Química General · Chemical equilibrium
Constantes de equilibrio y Q
Una lección resuelta gratis y 40 problemas de práctica en los que dibujas tú mismo cada flecha curva.
¿Atascado con constantes de equilibrio y Q? Escanea el problema.
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Lo que aprenderás
- Describe chemical equilibrium as a dynamic state in which the forward and reverse rates are equal and the composition is constant.
- Write Kc and Kp expressions for homogeneous and heterogeneous equilibria, leaving out pure solids and pure liquids.
- Convert between Kc and Kp with Kp = Kc(RT)^Δn, counting only gaseous species in Δn.
- Find K for a reversed, scaled or combined equation from the K values of the given equations.
- Interpret the magnitude of K and compare the reaction quotient Q with K to predict the direction of net reaction.
Lección gratis
El texto de la lección resuelta. En Arrow Lab, cada paso incluye sus estructuras y sus flechas dibujadas.
Leer la lección gratis (7 partes)
El equilibrio es dinámico
En un frasco cerrado, el N₂O₄ incoloro (dibujado) se disocia en NO₂ pardo, y las moléculas de NO₂ se recombinan para formar N₂O₄. Al principio la velocidad directa es mayor, de modo que el NO₂ se acumula; a medida que se consume el N₂O₄, la velocidad directa disminuye y la inversa aumenta. Cuando las dos velocidades se igualan, las concentraciones dejan de cambiar: el sistema está en equilibrio. Ambas reacciones siguen ocurriendo a la misma velocidad, de modo que las moléculas individuales siguen reaccionando; solo el cambio neto es cero. Equilibrio no significa concentraciones iguales de reactivos y productos. Se llega a la misma mezcla en equilibrio si se parte de N₂O₄, de la cantidad equivalente de NO₂ o de una mezcla adecuada de ambos, siempre que la temperatura, el volumen y la cantidad total de nitrógeno y oxígeno sean los mismos.
Cómo escribir la expresión de la constante de equilibrio
Para aA + bB ⇌ cC + dD, la ley de acción de masas da Kc = [C]^c[D]^d / ([A]^a[B]^b): productos sobre reactivos, cada concentración en el equilibrio elevada a su coeficiente en la ecuación balanceada. Para N₂(g) + 3 H₂(g) ⇌ 2 NH₃(g), Kc = [NH₃]²/([N₂][H₂]³). Un equilibrio homogéneo tiene todas las especies en una sola fase; uno heterogéneo involucra más de una fase. Los sólidos puros y los líquidos puros se omiten de la expresión porque su actividad es 1 y no cambia con la cantidad presente. Para NH₄HS(s) ⇌ NH₃(g) + H₂S(g) (iones dibujados), Kc = [NH₃][H₂S]; para Br₂(l) + Cl₂(g) ⇌ 2 BrCl(g), Kc = [BrCl]²/[Cl₂]. El agua como gas (vapor) sí aparece en K; el agua líquida como reactivo o como disolvente, no. Cada K corresponde a la ecuación tal como está escrita y a una temperatura determinada.
Kc y Kp
Para los gases, K puede escribirse con presiones parciales en atm: Kp = (P_C)^c(P_D)^d / ((P_A)^a(P_B)^b). Como P = (n/V)RT = [X]RT para un gas ideal, Kp = Kc(RT)^Δn, donde Δn = (moles de productos gaseosos) − (moles de reactivos gaseosos) y R = 0.08206 L·atm/(mol·K), el valor que corresponde a concentraciones en mol/L y presiones en atm. Los sólidos y los líquidos no cuentan en Δn. Ejemplo: 2 SO₂(g) + O₂(g) ⇌ 2 SO₃(g) tiene Kc = 2.8 × 10² a 1000 K y Δn = 2 − 3 = −1, de modo que Kp = 280 × (0.08206 × 1000)^−1 = 280/82.06 = 3.41. Cuando Δn = 0, como en H₂(g) + I₂(g) ⇌ 2 HI(g), Kp = Kc. Las constantes de equilibrio se informan sin unidades porque cada concentración o presión se divide estrictamente por su valor estándar (1 mol/L o 1 atm).
