chatelier
Escribe la reacción y calcula Kc y Kp, las concentraciones de equilibrio con la tabla ICE, el cociente de reacción Q o hacia dónde se desplaza el equilibrio si añades o quitas algo, cambias el volumen o la temperatura.
Datos
Reacción (coeficiente y fórmula)
Resultados
Gráfica
Cociente Q frente a K
Desarrollo
La constante de equilibrio
En una reacción reversible $aA + bB ⇌ cC + dD$ llega un momento en que las velocidades directa e inversa se igualan y las concentraciones dejan de cambiar. Entonces se cumple la ley de acción de masas:
$K_c = {[C]^c [D]^d}/{[A]^a [B]^b}$
$K_c$ solo depende de la temperatura. Los sólidos y los líquidos puros no aparecen. Si $K_c ≫ 1$ en el equilibrio predominan los productos y si $K_c ≪ 1$, los reactivos.
Kp y Kc
Para gases se puede usar la presión parcial de cada uno, $p = cRT$, y entonces:
$K_p = K_c (R T)^{Δn}$
donde $Δn$ son los moles de gas de los productos menos los de los reactivos, $R = 0,082 "atm·L/(mol·K)"$ y $T$ va en kelvin. Si $Δn = 0$, $K_p = K_c$.
Tabla ICE
Se escribe una fila con las concentraciones iniciales (I), otra con el cambio (C), que es $−a x$ en los reactivos y $+c x$ en los productos, y otra con las del equilibrio (E). Se sustituyen en $K_c$ y se despeja $x$, el avance de la reacción. Aquí se resuelve numéricamente, así que sirve aunque la ecuación no sea de segundo grado; entre las soluciones solo vale la que no deja ninguna concentración negativa.
Cociente de reacción
$Q$ se escribe igual que $K_c$ pero con las concentraciones de un instante cualquiera. Si $Q < K_c$ la reacción avanza hacia los productos, si $Q > K_c$ hacia los reactivos y si $Q = K_c$ está en equilibrio.
Principio de Le Chatelier
Si se perturba un sistema en equilibrio, este evoluciona en el sentido que se opone a la perturbación:
- Concentración: añadir una especie desplaza el equilibrio hacia el lado contrario; quitarla, hacia su lado. $K$ no cambia.
- Volumen o presión: comprimir favorece el lado con menos moles de gas y expandir, el de más. Si $Δn = 0$ no hay desplazamiento.
- Temperatura: es lo único que cambia $K$, según la ecuación de Van't Hoff $ln {K_2}/{K_1} = −{ΔH}/{R} (1/T_2 − 1/T_1)$. Calentar favorece la reacción endotérmica y enfriar, la exotérmica.
- Gas inerte a volumen constante: no cambia las concentraciones, así que no desplaza el equilibrio.
- Catalizador: acelera la reacción directa y la inversa por igual: se llega antes al equilibrio, pero no cambia ni $K$ ni su posición.
Preguntas frecuentes
¿Cómo se calculan Kc y Kp?
Para aA + bB ⇌ cC + dD, Kc = [C]ᶜ[D]ᵈ / ([A]ᵃ[B]ᵇ) y Kp = Kc·(RT)^Δn, con Δn la variación de moles de gas. En N₂ + 3 H₂ ⇌ 2 NH₃, Δn = −2.
¿Cómo se resuelve un equilibrio con la tabla ICE?
Se escriben las concentraciones iniciales, el cambio (±x según coeficientes) y las del equilibrio, y se sustituyen en Kc. En H₂ + I₂ ⇌ 2 HI con Kc = 50 y 1 M de cada reactivo: 4x²/(1 − x)² = 50, x ≈ 0,78 y [HI] ≈ 1,56 M, [H₂] = [I₂] ≈ 0,22 M.
¿Cómo se desplaza el equilibrio (Le Chatelier)?
Se compara el cociente de reacción Q con K: si Q < K el equilibrio avanza hacia productos, y si Q > K hacia reactivos. Añadir reactivo o quitar producto lo desplaza a la derecha; aumentar la presión, hacia el lado con menos moles de gas.