Cuando llevamos a cabo una reacción química, es lógico que tengamos la misma cantidad de producto que de reactivo, ¿verdad?
Sin embargo, en algunas ocasiones de la vida cotidiana puede parecer que esto no es real. Por ejemplo, cuando hervimos agua:
En un principio, digamos que tenemos 1 litro de agua; si la dejamos hervir completamente, la olla se quedará vacía y esta agua habrá desaparecido... ¿O no? Bien, pues esto no es real, el agua no ha desaparecido, sino que se ha evaporado. Ahora tendremos exactamente 1 litro de vapor de agua que no podemos ver, pero que se queda en el aire.
Fig. 1: Cuando hervimos 1 litro de agua, por ejemplo, hasta que ya no quede nada en la cazuela, esta no ha desaparecido, sino que está evaporada. Si tuviéramos un medio para recoger todo el vapor de agua que se forma a, cuando, deberíamos tener 1L de vapor de agua.
Este fenómeno ocurre gracias a la ley de acción de masas. ¡Sigue leyendo para aprender más sobre esto!
- Este artículo es sobre la ley de acción de masas.
- En primer lugar, veremos qué es la ley de acción de masas.
- A continuación, aprenderemos qué son las reacciones químicas reversibles, así como su representación, su relación con el equilibrio químico y la predicción del sentido de estas reacciones.
- Posteriormente, estudiaremos qué es una constante de equilibrio.
- Después, analizaremos qué son las constantes de equilibrio Kc y Kp, y veremos su relación.
- Para terminar, descubriremos qué es la constante de disociación.
¿Qué es la ley de acción de masas?
La ley de acción de masas (también conocida como ley de masas) nos dice que en las reacciones químicas reversibles que se encuentren en el equilibrio tiene que haber una relación entre la concentración de los reactivos y la concentración de los productos.
Es muy importante que tengas en cuenta que esto es para reacciones químicas reversibles, ¿Sabes lo que son? Comprúebalo con este repaso:
Reacciones químicas reversibles
Una reacción reversible es aquella en la que los reactivos forman productos. Estos, a su vez, pueden reaccionar para formar de nuevo los reactivos
- Se diferencia de las reacciones no reversibles en que esas solamente se producen en una dirección.
Una reacción reversible está formada por dos reacciones distintas:
- Se conoce como reacción directa aquella en la que los reactivos reaccionan para generar los productos.
- Se conoce como reacción inversa o reacción hacia atrás en la que los productos reaccionan para dar lugar a los reactivos.
¿Cómo se representan las reacciones químicas reversibles?
Ya sabemos que las reacciones reversibles se componen de dos reacciones separadas: la reacción directa y la reacción inversa. Pero, en lugar de escribir ambas reacciones por separado, podemos combinarlas utilizando dos flechas de media punta, para mostrar una reacción reversible, con este símbolo:
$$\rightleftharpoons$$
Por lo tanto, todas las reacciones químicas reversibles tienen la siguiente fórmula general:
$$aA_{(aq)}+bB_{(aq)}\rightleftharpoons cC_{(aq)}+dD_{(aq)}$$
Vamos a ver un ejemplo de estas reacciones:
Los reactivos A y B reaccionan para formar el producto C (reacción directa). A continuación, C puede descomponerse para dar A y B de nuevo (reacción inversa). Podemos representar esta reacción reversible utilizando dos ecuaciones separadas, o podemos combinarlas para obtener una ecuación global. Veamos cómo se representa cada una de ellas:
Reacción directa:
$$A+B\rightarrow C$$
Reacción inversa:
$$C\rightarrow A+B$$
Reacción general:
$$A+B\rightleftharpoons C$$
¡Ahora ya sabes representar las reacciones químicas reversibles!
Relación entre las reacciones químicas reversibles y el equilibrio químico
Cuando estamos llevando a cabo una reacción química reversible durante bastante tiempo y en un sistema cerrado, pueden ocurrir dos cosas:
- Si empezamos la reacción con una gran cantidad de reactivos, al principio podremos observar que se produce en mayor medida la reacción directa. En cuanto se van formando más productos, la reacción inversa comenzará a ocurrir.
- Si empezamos la reacción con una gran cantidad de productos, ocurrirá lo contrario: al principio se producirá en mayor cantidad la reacción inversa; pero, a medida que se vayan recuperando los reactivos, se llevará a cabo la reacción directa.
La realidad es que da igual cómo empieces la reacción: ya sea con muchos reactivos o con muchos productos, al final alcanzarás un punto de equilibrio. En este punto, la velocidad de la reacción directa y la velocidad de la reacción inversa es la misma y las concentraciones de reactivos y productos no cambian. A esto lo llamamos equilibrio dinámico.
