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Equilibrio químico: Kc, Kp, Q y energía de Gibbs

En un recipiente cerrado, una reacción reversible va en los dos sentidos. Pasado un tiempo, la velocidad de ida y la de vuelta se igualan, así que las cantidades dejan de cambiar, pero la reacción no se detiene. Eso es el equilibrio dinámico. En el equilibrio, el cociente entre productos y reactivos (cada uno elevado a su coeficiente) es un número fijo: la constante de equilibrio K. Kc usa concentraciones, Kp usa presiones parciales y Kp = Kc(RT)^Δn. Los sólidos y líquidos puros no se escriben en K. El cociente de reacción Q indica el sentido: Q < K va hacia la derecha, Q > K va hacia la izquierda, Q = K es equilibrio. K y la energía de Gibbs están unidas: ΔG = ΔG° + RT ln Q y ΔG° = −RT ln K.

🎬 Historia paso a paso

  1. Una caja cerrada empieza solo con N₂O₄. Algunas parejas grises se rompen en NO₂ marrón, y algunas moléculas de NO₂ se vuelven a unir. Después de un rato los recuentos dejan de cambiar, pero las moléculas siguen cambiando. Esto es el equilibrio dinámico.
  2. Empieza con las cantidades que quieras. En el equilibrio, [NO₂]² ÷ [N₂O₄] siempre da el mismo número. Ese número fijo es la constante de equilibrio Kc.
  3. En los gases podemos usar presiones en lugar de concentraciones. Así obtenemos Kp. Aquí los moles de gas cambian en Δn = 2 − 1 = 1, así que Kp = Kc × RT.
  4. Ahora una caja con un sólido: CaCO₃(s) ⇌ CaO(s) + CO₂(g). Haz el sólido más grande o más pequeño. La presión de CO₂ no cambia. Por eso los sólidos no entran en K.
  5. Añadimos NO₂ de más. Ahora el cociente de reacción Q es mayor que K. La reacción va hacia atrás hasta que Q vuelve a ser K. El signo de ΔG = RT ln(Q/K) muestra el sentido.
  6. Juego libre: añade N₂O₄ o NO₂ y mira cómo el sistema encuentra otra vez el camino hasta K.

Consejo: arrastra la escena 3D para girarla. Usa dos dedos para hacer zoom.

🤔 Dudas comunes, resueltas

Si las cantidades dejan de cambiar, ¿se ha detenido la reacción?

No. Las dos reacciones continúan a la misma velocidad. En el 3D, parejas y moléculas sueltas siguen intercambiándose mientras los recuentos se mantienen estables.

¿Depende K de cuánto pongo al empezar?

No. Cambia los deslizadores de inicio: el cociente final [NO₂]²/[N₂O₄] siempre llega al mismo Kc a temperatura fija.

¿Cuándo es Kp igual a Kc?

Cuando Δn (moles de gas) = 0, porque (RT)⁰ = 1. Para N₂O₄ ⇌ 2NO₂, Δn = 1, así que Kp = Kc × RT.

¿Por qué dejamos los sólidos fuera de K?

La concentración de un sólido está fijada por su densidad. El 3D muestra que un bloque de CaCO₃ más grande o más pequeño da la misma presión de CO₂.

¿Cómo indican Q y K el sentido?

Q usa las cantidades actuales. Si Q > K hay demasiado producto, así que la reacción va hacia atrás. En el 3D, el NO₂ extra hace que Q > K y el recuento de marrones baja otra vez.

¿Una K grande significa una reacción rápida?

No. K dice hasta dónde llega la reacción, no lo rápida que es. La rapidez depende de la energía de activación y de la temperatura.

Equilibrio dinámico en procesos físicos y químicos

Equilibrio significa balance. Solo se alcanza en un sistema cerrado (nada entra ni sale).

Procesos físicos: en una botella cerrada, el agua se evapora y el vapor se condensa. Pasado un tiempo ambos ocurren a la misma velocidad, y la presión de vapor se vuelve constante. El hielo y el agua a 0 °C, y una disolución saturada de azúcar con azúcar de sobra en el fondo, son otros ejemplos.

Procesos químicos: en una reacción reversible, los reactivos forman productos y los productos vuelven a formar reactivos. Al principio la velocidad de ida es alta. Al acumularse productos, sube la velocidad de vuelta. Cuando las dos velocidades se igualan, las cantidades dejan de cambiar.

Se llama dinámico porque la reacción nunca se detiene. Las moléculas siguen reaccionando en los dos sentidos; solo que no vemos ningún cambio neto. Puedes llegar al mismo equilibrio empezando desde cualquiera de los dos lados.

Pruébalo: en el 3D, en el paso 1, mira los recuentos de grises y marrones. Se estabilizan, pero parejas y moléculas sueltas siguen intercambiándose.