Manipulación de K
De la propia expresión se deducen tres reglas. Invertir una ecuación invierte K: H₂(g) + I₂(g) ⇌ 2 HI(g) tiene Kc = 50.0 a 448 °C, de modo que 2 HI(g) ⇌ H₂(g) + I₂(g) tiene Kc = 1/50.0 = 0.0200. Multiplicar todos los coeficientes por n eleva K a la potencia n: al duplicar se obtiene 50.0² = 2500, y al dividir entre dos, ½ H₂ + ½ I₂ ⇌ HI, se obtiene 50.0^½ = 7.07. Sumar ecuaciones multiplica sus valores de K, porque la expresión de la suma es el producto de las dos expresiones (las especies comunes se cancelan). Ejemplo: 2 NO(g) ⇌ N₂(g) + O₂(g) (K₁) más N₂(g) + 2 O₂(g) ⇌ 2 NO₂(g) (K₂) da 2 NO(g) + O₂(g) ⇌ 2 NO₂(g) con K = K₁ × K₂. Estas reglas reflejan la ley de Hess: donde los valores de ΔH se suman o cambian de signo, los valores de K se multiplican o se invierten, porque ln K = −ΔG°/RT. Todos los valores de K combinados deben referirse a la misma temperatura.
Qué te dice el valor de K
Un valor de K muy grande (aproximadamente mayor que 10³) significa que la mezcla en equilibrio es mayoritariamente de productos; un K muy pequeño (aproximadamente menor que 10⁻³) significa que es mayoritariamente de reactivos; los valores intermedios dejan cantidades significativas de ambos. K no dice nada sobre la rapidez con que se alcanza el equilibrio. Una mezcla de H₂ y O₂ tiene un K enorme para formar agua y, sin embargo, se mantiene durante años a temperatura ambiente hasta que una chispa o un catalizador reduce la barrera. K solo cambia con la temperatura, no con las cantidades iniciales, la presión ni un catalizador.
El cociente de reacción Q
Q tiene exactamente la misma forma que K, pero usa las concentraciones (o presiones) presentes en cualquier momento, no necesariamente en el equilibrio. Compara Q con K: si Q < K hay muy pocos productos, de modo que la reacción neta va hacia adelante; si Q > K hay demasiados productos, de modo que va hacia atrás; si Q = K la mezcla está en equilibrio. Ejemplo: para N₂O₄(g) ⇌ 2 NO₂(g), Kc = 4.6 × 10⁻³ a 25 °C. Una mezcla con [N₂O₄] = 0.020 M y [NO₂] = 0.020 M tiene Q = 0.020²/0.020 = 0.020, que es mayor que K, de modo que el NO₂ se combina para formar N₂O₄ hasta que Q cae a 4.6 × 10⁻³. Aplica siempre los exponentes y omite los sólidos puros y los líquidos puros al calcular Q, igual que para K.
Lo que conviene recordar
Escribe K como productos sobre reactivos, con cada concentración o presión elevada a su coeficiente, y omite los sólidos puros y los líquidos puros. Convierte con Kp = Kc(RT)^Δn usando solo moles de gas. Si inviertes una ecuación, K se invierte; si multiplicas por n, K se eleva a la n; si sumas ecuaciones, los valores de K se multiplican. Un K grande favorece a los productos, un K pequeño favorece a los reactivos, y ninguno de los dos dice nada sobre la velocidad. Compara Q con K: Q < K va hacia adelante, Q > K va hacia atrás.
Problemas de práctica (40)
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Predice el producto 7
Magnitud de K y cociente de reacción
- Carbono, CO y CO₂Predice la dirección de una reacción heterogénea a partir de Qp y Kp, omitiendo el sólido.
- ¿Hacia dónde se desplazará?Predice la dirección de la reacción neta cuando Q es mayor que K.
Manipulación y combinación de K
- Duplicar la ecuaciónPredice cómo cambia K cuando se duplican todos los coeficientes de una ecuación.
Equilibrio dinámico y expresiones de K
- Hierro y vapor de aguaEscribe Kc para un equilibrio heterogéneo que contiene dos sólidos puros y dos gases.
- Kc para el proceso DeaconEscribe Kc para un equilibrio homogéneo en fase gaseosa con los coeficientes como exponentes.
- Seguimiento de una marca radiactivaUsa un experimento de marcaje isotópico para demostrar que las reacciones continúan en el equilibrio.
Kc y Kp
- Kp del reformado con vapor de aguaEscribe una expresión de Kp en presiones parciales para un equilibrio en fase gaseosa.
Clasificar 2
Dynamic equilibrium and K expressions
- Spot the heterogeneous equilibriumClassify an equilibrium as homogeneous or heterogeneous from the phases of its species.
Kc y Kp
- ¿Cuándo Kp es igual a Kc?Clasifica equilibrios según si Kp es igual a Kc, usando el cambio en los moles de gas.
Comparar 3
Kc y Kp
- ¿Kp es mayor o menor que Kc?Compara los tamaños de Kp y Kc a partir del signo de Δn y del valor de RT.
Magnitud de K y cociente de reacción
- Ordena mezclas según QOrdena mezclas fuera del equilibrio según el cociente de reacción cuando una concentración está elevada al cuadrado, y relaciona cada una con K.