En determinadas condiciones, un equilibrio dinámico tiene una cierta proporción entre reactivos y productos. No importa si empiezas con muchos reactivos o muchos productos: siempre que mantengas constantes variables como la temperatura y la concentración, acabarás con el mismo equilibrio.
Expresamos la relación entre reactivos y productos en un sistema en equilibrio mediante la constante de equilibrio, Keq. Veremos esto en profundidad más adelante.
Predicción del sentido de una reacción química reversible
Gracias a lo que hemos visto hasta este punto, podemos saber cuál es el sentido de una reacción química reversible y el efecto que tendrá sobre los reactivos y los productos. Resumámoslo de la siguiente manera:
- Si la velocidad de la reacción directa es mayor que la velocidad de la reacción inversa, habrá una mayor cantidad de reactivos que se conviertan en productos; esto resultará en una concentración mayor de productos.
- Si la velocidad de la reacción inversa es mayor que la velocidad de la reacción directa, habrá una mayor cantidad de productos que se están convirtiendo en reactivos; así, la concentración de los reactivos será mayor.
- Si la velocidad de la reacción directa y la velocidad de la reacción inversa son iguales, el sistema está en equilibrio dinámico y no hay producción neta de productos ni de reactivos.
Constante de disociación
Una constante de disociación es un tipo de constante de equilibrio que mide la tendencia de una especie a disociarse (separarse) en componentes más pequeños.
Las constantes de disociación son constantes de equilibrio, por lo que nos indican qué aspecto del equilibrio se ve favorecido:
- Si la constante de disociación es grande (>1), significa que se favorecen los productos; es decir, se favorece la disociación.
- Si la constante de disociación es pequeña (<1), significa que se favorece al reactivo; es decir, la especie tiende a no disociarse.
Existen varios tipos de constantes de disociación:
- La constante de disociación general: Kc.
- La constante de disociación de ácidos: Ka.
- La constante de disociación de bases: Kb.
- La constante de disociación del agua: Kw.
Veamos qué es cada una de ellas:
¿Qué es Kc en química?
La constante de disociación general (Kc) mide la tendencia de una especie a descomponerse en sus componentes.
La constante de disociación puede utilizarse para procesos como la disociación de una sal o la disociación de un complejo de coordinación (compuesto con un centro metálico unido a otras especies, llamadas ligandos).
Profundizaremos en esta constante más adelante, pues es muy importante para la comprensión de este tema.
¿Qué es Ka en química?
La constante de disociación ácida (Ka) mide la fuerza de un ácido.
La base conjugada es la especie que resulta de la pérdida de su protón (y que ahora puede actuar como base).
¿Qué es Kb en química?
La constante de disociación de una base (Kb) mide su fuerza.
El ácido conjugado es la especie que resulta cuando la base gana un protón y, como consecuencia, puede actuar como ácido).
¿Qué es Kw en química?
La constante de disociación del agua (Kw) describe cómo se disocia el agua en sus iones.
Ya que hemos aclarado lo necesario, podemos avanzar a las constantes de equilibrio:
¿Qué es una constante de equilibrio?
Una constante de equilibrio, generalmente representada como Keq, nos indica cuáles son las cantidades relativas de reactivos y productos en una reacción que se encuentra en equilibrio.
A continuación, veremos dos constantes muy importantes en química:
- La constante de equilibrio Kc
- La constante de equilibrio Kp.
Constante de equilibrio Kc
La constante de equilibrio Kc es la que relaciona la concentración de los reactivos y la concentración de los productos en una reacción reversible en equilibrio.
Cuando hablamos de la constante de equilibrio Kc, debemos tener en cuenta dos aspectos:
- Cuanto mayor sea el valor de Kc, mayor será la proporción de producto respecto al reactivo en el equilibrio.
- El valor de Kc para una reacción concreta a una temperatura determinada es siempre el mismo, independientemente de la cantidad de productos o reactivos con la que empiece la reacción.
¿Cómo calcular la constante de equilibrio Kc?
Antes de ver la fórmula para calcular Kc, recordemos la ecuación general para las reacciones reversibles, que hemos visto anteriormente:
$$aA_{(aq)}+bB_{(aq)}\rightleftharpoons cC_{(aq)}+dD_{(aq)}$$
Ahora sí, podemos avanzar a la fórmula para calcular Kc:
$$Kc=\frac {{[C]_{eq}}^c{[D]_{eq}}^d}{{[A]_{eq}}^a{[B]_{eq}}^b}$$
Donde:
- [C]: Es la concentración de C en el equilibrio, en mol·L-1 .
