PRÁCTICA 14 DESPLAZAMIENTO DEL EQUILIBRIO QUÍMICO: EFECTO DE LA CONCENTRACIÓN Y DE LA TEMPERATURA

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1 PRÁCTICA 14 DESPLAZAMIENTO DEL EQUILIBRIO QUÍMICO: EFECTO DE LA CONCENTRACIÓN Y DE LA TEMPERATURA OBJETIVOS Fijar el onepto de equilibrio químio mediante el estudio experimental de distintas mezlas de reaión. Observar ómo las mezlas alanzan distintos puntos de equilibrio. Observar ómo se puede modifiar el estado de equilibrio alterando ondiiones tales omo onentraión de las sustanias impliadas, temperatura, et. FUNDAMENTO TEÓRICO Todas las reaiones químias son en realidad sistemas en equilibrio dinámio, que a vees se desplazan por ompleto en un determinado sentido, es deir, apareen omo irreversibles debido a las ondiiones en que se realizan. No obstante, se puede atuar sobre estas reaiones de modo que se invierta el proeso, aunque este efeto sea difíil de onseguir y apreiar en algunas reaiones que se onsideran omúnmente irreversibles. Por esta razón es freuente poner en las reaiones químias, en vez de una sola fleha, una doble fleha indiando los dos sentidos de la reaión. La fleha de mayor longitud india que la reaión se enuentra desplazada en ese sentido. Una reaión del tipo: aa + bb C + dd tiene una onstante de equilibrio K a una determinada temperatura expresada por: K = d [ C] [ D] [ A] a [ B] b en la que los símbolos indian onentraiones molares de las sustanias. Tanto del estudio matemátio de la onstante de equilibrio omo del enuniado del prinipio de Le Chatelier se dedue que un aumento de la onentraión de A o de B desplaza el equilibrio haia la dereha, y si aumenta C ó D ó se hae disminuir A ó B (por ejemplo por preipitaión), el equilibrio se desplazará haia la izquierda. Tómese omo ejemplo una de las reaiones que se estudiarán en esta prátia, que es la interonversión del romato (CrO 4 2-, amarillo en disoluión auosa) en diromato (Cr 2 O 7 2-, naranja en disoluión auosa) 2 CrO 4 2- (a) + 2H + (a) Cr 2 O 7 2- (a) + H 2 O (l) (1) Cuando la onentraión de todas las espeies químias: CrO 4 2-, H + y Cr 2 O 7 2- es onstante on el tiempo llegamos al punto de equilibrio de la reaión. La Termodinámia define uándo un proeso se enuentra en equilibrio o uando, por el ontrario, evoluiona espontáneamente (irreversiblemente) haia una situaión final de equilibrio. Así, dada la

2 reaión 1, se podría alular la variaión de energía libre por mol ( G) para una mezla uyas onentraiones molares de CrO 4 2-, H + y Cr 2 O 7 2- fuesen onoidas, usando la expresión siguiente: G = Gº + RT ln Q (2) donde Gº es la variaión de la energía de Gibbs estándar para la reaión dada y a la temperatura de trabajo (es una onstante a esa temperatura), y Q el oiente de reaión, dado por la expresión: 2 [Cr2O7 ] Q [CrO4 ] [H ] = (3) Analizando la euaión 2, se puede deduir lo siguiente: - Si G = 0, la mezla está en equilibrio, por lo que su omposiión no varía on el tiempo, de modo que la euaión 2 queda omo Q G = exp RT O (4) Esto signifia que Q toma un valor definido y onstante a la temperatura de trabajo, que se denomina onstante de equilibrio K, de manera que Q = K G = exp RT O (5) - Si G < 0, la mezla no está en equilibrio (Q < K ), su omposiión no es estable (las onentraiones de reativos y produtos varían on el tiempo) y evoluionará haia la dereha hasta el equilibrio. Para alanzarlo, deberá aumentar el oiente de reaión (disminuyendo la onentraión de reativos y aumentado la de produtos), hasta igualarse a K. - Si G > 0, la mezla no está en equilibrio (Q > K ), su omposiión tampoo es estable y evoluionará haia la izquierda hasta el equilibrio. Para alanzarlo, deberá disminuir el oiente de reaión (aumentando la onentraión de reativos y disminuyendo la de produtos), hasta igualarse a K. Por lo tanto, una mezla de reaión está en equilibrio uando su omposiión es estable en el tiempo y el oiente de reaión es igual a la onstante de equilibrio a la temperatura de trabajo. Además, de todo lo anterior se dedue que si se perturba un punto de equilibrio, de modo que Q K, las onentraiones de las espeies evoluionarán hasta restableer el equilibrio, es deir, hasta formar una nueva mezla de omposiión estable, de manera que se umpla que Q = K. En los ensayos a realizar en la prátia se introduirán varios tipos de perturbaiones sobre el punto de equilibrio iniial, omo adiión o sustraión de reativos y ambios de temperatura, y se estudiará la respuesta de varios sistemas en equilibrio ante ese tipo de

