En química , una constante de equilibrio caracteriza el estado de equilibrio de un sistema químico. Por lo tanto, está asociado con un estado del sistema que no puede evolucionar espontáneamente . El valor de la constante de equilibrio depende únicamente de la reacción química considerada y de la temperatura . Las constantes de equilibrio se dan generalmente en 25 ° C .
Claude-Louis Berthollet fue el primero, en 1803 , en comprender que no todas las reacciones químicas son completas. En su Prueba Química Estática , escribió la primera fórmula que permite definir a priori las cantidades presentes en el equilibrio. Fue observando las orillas de un "lago de natrón " durante una expedición a Egipto con Napoleón Bonaparte y Gaspard Monge que llegó a esta conclusión, original para la época. Los bordes del lago salado se cubrieron con carbonato de sodio . Estableció que los dos reactivos ( cloruro de sodio - sal - y carbonato de calcio ) también reaccionan con los productos de reacción .
Considerando la siguiente ecuación química:
o :
La constante de equilibrio está definida por la relación:
o :
La constante de equilibrio K es, por tanto, una cantidad sin unidad.
La actividad química de una especie es la influencia de la cantidad de una especie sobre la energía libre del sistema. Se define esquemáticamente como la " concentración activa" de la especie en solución. Ella es :
La entalpía libre estándar: de una reacción química realizada a temperatura ( T ) y presión ( P ) constantes, está relacionada con la constante de equilibrio por la relación:
donde R es la constante del gas ideal y T es la temperatura absoluta (en Kelvins ).
De donde :
La constante de equilibrio es, por tanto, una cantidad termodinámica (caracteriza el equilibrio del sistema) y no tiene ningún efecto sobre la cinética (velocidad de reacción) de este sistema.
Para la reacción:
al señalar para designar los productos, la constante de equilibrio se escribe:
o :
Para el cálculo de la constante de equilibrio se toman en cuenta los valores de las actividades de las diferentes especies involucradas cuando se alcanza el equilibrio de la reacción. Si cambiamos la actividad química de una de las especies involucradas (cambiando la concentración de una especie en solución o la presión parcial de un gas), entonces el equilibrio se desplaza (si la reacción estaba en un estado de equilibrio, debido a esto modificación ya no está en equilibrio).
Un factor de equilibrio es una variable de estado que, cuando se cambia, cambia el equilibrio de la reacción.
Variables de estadoUna variable de estado caracteriza el estado de equilibrio del sistema, por ejemplo:
A continuación, se incluye una lista no exhaustiva de los principales factores de equilibrio:
El cociente de reacción permite caracterizar el progreso de una reacción y así predecir su evolución. Es el valor que toma la expresión de la constante de equilibrio cuando el sistema de reacción está fuera de equilibrio.
Formula general ; de hecho, la fórmula es casi idéntica a la de la constante de equilibrio, pero aquí las actividades se toman en el momento en que la reacción no se completa y no en el equilibrio.usarPara predecir la dirección de evolución del sistema, comparamos la constante de equilibrio y el cociente de reacción de la reacción estudiada; el sistema debe evolucionar hacia Q R = K ( T ):
De hecho, es gracias a la ley de la moderación que pudimos sacar estas conclusiones.
Las principales constantes de equilibrio se presentan en la siguiente tabla:
Equilibrio constante | Símbolo | Tipo de balanza |
---|---|---|
Producto iónico del agua | K e | Disociación del agua |
Producto de solubilidad | K s | Equilibrio heterogéneo entre una sustancia poco soluble y sus iones en una solución saturada |
Constante de disociación ( constante de acidez y constante de basicidad ) | K a y K b | Disociación de un ácido débil o una base débil. |
Constante de complejación | ß n | Formación de un ion complejo |
Comparte o distribuye constante | K D | Equilibrio de distribución entre disolventes inmiscibles |
Luego definimos la constante de acidez:
donde C 0 es 1 mol L -1 . Por tanto, K A no tiene unidades. El índice f significa "final", es decir en equilibrio (se evita utilizar la notación eq que los neófitos a veces asocian erróneamente con "equivalencia").Cuanto mayor sea la constante de acidez, más ácido se disociará en el agua y, por tanto, más fuerte será el ácido.
Por conveniencia, a menudo se usa p K a en lugar de K a , definido como :; p K ha menudo tabulados a 25 ° C .
Así, cuanto menor sea el p K a (no confundir con la constante de acidez), más fuerte es el ácido y, por tanto, más se disuelve en agua.
Luego tenemos: e igualmente .
Durante la reacción en agua de un ácido (A 1 H) y una base (A 2 - ), es posible determinar a partir de la constante de acidez el estado de la reacción: equilibrio muy poco avanzado ([A 1 - ] = [ A 2 - ]), total.
Formula general usarLa cantidad K s mide la solubilización de sales en un solvente dado. Si en el solvente dado la sal AB se descompone de acuerdo con la ecuación
,el producto de solubilidad K s se define por:
(valores en saturación , es decir en el equilibrio entre sal precipitada y sal disuelta).Cuanto mayor sea la K s , más soluble será la sal estudiada en el disolvente.