GUIA DE ESTUDIO Nº 7: Equilibrio Químico

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1 Página26 GUIA DE ESTUDIO Nº 7: Equilibrio Químico I.- Conceptos básicos: Equilibrio químico y constante de equilibrio. Concentraciones en el equilibrio y evolución de un sistema hacia el equilibrio. Principio de Le Chatelier. Factores que afectan el equilibrio. Equilibrio químico en soluciones acuosas. II.- Objetivos: Describir el concepto de equilibrio químico en términos de una reacción reversible. Expresar la contante de equilibrio de una reacción química y predecir de acuerdo a su valor en qué sentido evolucionará la misma. Aplicar el Principio de Le Chatelier para pronosticar el desplazamiento del equilibrio con un cambio de presión, de temperatura o de concentración. Interpretar la información presentada en curvas de variación de concentraciones en función del tiempo. III.- Desarrollo: Actividad N 1: Dado un sistema que se encuentra en equilibrio Qué información nos proporciona el valor numérico de la constante de equilibrio? Se tienen las siguientes reacciones químicas con sus respectivos valores de constantes de equilibrio para una dada temperatura. I- Cl 2(g) Cl (g) + Cl (g) K eq = 1,4 x (25 C) II- H + (ac) + HO - (ac) H 20 (l) K eq = 1,0 x (25 C) III- CO (g) + H 2O (g) H 2(g) + CO 2(g) K eq = 5,1 (830 C) Comparar la magnitud de las constantes e indicar: a) Cuál de las reacciones tiene más tendencia a formar productos? b) Cuál de las reacciones tiene mayor tendencia a permanecer como reactivo en el sistema? c) Escribir la expresión de la constante de equilibrio para cada una de las reacciones presentadas Si se cubre un objeto de vidrio con cloruro de cobalto y se observa luego el color que éste adquiere, se puede obtener un sencillo indicador meteorológico. Este fenómeno se explica considerando que, a partir del contacto con el aire húmedo, se establece el siguiente equilibrio: [Co(H 2O) 6]Cl 2 (s) [Co(H 2O) 4]Cl 2 (s) + 2 H 2O color rosa color azul Si se observa que el objeto presenta color rosa significa que el aire está húmedo o seco? Justificar brevemente la respuesta. Actividad Nº2: Dada la siguiente reacción química: PCl 5(g) PCl 3(g) + Cl 2(g) a) Escribir la expresión de la Keq. b) En un recipiente de 12 dm 3 de capacidad, encontramos en el equilibrio 0,21 moles de PCl 5(g), 0,32 moles de PCl 3(g) y 0,32 moles de Cl 2(g). Cuál será el valor numérico de la Keq?

