Ideas y Tips para resolver Problemas (Equilibrio)

Ideas y Tips para resolver Problemas (Equilibrio)
La Constante de Equilibrio, Kc y Kp
Una forma para describir la posición de equilibrio de una reacción química es dar las
concentraciones en el equilibrio de reactantes y productos. La expresión de la constante de
equilibrio relaciona las concentraciones de reactantes y productos en el equilibrio a una
temperatura dada con un valor numérico constante. Esta expresión es una indicación de la
cantidad de reactantes y productos que están presentes cuando se ha alcanzado el equilibrio.
Las concentraciones en la expresión de la constante de equilibrio usualmente se dan en
moles por litro (M), así que la constante de equilibrio K comúnmente lleva un subíndice c de
concentración, como en Kc. Sin embargo, las expresiones de las constantes de equilibrio para
reacciones que involucran gases se pueden escribir también en término de las presiones parciales
de los reactantes y productos gaseosos. Cuando una expresión de constante de equilibrio se
escribe en términos de presiones parciales, a K se le da un subíndice p, como en Kp. Kc y Kp no son
iguales, pero están relacionadas según la Ley de Gases Ideales (que indica que la concentración
molar es directamente proporcional a la presión como función de RT) mediante la ecuación
general:
K p = K c (RT )∆n , donde ∆n es el cambio en el número de moles:
∆n= moles totales de productos gaseosos — moles totales de reactantes gaseosos.
Escribir y Manipular Expresiones de Constante de Equilibrio
Debes saber:
.- Cómo escribir una expresión para constante de equilibrio a partir de la ecuación
balanceada, reconociendo que las concentraciones de sólidos puros y de los líquidos utilizados
como solventes no aparecen en la expresión, y que las concentraciones de reactantes y
productos van elevadas a la potencia indicada por el coeficiente estequiométrico de la reacción
balanceada.
™ Que cuando los coeficientes estequiométricos en una ecuación balanceada se cambian por
un factor de n, la nueva constante es Knueva=(Kvieja)n.
™ Que cuando una ecuación balanceada se invierte la nueva constante es: Knueva=1/Kvieja.
™ Que cuando varias ecuaciones balanceadas se suman para obtener una ecuación neta y
balanceada la nueva constante es: Kneta=K1*K2*K3*...
™ Que el valor de K depende de la forma en que se expresen las concentraciones en el equilibrio
(en moles por litro ó en P).
La Relación entre el Cociente de Reacción Q y la Constante de Equilibrio K
1.- Si Q<K, el sistema no está en equilibrio y [Reactantes]>[Productos]. La relación de
concentraciones de productos y reactantes es muy pequeña. Más reactantes deben ser
convertidos en productos (aumentando así Q) para alcanzar el equilibrio (cuando Q=K).
2.- Si Q=K, el sistema está en el equilibrio.
3.- Si Q>K, el sistema no está en equilibrio y [Productos]>[Reactantes]. La relación de
concentraciones de productos y reactantes es demasiado grande. Para alcanzar el equilibrio,
productos deben convertirse en reactantes (disminuyendo así Q hasta que Q=K).
Tratando Problemas de Equilibrio
Comúnmente, un experimento provee información sólo de las cantidades iniciales de
reactantes y de la concentración en el equilibrio de uno de los reactantes o de uno de los
productos. Las concentraciones de equilibrio del resto de los reactantes y productos debe
inferirse a partir de la ecuación química balanceada. La clave está en que todos los cambios se
pueden expresar en términos de una sola variable desconocida (x) y los coeficientes conocidos en
la ecuación balanceada. Estos números se pueden acomodar en forma de una Tabla de Equilibrio.
Ésta se puede usar para encontrar el valor de x y por consiguiente las concentraciones de
equilibrio de todas las sustancias en la reacción.
Otro tipo de situación más común ese cuando se conoce el valor de K además del número
de moles, concentraciones o presiones parciales de reactantes o de reactantes y productos y se
necesita encontrar las cantidades presentes en el equilibrio. Una vez más, este problema se
resuelve construyendo una Tabla de Equilibrio que exprese las cantidades químicas desconocidas
en términos de una variable desconocida (x).
Cosas Importantes que Recordar
1.- Debes entender la naturaleza y características del estado de equilibrio: Las reacciones
químicas son reversibles, el equilibrio es dinámico, y la naturaleza del estado de equilibrio es la
misma sin importar en qué dirección va la reacción.
