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B2Q U05.2.1 Caracterización con concentraciones (Teoría) - Contenido educativo
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Hola a todos, soy Raúl Corraliza, profesor de química de segundo de bachillerato en el IES
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Arquitecto Pedro Gumiel de Alcalá de Henares y os doy la bienvenida a esta serie de videoclases
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de la unidad 5 dedicada al estudio del equilibrio químico. En la videoclase de hoy estudiaremos el
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equilibrio en términos de concentraciones. Esta videoclase está dedicada al estudio del
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equilibrio caracterizado en términos de concentraciones, esto es, cuando todas las
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especies químicas involucradas sean o bien gases o bien sean sólidos en disolución acuosa y con
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lo que estemos trabajando sean con disoluciones o con gases. En todo lo que sigue en esta
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videoclase y en las siguientes, lo que vamos a considerar es la misma notación para las
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reacciones químicas que habíamos utilizado en la unidad anterior hablando de la cinética
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química. Vamos a considerar que tenemos dos reactivos A y B mayúscula que se combinan
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entre sí para formar dos productos C y D mayúscula y que simultáneamente se está
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produciendo la reacción inversa en la cual C y D mayúscula se están combinando entre
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sí para volver a formar los reactivos A y B mayúscula. A, B, C y D minúscula van
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a representar los coeficientes estequiométricos de esta ecuación química ajustada.
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La expresión que permite caracterizar el equilibrio en el caso de que éste esté expresado
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en términos de concentraciones es la ley de acción de masas, cuya deducción es realmente
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sencilla en el caso en el que tanto la reacción directa como la reacción inversa son elementales.
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En este caso, podríamos escribir la ecuación cinética tanto de la reacción directa como de la reacción inversa de una forma bien sencilla,
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puesto que lo que tenemos que hacer es expresar la velocidad de reacción como la constante cinética,
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la de la reacción directa y la de la reacción inversa serán diferentes,
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multiplicada por el producto de las concentraciones de los reactivos, aquí tengo A y B en el caso de la reacción directa,
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directa, C y D en el caso de la reacción inversa, elevado a los órdenes parciales de reacción, que
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puesto que sabemos que la reacción es elemental por hipótesis, van a coincidir con los correspondientes
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coeficientes estequiométricos. Así que aquí tenemos las concentraciones de A y B elevado a
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sus coeficientes estequiométricos en el caso de la velocidad de la reacción directa y las
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concentraciones de los productos C y D elevado a sus coeficientes estequiométricos en el caso de
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la velocidad de la reacción inversa. La caracterización del equilibrio, la condición de equilibrio,
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lo que establece es que las velocidades de ambas reacciones van a ir cambiando hasta
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que en el equilibrio se igualen. Así que la condición de equilibrio es que la velocidad
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de la reacción directa y de la reacción inversa coinciden. En este caso, sustituyendo
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la ecuación cinética, lo que tendríamos es que la constante cinética de la reacción
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directa multiplicada por los productos de las concentraciones de los reactivos
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elevados a sus coeficientes estequiométricos tienen que ser igual a
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la constante cinética de la razón inversa por el producto de las
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concentraciones de los productos elevada a sus coeficientes estequiométricos.
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Podemos reorganizar esta expresión pasando a la derecha las concentraciones
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y entonces lo que haré será pasar estas concentraciones que están multiplicando
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en el miembro izquierdo a la derecha dividiendo y pasando al miembro de la izquierda todo
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aquello que no dependa de las concentraciones, o sea, las constantes cinéticas. Y para ello
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lo que voy a hacer es pasar dividiendo esta constante que tengo multiplicando en el miembro
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de la derecha. Así que lo que obtengo en última instancia es que el cociente de la
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constante cinética de la relación directa entre la constante cinética de la relación
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inversa tiene que ser igual a este factor donde aparecen las concentraciones. Si os
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Fijáis, lo que tengo son las concentraciones de los productos multiplicadas entre sí, elevadas a sus coeficientes estequiométricos,
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dividido entre las concentraciones de los reactivos multiplicadas entre sí, elevadas a sus coeficientes estequiométricos.
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Lo que tengo a la derecha es aquello que va a ir variando conforme va avanzando la reacción química y vamos alcanzando el equilibrio desde una cierta condición.
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Las concentraciones de reactivos y productos van a ir cambiando.
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Mientras que lo que tengo en el miembro de la izquierda va a ser constante dadas unas ciertas condiciones.
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Os recuerdo que las constantes cinéticas dependían de todos aquellos factores de los cuales dependiera la velocidad de reacción,
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excepto las concentraciones que eran explícitamente tenidas en cuenta.
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De acuerdo con la ecuación de Arrhenius, las constantes cinéticas dependían de la temperatura y de la energía de activación.