3 perturbaiones, sistemas que evoluionarán hasta alanzar un nuevo estado de equilibrio. Esquemátiamente, ada ensayo a realizar puede expresarse de la siguiente forma: Mezla iniial Perturbaión Mezla final en equilibrio en equilibrio (Punto de equilibrio 1) (Mezla evoluionando) (Punto de equilibrio 2) MATERIAL Y REACTIVOS Material Gradilla on tubos de ensayo 4 vasos de preipitados de 50 ml 4 pipetas de 5 ml Baño de agua termostatizado Reativos FeCl 3 0,01 M NH 4 SCN 0,01 M K2CrO 4 0,05 M HCl 1 M CaCl2 0,01 M Na 2 C 2 O 4 0,01 M HCl onentrado (12 M) NaOH 2 M CoCl 2 6H 2 O sólido Co(NO 3 ) 2 0,20 M Etanol/agua 50:50 (v/v) Etanol/agua 80:20 (v/v) Etanol omerial [etanol/agua 96:4 (v/v) Se reuerda que no se debe introduir ninguna pipeta en los botes que ontienen los reativos ni el agua destilada, sino que se añade desde éstos a otro reipiente (por ejemplo, un tubo de ensayo o un vaso de preipitados) y desde este último se mide la antidad neesaria o se rellena la bureta orrespondiente. La disoluión sobrante no debe devolverse al bote iniial. PARTE EXPERIMENTAL 1 er ensayo: Equilibrio de formaión del ión omplejo [Fe(SCN) 6 ] 3- En un tubo de ensayo se ponen 2 ml de la disoluión de FeCl 3, 2 ml de la de NH 4 SCN y 5 ml de agua. Se agita. El ión SCN - y el ión Fe 3+ reaionan inmediatamente estableiéndose el siguiente equilibrio, on un valor muy elevado de K : Fe SCN - [Fe(SCN) 6 ] 3- El ión [Fe(SCN) 6 ] 3- tiene olor rojo. Por tanto, la antidad de diho ión en la mezla de equilibrio vendrá indiada por la intensidad del olor. La disoluión resultante se divide, aproximadamente en partes iguales, en tres tubos de ensayo: - A uno de los tubos se añade, gota a gota (hasta un máximo de diez gotas), disoluión de FeCl 3. Observar y anotar los ambios produidos - Al mismo tubo se le añade, también gota a gota, disoluión de NH 4 SCN. Observar y anotar los ambios.

4 - Al segundo tubo se le añade disoluión de NaOH 2 M. Se deja reposar y se observan y anotan los ambios observados. (Dato: K s del Fe(OH) 3 = ) - Al terer tubo se le añade agua destilada. Observar y anotar los ambios produidos. 2º ensayo: Equilibrio de interonversión romato/diromato Se ponen unos 3 ml de disoluión de romato potásio en dos tubos de ensayo. A uno se le añaden unas gotas de HCl 1M. Observar lo que ha ourrido omparándolo on el otro al que no se le ha añadido HCl. 2CrO 2-4 (a) + 2H + (a) Cr 2 O 2-7 (a) + H 2 O (l) (amarillo) (naranja) Seguidamente, añadir unas gotas de NaOH 2 M al tubo que ontiene romato potásio y áido. 3 er ensayo: Equilibrio de solubilidad del oxalato álio En un tubo de ensayo se ponen 2 ml de CaCl 2 0,01 M y se añaden 2 ml de oxalato sódio 0,01 M. Se formará una disoluión saturada de oxalato álio. El equilibrio puede representarse por la euaión: CaC 2 O 4 (s) Ca 2+ (a) + C 2 O 4 2- (a) K s = Seguidamente, se añade HCl 1 M gota a gota a la disoluión saturada y se agita el tubo de ensayo (Dato: K 2 para el áido oxálio: 6, ). Observar si hay algún ambio. 4º ensayo: Equilibrio entre dos iones omplejos de Co(II) Para estudiar el equilibrio entre los iones omplejos que el obalto forma on H 2 O y Cl -, se observarán, en primer lugar, el efeto de ambios en la onentraión de las espeies que atúan omo ligandos (Cl - y H 2 O) y, en segundo lugar, el efeto de ambios en la temperatura, heho éste que afeta a la propia ondiión de equilibrio. La euaión químia que rige el proeso es: Ensayo 4.1 [Co(H 2 O) 6 ] 2+ (a) + 4Cl - (a) [CoCl 4 ] 2- (a) + 6H 2 O (l) (rosa) (azul) En ino tubos de ensayo graduados limpios y seos se ponen aproximadamente 0.1 g de CoCl 2.6H 2 O sólido. Esta antidad será aproximadamente la que se reoge on la punta de la espátula. Intentar que todos los tubos ontengan aproximadamente la misma antidad (no es neesario usar la balanza para esto). Añadir a todos los tubos 1 gota de HCl onentrado (12 M). Seguidamente, añadir 3 ml de disolvente on arreglo a la siguiente tabla

