14.2
La Constante de Equilibrio
Considere la oxidación del dióxido de azufre:
Para una reacción que comienza sólo con una mezcla de reactivos, la concentración del producto es inicia…
La ley de acción de masas introduce la constante de equilibrio para relacionar las concentraciones de equilibrio de los reactivos y los productos. Para una ecuación química balanceada donde A y B son reactivos, C y D son productos y las minúsculas a, b, c y d son sus respectivos coeficientes estequiométricos, la expresión constante de equilibrio está dada por las concentraciones molares de los productos divididos por las concentraciones molares de los reactivos, todas elevadas a sus coeficientes estequiométricos. La constante de equilibrio a menudo se expresa con el símbolo K o Kc, donde el subíndice c indica la constante de equilibrio con respecto a la concentración molar.
Al ser una relación de concentraciones molares, la constante de equilibrio no tiene unidades. Una constante de equilibrio grande mucho mayor que 1 indica que el numerador, que es la concentración de los productos, es mayor que el denominador, la concentración de los reactivos. Esto indica que el equilibrio se inclina hacia los productos y favorece la reacción hacia adelante.
Por el contrario, una pequeña constante de equilibrio mucho menor que 1 indica que el denominador es mayor que el numerador. Esto significa que el equilibrio se inclina hacia los reactivos y favorece la reacción inversa. Para una constante de equilibrio de magnitud igual o cercana a 1, las concentraciones relativas de los reactivos y productos son casi iguales.
Esto indica que no se favorece la reacción, ni hacia adelante ni hacia atrás. Las modificaciones de la ecuación química también cambian la constante de equilibrio. Si se invierte una reacción química con una constante de equilibrio x, la expresión de la constante de equilibrio para la reacción inversa es la recíproca de la reacción directa.
Entonces, la nueva constante de equilibrio sería 1 sobre x. Si los coeficientes se multiplican por otro factor, n, la constante de equilibrio se eleva al mismo factor. La nueva constante de equilibrio ahora sería x elevada a la potencia n.
Cuando se suman dos o más reacciones individuales, la constante de equilibrio para la reacción general es el producto de las constantes de equilibrio individuales. Entonces, la nueva constante de equilibrio sería y por z Para un equilibrio heterogéneo, la expresión constante de equilibrio excluye las entidades sólidas o líquida puras. Por ejemplo, la expresión constante de equilibrio para la descomposición de nitrato de amonio sólido en óxido nitroso gaseoso y vapor de agua excluye el nitrato de amonio:un sólido puro.
Esto se debe a que la concentración molar relativa de un sólido o líquido puro permanece constante durante la reacción.
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Q1: How is the equilibrium constant expression written for a chemical reaction?
The equilibrium constant expression is the ratio of molar concentrations of products divided by molar concentrations of reactants, each raised to their stoichiometric coefficients. For a reaction aA + bB ⇌ cC + dD, the expression is K = [C]^c[D]^d / [A]^a[B]^b. The subscript c in Kc indicates the constant is based on molar concentration. This unitless ratio quantifies the relative amounts of reactants and products at equilibrium.
Q2: What does a large equilibrium constant value tell you about a reaction?
A large equilibrium constant much greater than 1 indicates that the numerator (product concentrations) is greater than the denominator (reactant concentrations), meaning equilibrium lies toward the products and favors the forward reaction. Conversely, a small equilibrium constant much less than 1 means reactant concentrations exceed product concentrations, favoring the reverse reaction. An equilibrium constant near 1 indicates neither direction is favored.
Q3: How does reversing a chemical equation affect its equilibrium constant?
When a chemical reaction is reversed, the equilibrium constant for the reverse reaction becomes the reciprocal of the forward reaction's constant. If the forward reaction has equilibrium constant x, the reversed reaction has equilibrium constant 1/x. This reciprocal relationship reflects the swap of reactants and products in the reversed equation.
Q4: What happens to the equilibrium constant when stoichiometric coefficients are multiplied by a factor?
When stoichiometric coefficients in a chemical equation are multiplied by a factor n, the equilibrium constant is raised to that same factor. If the original equilibrium constant is x, the new equilibrium constant becomes x^n. This exponential relationship ensures the equilibrium expression remains consistent with the modified stoichiometry.
Q5: How do you find the equilibrium constant for coupled reactions?
When two or more equilibrium reactions are added together, the equilibrium constant for the overall reaction is the product of the individual equilibrium constants. If reaction 1 has constant y and reaction 2 has constant z, the combined reaction has equilibrium constant y × z. This multiplicative relationship allows prediction of complex equilibrium systems from simpler component reactions.
Q6: Why are pure solids and pure liquids excluded from heterogeneous equilibrium constant expressions?
Pure solids and pure liquids are excluded from heterogeneous equilibrium constant expressions because their relative molar concentrations remain constant during the reaction. Since the equilibrium constant depends only on concentrations that change, including constant values would be redundant. For example, in ammonium nitrate decomposition, the solid ammonium nitrate is excluded from the expression.
Q7: Does the equilibrium constant indicate how fast a reaction reaches equilibrium?
No, the magnitude of the equilibrium constant does not indicate the reaction rate or how quickly equilibrium is reached. Some equilibria establish nearly instantaneously, while others proceed so slowly that no perceptible change occurs over days, years, or longer. The equilibrium constant only reflects the composition of the reaction mixture at equilibrium, not the speed of reaching that state.