2.- Debes poder escribir la expresión para la constante de equilibrio para cualquier
reacción química: Para la reacción general aA + bB → cC + dD las concentraciones en el
[C]c [D]d
equilibrio de reactantes y productos siempre están relacionadas según: K =
,
[A]a [B]b
reconociendo que las concentraciones de sólidos y solventes no se incluyen en las expresiones
para la constante de equilibrio.
3.- Un valor grande de K (K>>1) significa que la reacción favorece a los productos, y las
concentraciones de productos son mayores que las concentraciones de reactantes en el
equilibrio. Un valor pequeño de K (K<<1) indica una reacción que favorece a los reactantes en la
cual las concentraciones de los productos son más pequeñas que las concentraciones de los
reactantes en el equilibrio.
Principio de Le Chatelier
Hay tres formas comunes en que se puede perturbar una reacción química en el equilibrio:
(1) un cambio en la temperatura, (2) un cambio en la concentración de un reactante o un
producto, (3) un cambio en el volumen. Si se trata de aumentar la temperatura del sistema
(añadiendo energía calórica), ocurre una reacción química que actúa enfriando el sistema
(mediante el uso de energía calórica). Si se añade más producto o reactante a una reacción en el
equilibrio, el sistema responde utilizando algo de lo que se le ha añadido. En un sistema en el que
uno o más reactantes o productos es un gas, disminuir el volumen disponible conlleva a un
aumento en la presión; el sistema reacciona de forma de disminuir la presión. Estos resultados
pueden predecirse por el Principio de Le Chatelier: Un cambio en cualquiera de los factores que
determinan las condiciones de equilibrio de un sistema hace que el sistema cambie de tal forma
de reducir o contradecir el efecto del cambio.
Ácidos y Bases: Débiles o Fuertes?
Cómo se puede saber si un ácido o una base es débil o fuerte? La forma más fácil es
recordar los poquitos que son fuertes, y el resto serán probablemente débiles. Algunos ácidos
fuertes son:
.- Ácidos halohídricos: HCl, HBr y HI.
.- Ácido Nítrico: HNO3.
.- Ácido Sulfúrico: H2SO4.(por pérdida del primer H+ solamente)
.- Ácido Perclórico: HClO4.
Algunas bases fuertes son:
.- Hidróxidos del grupo 1ª: LiOH, NaOH, KOH.
.- Hidróxidos del grupo 2ª: Ca(OH)2, Sr(OH)2 y Ba(OH)2.
Mientras más fuerte un ácido o una base mayor será la concentración de H3O+(aq) o de
OH-(aq) para una dada concentración de ácido o base, respectivamente.
La Escala de pH
Otra forma de expresar concentraciones de ion hidronio evita utilizar números muy
pequeños ó notación exponencial. Ésta es la escala de pH, un método ampliamente usado para
expresar la acidez. El pH de una solución se define como el negativo del logaritmo en base 10 de
la concentración del ion hidronio:
pH = − log([H3 O + ])
De forma similar, el pOH de una solución se define como el negativo del logaritmo en base
10 de la concentración de ion hidróxido:
pOH = − log([OH− ])
Reacciones Ácido-Base
Ya sea que se trate de una reacción entre un ácido fuerte y una base fuerte, un ácido
débil y una base fuerte, ó un ácido fuerte y una base débil, debe determinarse inicialmente las
cantidades de ion hidronio e ion hidróxido provenientes de ambos reactantes. En el caso de que
alguno o ambos reactantes sean débiles siempre es útil la realización de la Tabla de Equilibrio,
mediante la cual pueden resumirse los valores de concentración esperados en el equilibrio en
función de la constante de equilibrio del ácido o la base débil. Hay que tener en cuenta que:
.- Si se trata de un ácido o base fuerte la concentración de ion hidronio o ion hidróxido,
respectivamente, se obtiene por estequiometría a partir de la ecuación para el ácido o la base.
.- Si se trata de un ácido o base débil la concentración de ion hidronio o ion hidróxido,
respectivamente, se obtiene a partir del valor de la constante de equilibrio y de la expresión de la
constante de equilibrio, o mediante el uso de una Tabla de Equilibrio.
Efecto del Ion Común
El efecto del ion común debe verse como lo que realmente es: un ejemplo del Principio de
Le Chatelier. Si se agrega un ion común la reacción química se desplazará hacia el lado en que se
consuma ese ion. El efecto del ion común puede encontrarse tanto en problemas de reacciones
ácido-base como en problemas de precipitación. En ambos casos siempre existe un equilibrio que
se ve desplazado debido al aumento en la concentración de un producto. La elaboración de la
Tabla de Equilibrio es necesaria para observar cuál es el efecto sobre el equilibrio al añadir un
reactante o producto (en este caso un ion proveniente de una sal, un ácido o una base).