5 Tubo Disolvente 1 Agua desionizada 2 Etanol/agua 50:50 3 Etanol/agua 80:20 4 Etanol/agua 96:4 (etanol omerial) Agitar bien todas las muestras hasta que se onsiga disolver el sólido. Anotar el olor de ada tubo y, en funión del olor, deidir uál es la espeie predominante: [Co(H 2 O) 6 ] 2+ o CoCl Ensayo 4.2 Poner 2 ml de disoluión de Co(NO 3 ) 2 en un tubo de ensayo. Añadir 1 ml de HCl onentrado a la disoluión de nitrato de Co(II) y agitarla bien. Anotar ualquier ambio que se observe. Añadir de nuevo 1 ml de HCl, agitar y anotar de nuevo lo que ourre. Repetir esta operaión hasta observar un efeto laro. Añadir al tubo 3 ml de agua desionizada, agitar y observar. Repetir esta operaión on otra porión de 3 ml de agua hasta observar un efeto laro. Anotar los ambios observados. Ensayo 4.3 Mezlar 3,5 ml de disoluión 0.20 M de nitrato de Co(II) on 2 ml de HCl 12 M. El olor de esta mezla debe ser violeta. Si tiene un tono rosa añadir una o dos gotas más de HCl, si es azul, añadir una o dos gotas más de nitrato de Co(II). Esta disoluión ontiene ahora una mezla de [Co(H 2 O) 6 ] 2+ y CoCl Repartir la disoluión en dos poriones aproximadamente iguales en dos tubos de ensayo. Uno de los tubos permaneerá a temperatura ambiente y el otro se pondrá unos minutos en un baño de agua aliente (a unos 80 o C). Anotar los ambios de olor que se observen e interpretarlos. Dejar que el tubo que se alentó se enfríe nuevamente hasta temperatura ambiente. Preauiones de seguridad El CoCl 2.6H 2 O sólido es noivo por ingestión, se debe evitar el ontato on la piel. El Co(NO 3 ) 2 es noivo e inflamable.el HCl onentrado forma vapores tóxios e irritantes y puede oasionar quemaduras serias en la piel y los ojos. Las disoluiones resultantes de los experimentos se depositarán en los reipientes orrespondientes. RESULTADOS Y CUESTIONES Primer ensayo 1a. Esribir la reaión orrespondiente al primer ensayo y la expresión de K 1b. Qué se observa al añadir FeCl 3 (a)? Se ha desplazado el equilibrio? En qué

6 1. Qué se observa al añadir NH 4 SCN (a)? Se ha desplazado el equilibrio? En qué 1d. Qué se observa al añadir NaOH (a)? Se ha desplazado el equilibrio? En qué 1e. Qué se ha observado al añadir agua? Se ha desplazado el equilibrio? En qué Segundo ensayo 2a. Esribir la reaión orrespondiente al segundo ensayo y la expresión de K 2b. Qué se observa al añadir NaOH (a)? Se ha desplazado el equilibrio? En qué Terer ensayo 3a. Esribir la reaión orrespondiente al terer ensayo y la expresión de K 3b. Qué se observa al añadir HCl (a)? Se ha desplazado el equilibrio? En qué sentido? Cuál ha sido la ausa? Cuarto ensayo 4a. Esribir la reaión orrespondiente al uarto ensayo y la expresión de K 4b. Qué se observa al utilizar omo disolventes mezlas etanol:agua en distintas proporiones? Se ha desplazado el equilibrio? En qué 4. Qué se observa al añadir HCl onentrado a la disoluión de Co(NO 3 ) 2? Se ha desplazado el equilibrio? En qué 4d. Qué se observa al añadir agua? Se ha desplazado el equilibrio? En qué sentido? Cuál ha sido la ausa? 4e. Qué se observa al alentar a 80 o C? Se ha desplazado el equilibrio? En qué BIBLIOGRAFÍA Gómez, M.; Matesanz, A.I.; Sánhez, A.; Souza, P. Laboratorio de Químia. 2ª ed. Prátia 5. Ed. Ediiones UAM, Petrui, R.H.; Harwood, W.S.; Herring, F.G. Químia General. 8ª ed. Capítulo 16. Ed. Prentie Hall, 2003.