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Bien, si no vamos en ningún momento a añadir o eliminar un catalizador o un inhibidor químico en las reacciones químicas, veremos que las constantes cinéticas dependen fundamentalmente de la temperatura, así que el miembro de la izquierda será constante siempre y cuando mantengamos una misma temperatura constante.
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Puesto que este cociente es constante, lo que vamos a hacer es representarlo con un símbolo.
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Y vamos a denominar K mayúscula sub C, K de constante y C de concentraciones, constante de equilibrio a este miembro izquierdo.
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Y entonces esta expresión K sub C constante igual a concentraciones de productos elevado a coeficientes estequiométricos
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dividido entre concentraciones de reactivos elevado a coeficientes estequiométricos es lo
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que se denomina la ley de acción de masas. Lo que viene a querer decir es que si un determinado
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sistema donde ocurre la reacción química A más B para dar lugar a C más D se encontrará en equilibrio,
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entonces las concentraciones de reactivos y de productos deben ser tales que al sustituir en
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el miembro derecho de la lidacción de masas obtenga un valor numérico que coincida con esta
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constante de equilibrio, que va a ser característica de cada reacción química y va a depender de la
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temperatura por las mismas razones por las cuales las constantes cinéticas son características de
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cada reacción química y dependen de la temperatura. Esta deducción de la lidacción de masas, que es
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esta expresión que tenemos aquí, que hemos hecho para el caso en el cual la reacción química es
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elemental podría hacerse de una forma compleja para las reacciones complejas. Podríamos ir
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descomponiendo el mecanismo de reacción de una reacción compleja en una serie sucesiva o paralela
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de reacciones elementales, operar algebraicamente con todas ellas en cada una de las reacciones
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elementales, se cumple la ley de acciones de masa tal y como la hemos deducido, y una vez que
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hubiéramos unido todo, después de un buen rato de operar algebraicamente, lo que haríamos sería
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comprobar que incluso en el caso de las reacciones complejas se obtiene una misma expresión algebraica
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para la ley de acción de masas y lo que vamos a obtener en cualquiera de los casos tanto si la
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reacción directa inversa es elemental como si no es que el producto de las concentraciones de los
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productos elevados a sus coeficientes estequiométricos dividido entre el producto de las
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concentraciones de los reactivos elevados a sus coeficientes estequiométricos, cuando el sistema
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se encuentra en equilibrio debe dar lugar a un valor numérico que coincida con lo que es la
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constante de equilibrio para esa reacción química concreta para ese valor de temperatura. En lo que
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respecta a esta constante de equilibrio, usualmente tiene asignadas unidades dependiendo de cuáles
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sean las unidades de la concentración y de cuáles sean las molecularidades de reactivos
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y productos, o sea, los coeficientes esticométricos que nos encontramos dentro de la ecuación
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química. Si vuelvo atrás, dentro de la aleación de masas vemos que cuando nos encontramos
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en equilibrio podemos calcular las constantes sustituyendo las concentraciones y utilizando
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y utilizando esta fórmula. Podemos ver que el numerador tiene unidades de concentración elevado a C más D
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y que el denominador tiene asimismo unidades de concentración elevados a A más B.
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De tal forma que K sub C, en principio, podría tener unidades que fueran las de concentración elevados a C más D menos A y menos B.
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Bien, usualmente ya os digo que la constante de equilibrio habría de tener unidades y de hecho en muchos libros y muchos autores podréis ver que discuten las unidades de la constante de equilibrio en función de cuál sea la molecularidad de reactivos, que sería este A más B, los coeficientes estequiométricos sumados, y la molecularidad de productos, que sería este C más D, los coeficientes estequiométricos sumados.
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nosotros lo que vamos a hacer es utilizar siempre la constante de equilibrio sin unidades
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lo que vamos a hacer es considerar que la constante de equilibrio es una magnitud adimensional
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lo que vamos a hacer es considerar que lo que vamos a tener es siempre las concentraciones normalizadas
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referidas a una concentración estándar 1 molar
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y que lo que vamos a hacer es, en la ley de acción de masas,
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considerar las concentraciones en unidades de molaridad
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divididas entre esa concentración estándar 1 molar.
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De tal manera que las unidades desaparecen al dividir entre 1 molar
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y esta constante de equilibrio va a ser adimensional.
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Así pues, nosotros, en todos los ejercicios que hagamos
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y en todos los resultados numéricos que demos y los datos que leamos,
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veremos que la constante de equilibrio es adimensional y la justificación es esa.
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En la ley de acto de masas estamos sustituyendo siempre las concentraciones divididas entre 1 molar
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y el efecto aparente de esto es sencillamente eliminar las unidades.
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En cuanto a los valores numéricos concretos de la constante de equilibrio
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es muy importante darse cuenta de que el valor numérico de esta constante
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va a proporcionar una información muy importante acerca del equilibrio.
