Calculadora de Constante de Equilibrio (K) - Calcular Kc para Reacciones Químicas

¿Qué es una constante de equilibrio?

Una reacción que puede avanzar en ambos sentidos es una reacción reversible. Alcanza el equilibrio cuando las reacciones directa e inversa ocurren a la misma velocidad, de modo que las cantidades de cada sustancia dejan de cambiar. La constante de equilibrio (K) es un número que compara la cantidad de producto con la de reactivo en ese momento. Esta calculadora halla K a partir de las concentraciones y los coeficientes introducidos.

Fórmula de la constante de equilibrio

Para una reacción ajustada:

$aA + bB \rightleftharpoons cC + dD$

la expresión de la constante de equilibrio es:

$K = \frac{[C]^c [D]^d}{[A]^a [B]^b}$

Los productos van arriba y los reactivos abajo. A una temperatura dada, esta razón es constante en el equilibrio, una regla conocida como ley de acción de masas. Los corchetes significan «concentración en moles por litro (mol/L)». Cada concentración se eleva a la potencia de su coeficiente en la ecuación balanceada.

Cómo calcular la constante de equilibrio

1. Escriba la ecuación ajustada y anote cada coeficiente.
2. Determine cada concentración en el equilibrio, no al inicio de la reacción.
3. Eleve cada concentración a la potencia de su coeficiente.
4. Multiplique entre sí los términos de los productos y, por separado, los términos de los reactivos; después, divida el primer resultado por el segundo.

Ejemplo: formación de yoduro de hidrógeno

La reacción H₂ + I₂ ⇌ 2HI alcanza el equilibrio en un recipiente cerrado. Las concentraciones medidas son:

• [H₂] = 0,2 mol/L
• [I₂] = 0,1 mol/L
• [HI] = 0,4 mol/L

$K = \frac{[HI]^2}{[H_2][I_2]} = \frac{(0.4)^2}{0.2 \times 0.1} = \frac{0.16}{0.02} = 8.0$

K es cercana a 1, así que en el equilibrio hay cantidades medibles tanto de reactivos como de productos.

Ejemplo: síntesis de amoníaco (proceso de Haber)

La reacción N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃ produce amoníaco para fertilizantes. Suponga que se miden las siguientes concentraciones en el equilibrio:

• [N₂] = 0,10 mol/L
• [H₂] = 0,20 mol/L
• [NH₃] = 0,30 mol/L

$K = \frac{[NH_3]^2}{[N_2][H_2]^3} = \frac{(0.30)^2}{0.10 \times (0.20)^3} = \frac{0.09}{0.0008} = 112.5$

El coeficiente 3 de H₂ se convierte en el exponente 3 en la fórmula. Un valor de K superior a 100 significa que, en estas condiciones, la reacción favorece a los productos.

Qué se incluye en la expresión de equilibrio

En K solo figuran los gases y las sustancias disueltas. Los sólidos puros y los líquidos puros se omiten, porque su concentración permanece igual sin importar cuánto haya. Para la reacción CaCO₃(s) ⇌ CaO(s) + CO₂(g), la expresión es simplemente K = [CO₂]. Los dos sólidos se descartan.

Un valor de K solo se aplica a la temperatura a la que se midió. Cambiar la temperatura cambia la propia K. Un cambio de presión puede desplazar las cantidades de gases en el equilibrio, pero no cambia K. Un catalizador acelera por igual las reacciones directa e inversa, por lo que el equilibrio se alcanza antes sin que K cambie.

Tipos de constantes de equilibrio

Los químicos utilizan distintas denominaciones según lo que se mida.

• Kc: se basa en concentraciones en mol/L. Esto es lo que calcula la calculadora anterior.
• Kp: se basa en las presiones parciales de los gases y se relaciona con Kc mediante Kp = Kc(RT)^Δn, donde Δn es el número de moles de gas producto menos el de moles de gas reactivo.
• Ka y Kb: describen hasta qué punto un ácido débil o una base débil se disocia en agua.
• Ksp: describe cuánto se disuelve un sólido en agua; se denomina producto de solubilidad.

