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Cómo calcular las concentraciones de equilibrio en una reacción química

Escrito por john brennan | Traducido por mariano salgueiro
Cómo calcular las concentraciones de equilibrio en una reacción química

Para calcular concentraciones de equilibrio se necesita un poco de matemática y algo de práctica.

Creatas Images/Creatas/Getty Images

Calcular concentraciones de equilibrio es una habilidad importante para que tengas éxito en la química general o introductoria. Por suerte, no suele ser muy difícil, y siempre y cuando recuerdes tu álgebra y sepas cómo establecer la ecuación de la constante de equilibrio, puedes resolverla sin muchos problemas. Recuerda, sin embargo, que la constante de equilibrio cambiará si varía la temperatura, así que siempre deberías asegurarte de que la constante de equilibrio que estás usando sea válida para la temperatura en cuestión.

Nivel de dificultad:
Moderadamente difícil

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  • Una calculadora

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Instrucciones

  1. 1

    Escribe la ecuación de la reacción para el proceso o reacción que estás estudiando. Esta información te será dada como parte del problema. Por ejemplo: supone que estás estudiando la reacción entre el hidrógeno y el bromo para formar bromuro de hidrógeno. La temperatura es de 1000 Kelvin. La ecuación de tu reacción será como se indica a continuación: H2 (g) + Br2 (g) <----> 2 HBr (g) Nota que la (g) indica que todos los reactivos y productos en este caso son gases.

  2. 2

    Escribe la constante de equilibrio para la reacción. Este dato, por lo general, también te lo darán para resolver el problema. Ejemplo: la constante de equilibrio para: H2 + Br2 <----> 2 HBr a 1000 Kelvin es de 3,8 x 10^4.

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    Establece la ecuación de la constante de equilibrio. Recuerda que la constante de equilibrio k es igual a las actividades de los productos de la reacción, cada cual elevada a la potencia de su coeficiente en la ecuación de la reacción, multiplicadas entre sí y divididas por las actividades de los reactivos en la reacción, cada cual elevada a la potencia de sus coeficientes en la ecuación de la reacción y multiplicadas entre sí. En otras palabras, para cualquier reacción genérica como la siguiente: aA + bB --> cC + dD la ecuación de la constante de equilibrio es k = [(actividad de C^c) * (actividad de D^d)] / [(actividad de A^a) * (actividad de B^b)] En general, puedes aproximarte a las actividades como se indica a continuación. Para un líquido puro o sólido puro, la actividad es 1, así que los líquidos y sólidos puros nunca aparecen en la expresión de la constante de equilibrio. La actividad de un soluto, en cambio, será su concentración, mientras que la actividad de un gas será su presión parcial. Ejemplo: en H2 + Br2 <----> 2 HBr, tanto los reactivos como los productos son gases, así que la actividad es igual a su concentración expresada como presión parcial. La expresión de la constante de equilibrio, entonces, es como se indica a continuación: K = (presión parcial de HBr)^2/ [(presión parcial de H2) * (presión parcial de Br2)] Nota que elevas al cuadrado la presión parcial del HBr, dado que tiene un coeficiente de 2 en la ecuación de la reacción.

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    Dibuja una tabla ICE (ICE es una regla mnemotécnica para Inicial->Cambio->Equilibrio). Esta tabla tendrá tres filas y una columna para cada reactivo y producto. Las tres filas serán la concentración inicial de cada compuesto, luego del cambio de concentración y, por último, la concentración en el equilibrio de cada uno. Usa la letra x como una variable para representar las concentraciones de los datos desconocidos. Ejemplo: en la reacción del HBr, tienes tres filas (Inicial, Cambio y Equilibrio) en tu tabla y tres columnas (HBr, Br2 y H2). La concentración inicial de HBr es 0; la concentraciones iniciales del H2 y Br2 te las deberían proporcionar en el problema, así que, para este ejemplo, asume que las presiones parciales iniciales de cada uno es de 1 bar. El cambio en concentración durante la reacción de ambos compuestos es desconocida, así que las llamarás x. Para cada molécula que reacciona de H2 y Br2, se forman dos moléculas de HBr, por lo tanto, el cambio en la concentración del HBr es de 2x. Y la concentración en el equilibrio de cada compuesto será igual a la concentración inicial más o menos el cambio. En consecuencia, la concentración en el equilibrio del HBr es igual a 0 + 2x, mientras que las concentraciones en el equilibrio, tanto para el Br2 como para el H2, son iguales a 1 - x.