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Bien, si nosotros vemos que el valor de la constante es muy grande, mucho mayor que 1, lo que veremos es que en el equilibrio las concentraciones de los productos van a ser muy, muy, muy, muy grandes,
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mientras que las concentraciones de los reactivos van a ser muy, muy, muy pequeñas.
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Y así un número muy grande dividido entre un número muy pequeño se hace un valor muy grande.
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En el límite en el que la concentración de reactivos tiende a cero, lo que obtendríamos es un valor para la constante cinética tendiendo a infinito, como veis aquí.
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Cuando eso ocurre, cuando tenemos una constante de equilibrio con un valor muy grande, mucho más grande que 1,
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y tengamos en el equilibrio concentraciones de productos muy grandes y de reactivos muy bajas,
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diremos que el equilibrio de la reacción está desplazado hacia la derecha, hacia la formación de productos.
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Y si nosotros estuviéramos interesados en producir la reacción directa, diríamos que el rendimiento de esa reacción, de la reacción directa, es muy grande.
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En el extremo opuesto tenemos valores de la constante de equilibrio muy pequeños, mucho menores que 1, muy próximos a 0.
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En tal caso, lo que tendríamos es que cuando se alcanza el equilibrio, la concentración de los productos es muy próxima a 0 y la concentración de los reactivos es muy grande.
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Y así lo que tendríamos es un valor muy pequeño entre un valor muy grande, lo que tendríamos es un valor muy pequeño.
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En el límite en el que estos valores fueran cero y no se produjeran los productos, y si yo introduzco productos desaparecieran, lo que tendríamos es un valor de la constante próxima a cero.
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En este caso, en el que los productos desaparecen y nos quedamos solo con reactivos, decimos que el equilibrio de la reacción está desplazado hacia la izquierda, hacia la formación de reactivos.
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Y si nosotros tuviéramos interés en producir la reacción directa, diríamos que el rendimiento de esa reacción es pequeño.
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Otros dos resultados también importantes en referencia con la constante de equilibrio Kc son estos que vemos aquí.
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Nosotros podemos ajustar una reacción química de distintas maneras.
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Nosotros podemos tener un ajuste ABCD y obtener para este ajuste químico una cierta constante de equilibrio Kc de acuerdo con la elevación de masas.
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Y podríamos tener un ajuste que fuera el mismo pero proporcional. Podríamos tener 1, 1, 1, 1. O si multiplicamos todo por 3, podemos tener 3, 3, 3, 3.
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¿Afecta el ajuste químico el valor de la constante de equilibrio que obtenemos? Pues sí.
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Si nosotros tenemos la reacción química ajustada de esta manera y tenemos un valor de la constante de equilibrio y multiplicamos el ajuste por un cierto valor n,
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lo que obtendremos es una nueva constante de equilibrio para la ecuación química así ajustada
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que sería el mismo valor que tendríamos antes pero elevado a la potencia enésima.
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Por otra parte hemos mencionado anteriormente que la ordenación de reactivos y productos era meramente convencional
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que llamamos reactivos a lo que estaba a la izquierda y productos a lo que estaba a la derecha
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pero que nosotros podemos representar esa ecuación bidireccional de cualquier manera, en cualquiera de los dos sentidos.
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¿Qué ocurre si invertimos el orden en la reacción química?
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¿Le pasa algo a la constante de equilibrio?
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Bueno, pues sí.
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Si nosotros tenemos una cierta ecuación química de A más B para producir C más D
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con cierto valor de la constante de equilibrio
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y quisiéramos estudiar la reacción inversa en la cual representamos al revés
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C más D para producir A más D,
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puesto que las reacciones bidireccionales
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lo que tenemos son los dos sentidos simultáneamente,
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pero aquí estamos pensando en a más b para dar lugar a c más d y la inversa.
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Y aquí tenemos c más d para producir a más d y su inversa.
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Bien, pues en ese caso, si invertimos la ecuación química,
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la constante de equilibrio que obtenemos es la misma, pero el inverso,
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1 partido por el valor anterior de k sub c.
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Así pues, nosotros podemos tener tabuladas ciertas reacciones químicas
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y tener interés en una que sea la misma pero ajustada de una forma proporcional
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o la misma pero escrita en sentido contrario.
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Teniendo en cuenta estos dos resultados, podemos fácilmente, a partir del valor tabulado, obtener el valor de la constante de equilibrio que nos interesa para la reacción química tal y como la tengamos escrita y tal y como la tengamos ajustada.
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Lo que hemos mencionado anteriormente de la ley de acción de masa se corresponde con equilibrios homogéneos, en donde todas las especies químicas tienen concentración, o sea, son especies químicas en estado gaseoso o bien disolución esa cosa.