- c: Es la relación molar. Significa que tomamos la concentración de C y la elevamos a la potencia del número de moles de C, que se da en la ecuación de reacción.
- [D]: Es la concentración de D en el equilibrio, en mol·L-1 .
- d: Es la relación molar. Significa que tomamos la concentración de D y la elevamos a la potencia del número de moles de D, que se da en la ecuación de reacción.
- [A]: Es la concentración de A en el equilibrio, en mol·L-1 .
- a: Es la relación molar. Significa que tomamos la concentración de A y la elevamos a la potencia del número de moles de A, que se da en la ecuación de reacción.
- [B]: Es la concentración de B en el equilibrio, en mol·L-1 .
- b: Es la relación molar. Significa que tomamos la concentración de B y la elevamos a la potencia del número de moles de B, que se da en la ecuación de reacción.
La siguiente imagen desglosa la fórmula para calcular Kc:
Fig. 2: Detalle gráfico de la fórmula de Kc.
Hay que tener en cuenta que esta fórmula aplica a las sustancias que se encuentran en un equilibrio homogéneo.
Un equilibrio homogéneo es aquel que se da entre sustancias que se encuentran en el mismo estado de agregación.
Kc en un equilibrio heterogéneo
Un equilibrio heterogéneo es aquel que se da entre sustancias que se encuentran en distinto estado de agregación.
La siguiente es el detalle de la fórmula de Kc para un equilibrio heterogéneo:
Fig. 3: Esquema de la fórmula para calcular Kc en un equilibrio heterogéneo.
Constante de equilibrio Kp
La constante de equilibrio Kp se basa en las presiones parciales y sirve para saber cuál es la relación entre los productos y los reactivos, siempre en una reacción que se encuentra en equilibrio químico.
La constante de equilibrio Kp es una relación para reacciones reversibles que se encuentran en equilibrio. La principal diferencia que presenta con la constante de equilibrio Kc, es que, en el caso de Kp, se utilizan las presiones parciales de los gases.
¿Cómo calcular Kp?
Supongamos que tenemos la siguiente reacción de gases:
$$aA_{(g)}+bB_{(g)}\rightleftharpoons cC_{(g)}+dD_{(g)}$$
Para determinar Kp, utilizaremos la siguiente fórmula:
$$Kp=\frac {{p_C}^c \cdot {p_D}^d}{{p_A}^a \cdot {p_B}^b}$$
Donde:
- pAa: es la presión parcial de A, elevada a la potencia del coeficiente dado en la reacción química ajustada o balanceada.
- pBb: es la presión parcial de B, elevada a la potencia del coeficiente dado en la reacción química ajustada.
- pCc: es la presión parcial de C, elevada a la potencia del coeficiente dado en la reacción química ajustada.
- pDd: es la presión parcial de B, elevada a la potencia del coeficiente dado en la reacción química ajustada.
Relación entre Kc y Kp
Podemos calcular Kp a partir de Kc, y viceversa, gracias a que tenemos una fórmula que relaciona ambas.
La fórmula de relación entre Kc y Kp es la siguiente:
$$Kp=Kc(RT)^{\Delta n_{(g)}}$$
- Donde: \(\Delta n_{(g)}\) es la diferencia en el número de moles de gas entre los productos y los reactivos.
Ley de Acción de masas - Puntos clave
- La ley de acción de masas nos dice que, en las reacciones químicas reversibles que se encuentren en el equilibrio, tiene que haber una relación entre la concentración de los reactivos y la concentración de los productos; es decir, es necesario que haya la misma cantidad de reactivos y de productos.
- Una reacción reversible es una reacción química en la que los reactivos forman productos que, a su vez pueden reaccionar para formar de nuevo los reactivos.
- Una constante de disociación es un tipo de constante de equilibrio que mide la tendencia de una especie a disociarse (separarse) en componentes más pequeños.
- La constante de equilibrio Kc es una constante de equilibrio que relaciona la concentración de los reactivos y la concentración de los productos en una reacción reversible en equilibrio.
- La constante de equilibrio Kp se basa en las presiones parciales y sirve para saber cuál es la relación entre los productos y los reactivos, siempre en una reacción que se encuentra en equilibrio químico.
References
- Fig. 1: Water boiling in cooking pot (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:2008-07-05_Water_boiling_in_cooking_pot.jpg) by Ildar Sagdejev (Specious) (https://commons.wikimedia.org/wiki/User:Specious) is licensed by CC BY-SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0).
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