Ejercicios resueltos de equilibrio químico para selectividad

El equilibrio químico es un concepto fundamental en la química que describe el estado en el que las reacciones químicas se encuentran en balance. Este estado es clave para entender cómo funcionan las reacciones en condiciones específicas y cómo se puede influir en ellas. En este artículo, exploraremos en profundidad este tema, analizando desde su definición hasta cómo se aplican en ejercicios prácticos, especialmente en el contexto de los exámenes de selectividad.

Conocer el equilibrio químico no solo es útil para los estudiantes de química, sino que también es esencial para comprender fenómenos en la vida cotidiana, desde procesos industriales hasta reacciones biológicas. Vamos a desglosar los conceptos, fórmulas y ejemplos que te permitirán dominar este tema.

¿Qué es el equilibrio químico?

El equilibrio químico se refiere a una condición en la que las velocidades de las reacciones directa e inversa son iguales, lo que significa que las concentraciones de reactivos y productos permanecen constantes con el tiempo. Esto no indica que la reacción ha terminado, sino que ha alcanzado un estado dinámico.

Por ejemplo, en la reacción:

A + B ⇌ C + D

Cuando la concentración de A y B se convierte en igual a la de C y D, decimos que hemos alcanzado el equilibrio. Este equilibrio se puede representar mediante la constante de equilibrio, K, que es una relación entre las concentraciones de productos y reactivos.

¿Cuál es la fórmula del equilibrio químico?

La fórmula que se utiliza para calcular la constante de equilibrio, K, depende de la naturaleza de la reacción. Para una reacción reversible general:

aA + bB ⇌ cC + dD

La constante de equilibrio se expresa como:

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

Aquí, [X] representa la concentración molar de cada sustancia en equilibrio. Por otro lado, si la reacción se lleva a cabo en fase gaseosa, se puede usar la presión parcial en lugar de la concentración, denominada Kp.

• Kc: Constante de equilibrio en términos de concentración.
• Kp: Constante de equilibrio en términos de presión.

Factores que afectan el equilibrio químico

Existen varios factores que pueden influir en el equilibrio de una reacción química. Los tres más importantes son:

1. Cambio de concentración: Si se aumenta la concentración de los reactivos, la reacción se desplazará hacia la formación de productos.
2. Cambio de temperatura: Aumentar la temperatura favorecerá la reacción endotérmica, mientras que disminuirla favorecerá la exergónica.
3. Cambio de presión: En reacciones gaseosas, aumentar la presión favorece el lado de la reacción que tiene menos moles de gas.

Ejemplos prácticos de equilibrio químico

A continuación, se presentan varios ejercicios que ilustran la aplicación del equilibrio químico en situaciones reales, especialmente en contextos de exámenes de selectividad.

Ejercicio 1: Equilibrio en reacción de gases

Para la reacción: H₂ (g) + CO₂ (g) ⇌ H₂O (g) + CO (g), se conoce que la constante K_C = 4,40 a 200 K. Si se introducen 1 mol de H₂ y 1 mol de CO₂ en un reactor de 4,68 L, ¿cuáles serán las concentraciones en equilibrio?

Para resolver, primero calculamos las concentraciones iniciales:

• Concentración inicial de H₂ = 1 mol / 4.68 L
• Concentración inicial de CO₂ = 1 mol / 4.68 L

Luego, aplicamos las fórmulas del equilibrio para encontrar las concentraciones finales.

Ejercicio 2: Presión en equilibrio

En un sistema cerrado, cuando se introducen 2,5 moles de PCl₅ en una vasija de 10 L a 270 ºC, se alcanza un equilibrio con una presión de 15,6 atm según la reacción PCl₅ (g) ⇆ PCl₃ (g) + Cl₂ (g). Para calcular el número de moles en equilibrio, se aplican las leyes de gases ideales y la constante de equilibrio.

¿Qué es la selectividad en una reacción química?

La selectividad se refiere a la capacidad de una reacción química para producir un producto específico sobre otros posibles productos. Este concepto es crucial en la industria química, donde la eficiencia y la economía son vitales.

Para entender la selectividad, considera el siguiente ejemplo:

• En la reacción de la formación de productos A y B, si se obtiene un 80% de A y un 20% de B, se dice que la reacción es altamente selectiva hacia A.

En el equilibrio químico, la selectividad también puede ser influenciada por los mismos factores que afectan el equilibrio, como temperatura y presión.

Aplicaciones del equilibrio químico en la vida real

El equilibrio químico tiene numerosas aplicaciones en diversas industrias:

• Fabricación de productos químicos: En la producción de amoníaco (proceso Haber), se busca maximizar la producción a través del control del equilibrio.
• Procesos biológicos: Muchas reacciones en el cuerpo humano, como la respiración celular, están en equilibrio.
• Control ambiental: Las reacciones que ocurren en la atmósfera son ejemplos de aplicaciones del equilibrio en la naturaleza.

Ejercicios de selectividad y sus soluciones

Para reforzar el aprendizaje, aquí presentamos algunos ejercicios de selectividad y sus respectivas soluciones en formato video, lo que permite visualizar el proceso de resolución:

• Ejercicio de Andalucía: Calcular el número de moles de cada especie en equilibrio a partir de PCl₅ en un recipiente.
• Ejercicio de Comunidad Valenciana: Determinar K_c y la presión total de NaHCO₃.
• Ejercicio de Castilla y León: Calcular las concentraciones de gases en equilibrio a partir de un sistema inicial.

Para cada uno de estos ejercicios, se recomienda revisar el video correspondiente para una comprensión más profunda de cada solución. Puedes acceder a estos a través de los siguientes enlaces:

• Ejercicio H2 y CO2
• Ejercicio PCl5
• Ejercicio NaHCO3

El equilibrio químico no es solo un tema académico, sino una herramienta esencial para entender y manipular reacciones químicas en múltiples contextos. Al dominar los conceptos y procedimientos relacionados, estarás mejor preparado para enfrentar desafíos en química y en la vida cotidiana.

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