La constante de equilibrio

Las reacciones químicas que transcurren en un recipiente cerrado pueden alcanzar un estado de equilibrio que se caracteriza porque las concentraciones de los reactivos y de los productos permanecen inalteradas a lo largo del tiempo. Es decir, bajo determinadas condiciones de presión y temperatura la reacción no progresa más y se dice que ha alcanzado el estado de equilibrio.

Expresión de la constante de equilibrio

La constante de equilibrio (K) se expresa como la relación entre las concentraciones molares (mol/l) de reactivos y productos. Su valor en una reacción química depende de la temperatura, por lo que ésta siempre debe especificarse. La expresión de una reacción genérica es:

En el numerador se escribe el producto de las concentraciones de los productos y en el denominador el de los reactivos. Cada término de la ecuación se eleva a una potencia cuyo valor es el del coeficiente estequiométrico en la ecuación ajustada.

La constante de equilibrio: K_c o K_p

Cuando se trata de mezclas gaseosas, a veces resulta más adecuado describir la composición en términos de presiones parciales. Para ello hay que adaptar la expresión de la constante de equilibrio y referirla, en vez de a concentraciones K_c, a presiones parciales K_p.

K_p y K_c se relacionan mediante la ley de los gases ideales, de forma que conocida una puede conocerse la otra:

PV = nRT Þ P = (n/V) RT Þ P = cRT

Para cada componente del equilibrio se puede escribir una ecuación similar, de tal forma que en el siguiente ejemplo puede deducirse que:

Generalizando:

K_p = K_c (RT)^Dn

de manera que Dn es la variación del número de moles en la ecuación. Se representa como la diferencia entre el número de moles de gas en los productos y el número de moles de gas en los reactivos:

Magnitud de la constante de equilibrio

La magnitud de la constante de equilibrio informa sobre el estado de equilibrio, es decir, sobre la extensión con que una reacción química se lleva a cabo.

Si la constante de equilibrio para una reacción química (K_p o K_c) tiene un valor muy grande, el grado de conversión de reactivos a productos es muy alto. Por el contrario, valores numéricos de K_p o K_c muy pequeños indican que el grado de conversión de reactivos a productos es muy pequeño.

Por ejemplo, en las siguientes reacciones, que transcurren ambas a 298 K:

El valor alto de K_c para la primera ecuación indica que prácticamente toda la cantidad de reactivos se ha convertido en productos.

Cociente de reacción

El cociente de reacción se designa con la letra Q y coincide con la expresión de la constante de equilibrio, pero con la diferencia de que puede ser evaluado en cualquier instante de la reacción y para cualquier valor de las concentraciones de los reactivos y/o de los productos. No es necesario el estado de equilibrio para calcular el valor de Q.

Para la reacción:

pueden darse las siguientes situaciones:

• Si Q = K_c, el sistema esta en equilibrio.
• Si Q ¹? K_c, el sistema evolucionará hacia el estado de equilibrio. Para saber en que sentido evolucionará la reacción es necesario comparar los valores de ambos:
  • Si Q < K_c, significa que el cociente de las concentraciones iniciales es menor que el que debería ser en el equilibrio. El modo de alcanzar el equilibrio es incrementar la concentración de HI (g), ya que asi se reducen las de H₂ (g) y I₂ (g). La reacción directa se produce con mayor extensión que la inversa, hasta que se alcanza el equilibrio.
  • Si Q > K_c, el valor del cociente de las concentraciones iniciales es superior al que corresponde al estado de equilibrio. La reacción inversa se produce con mayor extensión que la directa, hasta que el valor de Q se iguala con K_c.

Más información

Expresiones de K _p y K _c en el equilibrio:

H ₂ (g) + I ₂ (g) ® 2HI(g)

Las expresiones de la constante de equilibrio son:

Dn = 2 - 2 = 0

Entonces K _p = K _c (RT) ⁰ ,
con lo que K _p = K _c .

Evolución del valor del cociente de reacción desde cualquier situación inicial (Q¹‚ K _c ) hasta que se alcanza el equilibrio (Q = K _c ).

El cociente de reacción puede situarse entre dos valores extremos: Q = 0 cuando la concentración de los productos es cero, y
Q = ¥ cuando la concentración de los reactivos es cero. Para alcanzar el estado de equilibrio en el primer caso Q debe aumentar, mientras que en el segundo Q debe disminuir.