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¿Qué es lo que habríamos de hacer en el caso en el que tenemos equilibrios heterogéneos, donde tenemos alguna especie química que sea un sólido o bien un líquido puro?
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Utilizaremos una versión de la dilatación de masas y de la constante de equilibrio donde no aparece la concentración ni de sólidos ni de líquidos puros.
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Pues en este caso las concentraciones no se definen. El equivalente a lo que habría de ser la concentración es la densidad, que es constante para un cierto valor de temperatura, o sea, para un cierto valor de la constante que sucede el equilibrio químico.
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químico. Asimismo, lo que hemos visto anteriormente de la ley de acción de masas se corresponde con
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una situación de equilibrio químico. Cuando se alcanza el equilibrio, el producto de las
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concentraciones de los productos elevado a los coeficientes estequiométricos dividido entre el
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producto de las concentraciones de reactivos elevado a los coeficientes estequiométricos
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deben producir un valor numérico igual a la constante de equilibrio Kc, que es característica
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de cada equilibrio químico y de la temperatura. Pues bien, ¿qué es lo que ocurre si sustituimos
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en lo que habría de ser la ley de acción de masas unas concentraciones que no sabemos que sean las
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del equilibrio químico? Las concentraciones en un instante de tiempo que no sabemos que se
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corresponda con un equilibrio químico. Pues en ese caso el valor numérico que obtendríamos se
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denomina cociente de reacción se representa por el símbolo q sub c y de la comparación de este
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cociente de reacción con la constante de equilibrio podríamos deducir si el sistema se encuentra en
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equilibrio lo cual ocurre si el cociente de reacción corresponde con el mismo valor numérico
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de la constante de equilibrio o bien podríamos predecir qué es lo que le va a ocurrir al sistema
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que se encuentra fuera de equilibrio para alcanzarlo. Si el cociente de reacción produjera
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un valor numérico mayor que la constante de equilibrio, lo que podemos interpretar es que
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las concentraciones de los productos que están en el numerador del cociente de reacción son
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demasiado grandes, al tiempo que las concentraciones de los reactivos que están en el denominador del
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cociente de reacción son demasiado pequeños en comparación con lo que obtendríamos en el
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equilibrio químico. El numerador es demasiado grande, el denominador es demasiado pequeño y
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entonces el cociente, el cociente de reacción es demasiado grande en comparación con el equilibrio
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químico. En ese caso lo que podemos deducir es que la reacción inversa tendrá una mayor velocidad
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que la reacción directa. Los productos, perdón, de los cuales tenemos un exceso se van a consumir
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más deprisa, los reactivos se van a formar hasta que las concentraciones de los productos bajando
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y la de los reactivos aumentando produzcan un cociente de reacción que sea igual a la constante
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de equilibrio. Lo que decimos en este caso es que el sistema evoluciona hacia la izquierda,
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hacia la formación de los reactivos. En el caso en el que el cociente de reacción tuviera un valor
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menor que la constante de equilibrio lo que podríamos interpretar es que las concentraciones
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de los productos son demasiado pequeñas mientras que las concentraciones de los reactivos son
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demasiado grandes en comparación con las que habría de haber en el equilibrio y así un número
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demasiado pequeño ante un número demasiado grande produce un cociente el cociente de reacción mucho
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menor que la constante de equilibrio y en ese caso lo que podríamos deducir es que puesto que
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tenemos demasiados pocos productos y muchos reactivos, la reacción directa será la que
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tenga mayor velocidad frente a la velocidad de la reacción inversa. Los reactivos se van a gastar
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en mayor proporción de la que se forma por la reacción inversa y llegará un momento en el que
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la concentración de reactivos disminuya y la de productos aumente hasta que el cociente de
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reacción tome el mismo valor que la constante de equilibrio, en cuyo caso habremos alcanzado
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el nuevo equilibrio químico. Cuando esto ocurra, lo que decimos es que el sistema evoluciona hacia
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la derecha, hacia la formación de productos. En el aula virtual de la asignatura tenéis
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disponibles otros recursos, ejercicios y cuestionarios. Asimismo, tenéis más información
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en las fuentes bibliográficas y en la web. No dudéis en traer vuestras dudas e inquietudes
00:19:52
a clase o al foro de dudas de la unidad en el aula virtual. Un saludo y hasta pronto.
00:19:57
¡Gracias!
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- Idioma/s:
- Autor/es:
- Raúl Corraliza Nieto
- Subido por:
- Raúl C.
- Licencia:
- Reconocimiento - No comercial - Sin obra derivada
- Visualizaciones:
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- Fecha:
- 12 de agosto de 2021 - 18:46
- Visibilidad:
- Público
- Centro:
- IES ARQUITECTO PEDRO GUMIEL
- Duración:
- 20′ 29″
- Relación de aspecto:
- 1.78:1
- Resolución:
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