Manipulación y combinación de K
- Ordena K para ecuaciones reescritasOrdena las constantes de equilibrio de una ecuación que se ha invertido, dividido a la mitad y duplicado.
Calcular 18
Manipulación y combinación de K
- Suma dos ecuacionesCombina dos ecuaciones que se suman directamente para dar la ecuación objetivo multiplicando sus valores de K.
- Combinar con una ecuación invertidaCombina una ecuación tal como está escrita con la inversa de otra, dividiendo sus valores de K.
- K por mol de NOHalla K para una ecuación cuyos coeficientes se dividen por la mitad tomando la raíz cuadrada.
- Tres manipulaciones a la vezInvierte, divide a la mitad y suma ecuaciones para hallar K en la formación de un compuesto a partir de sus elementos.
- Kp para la formación de fosgenoInvierte una ecuación y convierte la Kc resultante a Kp, siguiendo el signo de Δn.
- K para la reacción inversaCalcula K para una ecuación invertida tomando el recíproco.
Magnitud de K y cociente de reacción
- Q justo después de la compresiónCalcula cómo cambia Q respecto de K cuando se duplica cada concentración de un equilibrio en fase gaseosa.
- Q de una mezcla de H₂/I₂/HICalcula un cociente de reacción a partir de concentraciones fuera del equilibrio.
- Q para la síntesis de metanolCalcula un cociente de reacción a partir de presiones parciales y úsalo para juzgar la dirección de la reacción.
- ¿Dónde cambia la dirección neta?Halla la concentración a la cual Q es igual a K, el límite entre la reacción neta directa y la inversa.
Kc y Kp
- Δn para un equilibrio en fase gaseosaCalcula Δn, el cambio en los moles de gas, que se usa para convertir entre Kc y Kp.
- Kc de la síntesis de amoníaco a partir de KpConvierte Kp en Kc cuando los moles de gas disminuyen en dos.
- Kp de un sólido que se descompone en dos gasesConvierte Kc en Kp para un equilibrio heterogéneo, contando solo los gases en Δn.
- Kp para N₂O₄ ⇌ 2 NO₂Convierte Kc en Kp para una disociación en la que aumentan los moles de gas.
- Kp a partir de presiones parcialesCalcula Kp a partir de las presiones parciales en el equilibrio con términos al cuadrado.
- Presión sobre NH₄HS sólidoUsa una Kp heterogénea y la estequiometría 1:1 de los gases para hallar la presión total en el equilibrio.
Equilibrio dinámico y expresiones de K
- Kc a partir de moles en un matraz de 2.00 LConvierte las cantidades en el equilibrio a concentraciones molares antes de calcular Kc para una reacción en la que cambian los moles de gas.
- Kc de la formación de níquel tetracarboniloCalcula Kc a partir de las concentraciones en el equilibrio cuando se omite un sólido y un coeficiente 4 se convierte en exponente.
Encuentra el error 3
Kc y Kp
- Un error en ΔnDiagnostica una conversión de Kc a Kp que cuenta un producto líquido en Δn.
Magnitud de K y cociente de reacción
- ¿K enorme y no hay reacción?Detecta el error de usar el valor de K para predecir la rapidez con que ocurre una reacción.
Equilibrio dinámico y expresiones de K
- Encuentra el error en una expresión de KDetecta una expresión de K heterogénea que incluye erróneamente un sólido puro y un líquido puro.
Interpreta la evidencia 2
Magnitud de K y cociente de reacción
- Lectura de Q a lo largo del tiempoInterpreta una serie de valores del cociente de reacción para deducir la composición inicial, la dirección neta y cuándo se alcanza el equilibrio.
- Una K muy pequeñaInterpreta una constante de equilibrio muy pequeña en términos de la composición de la mezcla en equilibrio.
Trabaja hacia atrás 1
- ¿Qué ecuación corresponde a este Kc?A partir de una expresión de Kc, deduce la ecuación balanceada, incluidas las fases y los coeficientes.
Planea una síntesis 1
- Planea una combinación de ecuacionesElige cómo invertir, escalar y sumar dos ecuaciones para llegar a una ecuación objetivo, y la K resultante.
Explica por qué 3
Equilibrio dinámico y expresiones de K
- ¿Qué permanece igual en el equilibrio?Identifica la característica que define un equilibrio químico dinámico.
- Añadir más agua líquidaExplica por qué añadir más cantidad de un líquido puro no cambia la presión de equilibrio de su vapor.
Manipulación y combinación de K
- ¿Por qué se multiplica y no se suma?Explica por qué los valores de K de ecuaciones sumadas se multiplican mientras que sus valores de ΔH se suman.
¿Atascado con constantes de equilibrio y Q? Escanea el problema.
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