Ley del equilibrio y constante de equilibrio Kc

Para una reacción general aA + bB ⇌ cC + dD, a temperatura fija:

Kc = [C]c[D]d / [A]a[B]b

Los corchetes significan concentración molar (mol/L) en el equilibrio. Esta es la ley del equilibrio químico (ley de acción de masas). Los productos van arriba, los reactivos abajo, y cada uno se eleva a su coeficiente.

Reglas para recordar:

Pruébalo: en el paso 2 mueve los deslizadores de inicio. Q siempre termina en el mismo valor de Kc.

Kc y Kp: relación Kp = Kc(RT)^Δn

En los gases, la presión parcial p es proporcional a la concentración: p = (n/V)RT = [X]RT. Al sustituir esto en la expresión se obtiene:

Kp = Kc (RT)Δn, donde Δn = (moles de productos gaseosos) − (moles de reactivos gaseosos).

Usa R = 0.0831 L bar K⁻¹ mol⁻¹ con la presión en bar y T en kelvin. En Δn solo se cuentan los gases.

Equilibrios homogéneos y heterogéneos

Equilibrio homogéneo: todo está en una sola fase. Ejemplos: N₂(g) + 3H₂(g) ⇌ 2NH₃(g); CH₃COOH(aq) + C₂H₅OH(aq) ⇌ CH₃COOC₂H₅(aq) + H₂O(l) en disolución.

Equilibrio heterogéneo: hay más de una fase. Ejemplos: CaCO₃(s) ⇌ CaO(s) + CO₂(g); H₂O(l) ⇌ H₂O(g); Ni(s) + 4CO(g) ⇌ Ni(CO)₄(g).

La concentración de un sólido puro o un líquido puro es fija (su densidad no cambia), así que se toma como 1 y no se escribe en K. Por eso, para CaCO₃ ⇌ CaO + CO₂, Kp = p(CO₂). Eso sí, el sólido tiene que estar presente para que exista el equilibrio.

Pruébalo: en el paso 4 cambia la cantidad de CaCO₃. La lectura de CO₂ no se mueve.

Usos de la constante de equilibrio

1. Hasta dónde llega la reacción. K > 10³: casi todo son productos (la reacción es casi completa). K < 10⁻³: casi todo son reactivos (apenas avanza). K entre 10⁻³ y 10³: hay buenas cantidades de ambos.

2. Sentido de la reacción. Escribe Q con las cantidades actuales (no las del equilibrio). Q < K → va hacia la derecha. Q > K → va hacia la izquierda. Q = K → está en equilibrio.

3. Cantidades en el equilibrio. Usa una tabla ICE: Inicial, Cambio, Equilibrio. Pon los valores del equilibrio en K y resuelve para x.

K no dice nada sobre la rapidez con que se llega al equilibrio. Eso es cinética.

K, Q y energía de Gibbs

La energía de Gibbs decide si un cambio puede ocurrir por sí solo. Para una mezcla de reacción:

ΔG = ΔG° + RT ln Q

En el equilibrio ΔG = 0 y Q = K, así que ΔG° = −RT ln K = −2.303 RT log K. Además, ΔG = RT ln(Q/K).

Aquí usa R = 8.314 J K⁻¹ mol⁻¹ y T en kelvin. Pruébalo: en el paso 5 la lectura muestra cómo ΔG llega a 0 cuando Q vuelve a K.

Rincón del examen

La unidad de Equilibrio suele valer unos 7 puntos en el examen de CBSE de 11.º. Preguntas habituales: escribir las expresiones de Kc/Kp, la relación Kp–Kc, hallar K con tablas ICE, predecir el sentido con Q y problemas de ΔG° = −RT ln K. Escribe siempre la unidad de K cuando te la pidan e indica la temperatura.

Fórmulas y definiciones clave

Ejemplos resueltos

1. Escribe Kc para 2SO₂(g) + O₂(g) ⇌ 2SO₃(g).

Productos entre reactivos, cada uno elevado a su coeficiente: Kc = [SO₃]² / ([SO₂]²[O₂]).

2. Para H₂ + I₂ ⇌ 2HI, Kc = 50 a 700 K. Halla Kc para 2HI ⇌ H₂ + I₂ y para HI ⇌ ½H₂ + ½I₂.

Invertida: K = 1/50 = 0.02. A la mitad: K = √0.02 = 0.141.

3. Se colocan 1.0 mol de N₂O₄ en un matraz de 1 L. En el equilibrio hay 0.52 mol de NO₂. Halla Kc para N₂O₄ ⇌ 2NO₂.

NO₂ formado = 0.52 mol, así que N₂O₄ gastado = 0.26 mol. [N₂O₄] = 0.74 M, [NO₂] = 0.52 M. Kc = 0.52² / 0.74 = 0.2704/0.74 ≈ 0.37 mol/L.

