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Química · Unidad 10 — Cinética y equilibrio químico

Cociente de reacción y el principio de Le Châtelier

Q es la misma cuenta que Kc pero hecha en cualquier momento. Compararlos dice hacia dónde va a moverse el sistema, y Le Châtelier dice qué pasa cuando alguien lo perturba desde afuera.

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La explicación

El cociente de reacción Q

Q se calcula exactamente igual que Kc —mismos exponentes, mismas exclusiones— con una sola diferencia: se usan las concentraciones del momento, estén o no en equilibrio.

Q = ( [C]c · [D]d ) / ( [A]a · [B]b )   en cualquier instante

Eso lo convierte en una brújula. Comparándolo con Kc se sabe para qué lado va a correr el sistema, sin resolver nada:

Q < Kc → falta producto. La reacción avanza hacia los productos (a la derecha) hasta que Q suba a Kc.
Q > Kc → sobra producto. La reacción retrocede hacia los reactivos (a la izquierda) hasta que Q baje a Kc.
Q = Kc → ya está en equilibrio. No se mueve.

El razonamiento es directo: Q tiene los productos arriba, así que avanzar hacia los productos lo sube y retroceder lo baja. El sistema siempre se mueve en el sentido que acerca Q a Kc.

El principio de Le Châtelier

Dice que si se perturba un sistema en equilibrio, el sistema se desplaza en el sentido que atenúa la perturbación. No la cancela: la amortigua.

Cambios de concentración

Agregar una sustancia desplaza el equilibrio hacia el lado contrario al que está esa sustancia; sacarla, hacia el lado donde está.

Kc no cambia en ninguno de estos casos. Lo que cambia son las concentraciones, que se reacomodan hasta que el cociente vuelve a valer lo mismo.

Cambios de presión y volumen (sólo con gases)

Comprimir el recipiente sube todas las concentraciones a la vez. El sistema responde corriéndose hacia el lado con menos moles de gas, que es la forma de bajar la presión.

comprimir (subir P) → hacia el lado con MENOS moles de gas
expandir (bajar P) → hacia el lado con MÁS moles de gas

Dos casos que se preguntan seguido:

Temperatura: el único cambio que mueve Kc

La forma práctica es escribir el calor como si fuera una especie más:

exotérmica:  reactivos ⇌ productos + calor
endotérmica:  reactivos + calor ⇌ productos

Calentar es «agregar calor», así que desplaza hacia el lado contrario al que está escrito. En una exotérmica, calentar corre el equilibrio hacia los reactivos y Kc disminuye; enfriar hace lo opuesto. En una endotérmica, calentar corre hacia los productos y Kc aumenta.

Por eso el enunciado siempre tiene que decir si la reacción libera o absorbe calor: sin ese dato, la pregunta de temperatura no se puede contestar. Y hay que tener presente que este es el único cambio que modifica el valor de la constante.

El catalizador, otra vez

Un catalizador no desplaza el equilibrio ni cambia Kc. Acelera la reacción directa y la inversa en la misma proporción, así que el sistema llega antes al mismo punto. Lo que se gana es tiempo, no rendimiento.

El procedimiento

1. Identificá qué tipo de cambio es: concentración, volumen/presión, temperatura o catalizador.
2. Si es de concentración, mirá de qué lado de la ecuación está la sustancia tocada.
3. Si es de presión, contá los moles de gas de cada lado (los sólidos y líquidos no cuentan).
4. Si es de temperatura, buscá en el enunciado si libera o absorbe calor y ubicá el calor como una especie más.
5. Antes de contestar, preguntate si el cambio toca a Kc: sólo la temperatura lo hace.
Un ejercicio resuelto, paso a paso

Para N2(g) + 3 H2(g) ⇌ 2 NH3(g), que libera calor, la constante a cierta temperatura vale Kc = 0,50. En un recipiente se mide [N2] = 0,50 mol/L, [H2] = 0,20 mol/L y [NH3] = 0,10 mol/L. a) Calculá Q y decidí si el sistema está en equilibrio. b) Indicá hacia dónde se desplaza. c) ¿Qué pasa si se comprime el recipiente? d) ¿Y si se lo calienta?

a) El cociente. Misma expresión que Kc, con las concentraciones que hay ahora:

Q = [NH3]² / ( [N2] · [H2]³ ) = (0,10)² / ( 0,50 × (0,20)³ )
Q = 0,010 / ( 0,50 × 0,0080 ) = 0,010 / 0,0040 = 2,5
El exponente 3 es el que se olvida. Si se pone [H2] sin elevar, el denominador da 0,10 y Q daría 0,10: un valor que lleva a la conclusión contraria.

Como Q = 2,5 y Kc = 0,50, Q ≠ Kc: el sistema no está en equilibrio.

b) Hacia los reactivos. Q es mayor que Kc, o sea que hay más producto del que corresponde. Para que Q baje hasta 0,50 tiene que achicarse el numerador y crecer el denominador: parte del amoníaco se descompone y el equilibrio se corre a la izquierda.

c) Se comprime → hacia los productos. Hay que contar moles de gas a cada lado:

izquierda: 1 + 3 = 4 mol de gas   ·   derecha: 2 mol de gas

Comprimir sube la presión, y el sistema la atenúa yéndose al lado que ocupa menos: la derecha. Kc no cambia.

d) Se calienta → hacia los reactivos, y Kc baja. La reacción libera calor, así que el calor se ubica del lado de los productos:

N2 + 3 H2 ⇌ 2 NH3 + calor

Calentar es agregar algo que está a la derecha, así que el equilibrio se corre a la izquierda. Y este es el único de los cuatro cambios que modifica el valor de Kc: la nueva constante va a ser menor que 0,50.

Por eso el amoníaco industrial es un problema de compromiso. El frío mejora el rendimiento pero hace la reacción lentísima; el calor la acelera y arruina el rendimiento. La salida es presión alta y un catalizador, que acelera sin tocar el equilibrio.

Dónde se cae la mayoría

Hasta acá la explicación. La práctica es la otra mitad: 7 ejercicios de este tema, en cuatro niveles, que no te dicen sólo si está bien al final sino que te corrigen en cada paso y te explican por qué. Además trae una animación que muestra la idea en movimiento.

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