Todas siguen la misma regla: productos sobre reactivos, cada uno elevado a su coeficiente.

Uso de la calculadora

Se elige cuántos reactivos y productos tiene la reacción, hasta cinco de cada uno. Para cada sustancia se introduce su concentración en mol/L y su coeficiente de la ecuación balanceada. La calculadora multiplica ambos lados y divide de forma automática. Los resultados superiores a 1000 o inferiores a 0,001 se muestran en notación científica, por ejemplo 1.2340e+4 en lugar de 12340.

Un error frecuente consiste en introducir las concentraciones iniciales en lugar de las concentraciones en el equilibrio. Eso proporciona el cociente de reacción, Q, en vez de K. Q utiliza la misma fórmula que K, pero puede calcularse en cualquier punto de la reacción, no solo en el equilibrio. Comparar Q con K indica en qué dirección debe desplazarse aún la reacción: si Q es menor que K, la reacción avanza hacia los productos; si Q es mayor que K, avanza hacia los reactivos.

Preguntas frecuentes

¿Qué significa que el valor de K sea grande o pequeño?

Un valor de K mucho mayor que 1 significa que la reacción favorece a los productos en el equilibrio. Un valor de K mucho menor que 1 significa que favorece a los reactivos. Un valor de K cercano a 1 significa que ambos lados están presentes en cantidades similares.

¿Por qué se omiten los sólidos y los líquidos en la expresión de K?

Porque su concentración no cambia. Un bloque de sólido tiene la misma densidad, tanto si es grande como si es pequeño, por lo que incluirlo solo multiplicaría K por una constante que nunca cambia.

¿La temperatura cambia K?

Sí. Aumentar la temperatura incrementa K en las reacciones que absorben calor y la reduce en las reacciones que liberan calor. Un valor de K solo es válido a la temperatura a la que se determinó.

¿La presión o un catalizador cambian K?

No. Un catalizador acelera la velocidad con la que una reacción alcanza el equilibrio, pero no modifica el equilibrio en sí. La presión puede cambiar las concentraciones de los gases en el equilibrio, pero la K calculada a partir de esas nuevas concentraciones permanece igual.

¿Puede ser negativa K?

No. K sale de concentraciones, que siempre son positivas, elevadas a potencias enteras positivas. La calculadora solo acepta concentraciones mayores que cero y coeficientes enteros de 1 o más. Intercambiar reactivos y productos da 1/K, que sigue siendo positivo.

¿Cuál es la diferencia entre K y Q?

K describe una reacción una vez que alcanza el equilibrio. Q utiliza la misma fórmula, pero funciona con concentraciones correspondientes a cualquier otro momento. Comparar Q con K permite predecir en qué dirección se desplazará la reacción a continuación.

Historia

Los químicos noruegos Cato Guldberg y Peter Waage propusieron la ley de acción de masas en 1864. De ella surgió la expresión de la constante de equilibrio que se usa hoy. El químico neerlandés Jacobus van 't Hoff determinó después cómo depende K de la temperatura, parte de la investigación que le valió el primer Premio Nobel de Química, en 1901.

Referencias

1. OpenStax, Universidad Rice. Chemistry 2e, sección 13,2 "Equilibrium Constants". Chemistry 2e: Equilibrium Constants — ley de acción de masas, solo las especies gaseosas y los solutos figuran en K, y Kp = Kc(RT)^Δn.
2. OpenStax, Universidad Rice. Chemistry 2e, sección 13,3 "Shifting Equilibria: Le Châtelier's Principle". Chemistry 2e: Le Châtelier's Principle — un catalizador no cambia la constante de equilibrio.
3. Nobel Prize Outreach. The Nobel Prize in Chemistry 1901. Premio Nobel de Química 1901 — concedido a Jacobus Henricus van 't Hoff por las leyes de la dinámica química y de la presión osmótica.