Constante de equilibrio

Definición de constante de equilibrio

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Una constante de equilibrio, K _eq, es una variable que describe la tendencia de una reacción química a completarse, lo que significa que todos los reactivos se convierten en productos. El equilibrio de una reacción es el punto en el que la conversión de reactivos en productos es igual a la conversión de productos de nuevo en reactivos.

Resumen de la constante de equilibrio

Una constante de equilibrio grande significa que la reacción avanza hacia adelante, de reactivos a productos, hasta que casi todos los reactivos se han convertido en productos. Una pequeña constante de equilibrio, o cuando K _eq es menor que uno, significa que la reacción química favorecerá a los reactivos y la reacción procederá en la dirección opuesta. Una constante de equilibrio de 1 indica que los reactivos y los productos serán iguales cuando la reacción alcance el equilibrio.

Los científicos utilizan la constante de equilibrio de una ecuación para comprender mejor la rapidez con la que se alcanzará el equilibrio y si el equilibrio favorecerá a los reactivos o productos. La constante se puede calcular usando la relación de productos a reactivos cuando la ecuación ha alcanzado el equilibrio. La constante de equilibrio a menudo se representa mediante la variable K _eq, que se define mediante la expresión de la constante de equilibrio que se ve a continuación.

Expresión constante de equilibrio para una reacción

La expresión constante de equilibrio describe la concentración de productos dividida por la concentración de reactivos cuando la reacción alcanza el equilibrio. Esta expresión se puede ver a continuación.

En la reacción: aA + bB <=> cC + dD

Cada término describe la concentración de un reactivo o producto en la reacción donde los químicos A y B se combinan para producir los productos C y D. Las letras minúsculas indican el número de moles de cada químico. Los corchetes alrededor de una letra, [A], indican la concentración de cada sustancia química y el subíndice indica que la constante de equilibrio está determinada por la concentración de cada molécula en equilibrio.

J. Willard Gibbs, un científico famoso que estudió la energía presente en las reacciones, demostró que la constante de equilibrio estaba directamente relacionada con la cantidad de cambio de energía libre que ocurre durante una reacción, denominada ∆G. Gibbs demostró que cada reacción tiene un cambio de energía libre estándar, o ∆G °. Si bien el cambio total de energía libre de cada reacción también se rige por las concentraciones iniciales de sustancias químicas, la energía libre estándar se calcula con la siguiente ecuación, utilizando la constante de equilibrio de la ecuación.

∆G ° = -RTln (K _eq )

Esta ecuación muestra que el cambio de energía libre estándar es simplemente otra forma de describir las fuerzas impulsoras de una reacción y de qué manera procederán. Si bien la constante de equilibrio nos dice si tendremos más reactivo o productos al final de una reacción, no indica qué tan rápido se produciría esta reacción. Esto se conoce como constante de velocidad y se denota con una k minúscula. La constante de velocidad está relacionada con una variedad de otras ecuaciones relacionadas con la velocidad a la que ocurren las reacciones. La constante de equilibrio es importante para una serie de reacciones biológicas, como se ve en los ejemplos siguientes.

Ejemplos de constante de equilibrio

Ionización del agua

El agua es la base de toda la vida en la Tierra. Una de las principales razones por las que el agua es un disolvente tan bueno es su capacidad para formar enlaces de hidrógeno tanto con ella como con moléculas que no son de agua. Esta capacidad no solo permite que el agua se disuelva y difunda los solutos, sino que también permite que el agua lleve una corriente eléctrica. Cuando el agua, H ₂ O, forma enlaces de hidrógeno, el hidrógeno se separa del oxígeno y la molécula se disocia en un ión de hidrógeno (H ⁺ ) y un ión de hidróxido (OH ^– ).

Los protones de hidrógeno individuales rara vez existen libremente en solución e inmediatamente forman un enlace con la molécula de agua a la que estaba unido el hidrógeno. Esto forma un ion hidronio o H ₃ O ⁺. La constante de equilibrio para esta reacción es, por lo tanto; la concentración de iones de hidrógeno e iones de hidróxido, dividida por la concentración de moléculas de agua normales, como se ve a continuación.

La constante de equilibrio de esta reacción se puede medir por la conductividad eléctrica del agua; que está determinada por la concentración de (H ₃ O ⁺ ). Los iones de hidronio transmiten una señal eléctrica en forma de transferencia de electrones, que pueden medirse con equipos eléctricos sensibles. Por lo tanto, la constante de equilibrio del agua ha sido medida por equipos eléctricos sensibles en 1.8 x 10 ^-16; lo que significa que el agua tiene una probabilidad mucho mayor de ser el reactivo H ₂ O, en lugar de convertirse en el ion hidronio. El proceso se puede ver en la imagen a continuación.

Células, energía libre y constante de equilibrio

Aunque la constante de equilibrio se mide cuando una reacción está en equilibrio; esto no significa que se permita que todas las reacciones lleguen al equilibrio. En la célula, muchas reacciones se reabastecen constantemente con diversos productos químicos, lo que mantiene las reacciones de las células lejos del equilibrio. Sin embargo, la constante de equilibrio describe la tendencia de estos reactivos a formar productos. Algunas reacciones son exergónicas, lo que significa que liberan energía cuando ocurren. Estas reacciones tienen una constante de equilibrio alta, que describe su tendencia a convertirse en productos.

También se puede decir que estas reacciones tienen un cambio positivo en la energía libre; lo que significa que emiten energía a las reacciones a su alrededor. Otras reacciones importantes son endergónicas, lo que significa que requieren energía para tener lugar. Estas reacciones tienen una constante de equilibrio baja, lo que describe su tendencia a permanecer como reactivos. Las células acoplan estas reacciones para permitir que tengan lugar las reacciones endergónicas. Esto se puede ver en muchas reacciones celulares típicas que utilizan la constante de alto equilibrio de ATP que se convierte en ADP para impulsar reacciones endergónicas; como la formación de proteínas o ácidos grasos.