4. Para N₂(g) + 3H₂(g) ⇌ 2NH₃(g), Kc = 0.5 L² mol⁻² a 500 K. Halla Kp (R = 0.0831 L bar K⁻¹ mol⁻¹).

Δn = 2 − 4 = −2. RT = 0.0831 × 500 = 41.55. Kp = 0.5 × (41.55)⁻² = 0.5 / 1726.4 ≈ 2.9 × 10⁻⁴ bar⁻².

5. Para A ⇌ B, K = 4. Una mezcla tiene [A] = 0.5 M y [B] = 1.0 M. ¿Hacia dónde irá?

Q = [B]/[A] = 1.0/0.5 = 2. Q (2) < K (4), así que la reacción va hacia la derecha y forma más B.

6. Halla ΔG° a 300 K para una reacción con K = 10 (R = 8.314 J K⁻¹ mol⁻¹).

ΔG° = −2.303RT log K = −2.303 × 8.314 × 300 × 1 = −5744 J/mol ≈ −5.74 kJ/mol. Es negativo, así que se favorecen los productos.

7. Para H₂ + I₂ ⇌ 2HI, Kc = 64. Empezamos con 1 mol de H₂ y 1 mol de I₂ en 1 L. Halla las cantidades en el equilibrio.

ICE: H₂ = 1 − x, I₂ = 1 − x, HI = 2x. Kc = (2x)² / (1 − x)² = 64. Raíz cuadrada: 2x/(1 − x) = 8 → 2x = 8 − 8x → x = 0.8. Así, H₂ = I₂ = 0.2 mol, HI = 1.6 mol.

8. ΔG° de una reacción a 298 K es +11.4 kJ/mol. Halla K.

log K = −ΔG°/(2.303RT) = −11400/(2.303 × 8.314 × 298) = −11400/5705.8 ≈ −2.0. K = 10⁻² = 0.01. Se favorecen los reactivos.

Errores comunes

Test de práctica

1. En el equilibrio dinámico:
2. Para CaCO₃(s) ⇌ CaO(s) + CO₂(g), Kp es igual a:
3. Para N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃, Δn es:
4. Si Q > K, la reacción:
5. Si ΔG° es negativo, K es:

Práctica: responde tú mismo

Escribe o elige tu respuesta y pulsa Comprobar. Usa la pista si te atascas; la solución completa aparece después de responder.

Preguntas frecuentes

¿Qué es el equilibrio químico en palabras sencillas?

Es el estado de una reacción reversible en un recipiente cerrado cuando las velocidades de ida y de vuelta son iguales, así que las cantidades de reactivos y productos se mantienen constantes.

¿Qué relación hay entre Kp y Kc?

Kp = Kc(RT)^Δn, donde Δn es el cambio en moles de gas (productos menos reactivos).

¿Cómo se relacionan ΔG° y K?

ΔG° = −RT ln K = −2.303RT log K. Un ΔG° negativo significa que K > 1.

Dónde se estudia

Canada (Ontario)Grade 12E. Chemical Systems and Equilibrium
ItalySecondaria di secondo grado – classe 3ªChemistry
ItalySecondaria di secondo grado – classe 4ªChemistry
NetherlandsHAVO 4 (bovenbouw, 2e fase)Design and experiments (part 1)
NetherlandsVWO 5Chemical processes (part 2)
PolandLiceum ogólnokształcące, klasa IKinetics, equilibrium and energetics
RomaniaClasa a XI-aChemical equilibrium
Spain2º BachilleratoChemical reactions
Ukraine11 класChemical reactions
CBSE (India)Class 11Equilibrium
England (GCSE, A level)Year 114.6 The rate and extent of chemical change
England (GCSE, A level)Year 115.6 The rate and extent of chemical change
England (GCSE, A level)Year 123.1 Physical chemistry
England (GCSE, A level)Year 133.1 Physical chemistry
USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 11Thermochemistry
USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 11Equilibrium
Japan高校(専門学科)1〜3年Advanced Chemistry
Japan高校2年Chemical change and equilibrium
South Korea고등학교 2학년Chemical equilibrium
South Korea고등학교 3학년Dynamic reactions
South Korea고등학교 3학년Reaction enthalpy and equilibrium
Germany (Bavaria)Jahrgangsstufe 12Chemical equilibrium: reversible and dynamic
FranceTerminaleMatter and its changes
Russia9 классSubstance and chemical reaction
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Russia11 классTheoretical foundations of chemistry
Russia11 классTheoretical foundations of chemistry
China高二Selective 1 Ch.2 Rate and equilibrium

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