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    Sustituye los valores de tu tabla ICE en la ecuación de la constante de equilibrio. Ejemplo: tu ecuación de la constante de equilibrio era así: K = (presión parcial del HBr)^2 / [(presión parcial del H2) * (presión parcial del Br2)] A partir de tu tabla ICE, sabes que la presión parcial de HBr es 2x, mientras que las presiones parciales del H2 como del Br2 son de 1-x. Por lo tanto, substituye estos valores en la ecuación de la constante de equilibrio para obtener lo siguiente: K = (2x)^2 / [(1 - x)(1 - x)]

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    Simplifica tu ecuación de la constante de equilibrio y conviértela en una ecuación cuadrática con los tres términos igualados a cero. Para esta parte necesitarás algo de álgebra (es posible que necesites repasar lo que aprendiste en el secundario). Ejemplo: si ves tu ecuación K = (2x)^2 / (1 - x)(1 - x), puedes multiplicar ambos lados por el denominador de la fracción para obtener lo siguiente: K (1 - x)(1 - x) = (2x)^2 Ahora expande los dos términos entre paréntesis del lado izquierdo, realizando las operaciones de multiplicación para obtener lo siguiente: K + K x^2 - 2Kx = (2x)^2 Ahora resta el miembro de la derecha a ambos lados para obtener lo siguiente: K x^2 - 4x^2 - 2 Kx + K = 0 A continuación, combina los dos primeros términos para obtener lo siguiente: (K - 4) x^2 - 2 Kx + K = 0 Ahora puedes usar la fórmula cuadrática para resolver esta ecuación.

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    Usa la fórmula cuadrática para resolver para x. Recuerda reemplazar el valor de K que te dieron antes para poder resolver el problema. También recuerda que la fórmula cuadrática tiene esta forma: x = [-b +/- (b^2 - 4ac)^1/2 ]/ 2a, donde a, b y c son los coeficientes para los tres términos de la ecuación cuadrática. Ejemplo: sabes que K = 3,8 x 10^4. Puedes substituir este valor en la ecuación como se indica a continuación: 37996 x^2 - 76000 x + 3.8 x 10^4 = 0 Puedes reemplazar estos valores en la ecuación de la fórmula cuadrática, donde a = 37996, b = -76000 y c = 3.8 x 10^4. Una vez que hagas esto, obtendrás dos resultados, como suele ser para la fórmula cuadrática. En este caso, estos resultados son 0,989 y 1,01. El segundo resultado no tiene sentido, porque no puedes consumir una cantidad mayor de reactivo del que tenías al empezar la reacción. Por lo tanto, el primer resultado, 0,989, es el correcto.

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    Reemplaza el valor que has calculado mediante la tabla ICE para determinar la concentración final de los productos y los reactivos. Ejemplo: 0,989 bar es x. Pero si recuerdas de la tabla ICE, la concentración final del HBr era de 2x, mientras que las concentraciones finales del Br2 y del H2 eran de 1 - x. Por lo tanto, la nueva presión parcial del HBr = 2 x 0,989 = 1,98 bar, mientras que las nuevas presiones parciales de H2 y Br2 son de 0,011 bar cada una (aproximadamente).

Consejos y advertencias

  • Una vez que domines el truco, esto se volverá bastante simple. Los errores más comunes y frustrantes no suelen relacionarse con la parte de la química, sino con la parte de la matemática, en particular con la fórmula cuadrática. Es fácil introducir un número incorrecto en tu calculadora y luego terminar preguntándote por qué tu respuesta no tiene el menor sentido. Asegúrate de verificar dos veces tu trabajo.

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