2 Página En un recipiente a 300 ºC se coloca HI como reactivo. Al cabo de un tiempo el reactivo se descompone originando I 2 y H 2 como productos. El reactivo y los productos se encuentran en fase gaseosa. a) Escribir la ecuación química balanceada y la Keq de esta reacción. b) En el sistema anterior, una vez alcanzado el equilibrio, las concentraciones de cada especie son: HI = 3, M; I 2 = 4, M y H 2 = 4, M. Cuál será el valor de la Keq a 300 ºC? c) Para el sistema anterior se alcanza un nuevo equilibrio a la misma temperatura, las concentraciones de HI y I 2 son 0,05 M y 0,01 M respectivamente. Cuál será la concentración de H 2? La formación de amoníaco, de acuerdo a la siguiente ecuación: 3H 2 + N 2 2 NH 3 tiene una K e =0,55 a 150ºC. Calcular la concentración de amoníaco cuando las concentraciones de N 2 e H 2 en el equilibrio son 0,20 mol/l y 0,10mol/L respectivamente. Actividad Nº3: Se ha estudiado el siguiente proceso en equilibrio a 230ºC: 2NO (g) + O 2 (g) 2NO 2(g) En un experimento se encontró que las concentraciones de equilibrio de las especies reactivas son [NO]= 0,0542 M, [O 2 ]= 0,127M y [NO 2 ]= 15,5 M. Calcular la constante de equilibrio a 230ºC Calcular la K eq a 250 ºC en la reacción de formación del yoduro de hidrógeno sabiendo que el volumen del recipiente es de 10 litros y que partiendo de 2 moles de I 2 y 4 moles de H 2 se han obtenido 3 moles de yoduro de hidrógeno Se tiene la siguiente reacción a 1660 ºC: Br 2 (g) 2Br (g) Se coloca 1,05 moles de Br 2 en un recipiente de 0,980 L y se disocia el 1,2% del Br 2 para alcanzar el equilibrio. Cuál es el valor de la Keq para esa reacción? Actividad Nº4: A cierta temperatura T se produce la reacción representada por: A + B C + D Representar gráficamente la variación de las concentraciones de A, B, C y D en función del tiempo, para las siguientes concentraciones: a) concentraciones iniciales: [A] =[B] = 0,1 M; [C] = [D] = 0 M concentraciones en el equilibrio: [A] =[B] = 0,01 M; [C] = [D] = 0,1 M b) concentraciones iniciales: [A] =[B] = 0 M; [C] = [D] = 0,1 M concentraciones en el equilibrio: [A] =[B] = 0,1 M; [C] = [D] = 0,01 M c) concentraciones iniciales: [A] = 2; [B] = 1 M; [C] = 1M; [D] = 0 M concentraciones en el equilibrio: [A] = 1M; [B] = 0,5 M; [C] =1,5M; [D] = 2 M

3 Página En el siguiente gráfico se representan las concentraciones molares de reactivos y productos en función del tiempo, para una determinada reacción química a una temperatura T. a) Indicar cuál de las siguientes ecuaciones químicas representa la reacción química: I- A(g) B(g) + 2 C(g) II- 2 A(g) B(g) + C(g) III- A(g) B(g) + C(g) b) Calcular el valor de Keq En un recipiente de 10 L se coloca cierta cantidad de ozono a una temperatura T. El sistema evoluciona como se muestra en el siguiente gráfico, alcanzando el equilibrio representado por 2 O 3 3 O 2. Calcular el valor de la constante de equilibrio a la temperatura T En un recipiente de 10 dm 3 se mezclan a una temperatura T, 0,20 moles de N 2O 4 (g) con cierta cantidad de NO 2(g).El sistema evoluciona como indica el gráfico, alcanzando el equilibrio representado por: 2 NO 2(g) N 2O 4 (g) a) Calcular la concentración molar del N 2O 4 (g) en el equilibrio a la temperatura T. b) Representar en el grafico el número de moles de N 2O 4 (g) c) Calcular el valor de Keq

4 Página29 Actividad Nº5: El ácido sulfúrico es la sustancia química de mayor producción en los países industrializados. Actualmente el proceso de síntesis del ácido sulfúrico, en forma general consta de tres etapas: 1ª etapa: El azufre (s) reacciona en presencia del oxígeno (g) del aire, oxidándose a dióxido de azufre (g). 2ª etapa: En presencia del oxigeno (g) se produce la síntesis del trióxido de azufre (g) a partir del producto de reacción de la primera etapa. Este proceso denominado por contacto se realiza en una superficie con pentóxido de vanadio (s), de forma tal que los reactivos estén en contacto con éste. El pentóxido de vanadio se recupera al finalizar la reacción. 3ª etapa: Se obtiene ácido sulfúrico (ac) al reaccionar el trióxido de azufre (g) con agua (l). a) Escribir las ecuaciones químicas balanceadas correspondientes a cada una de las etapas mencionadas en el relato. Considerar que en las condiciones propuestas - las mismas son irreversibles. b) Si la segunda etapa de la síntesis transcurre en un recipiente cerrado a 1000ºC, se obtendría un sistema en equilibrio. Escribir la ecuación química y la expresión de la contante de equilibrio que representa dicho sistema. c) En relación a la ecuación antes propuesta se determina que, al llegar el equilibrio, las concentraciones encontradas son de 0,06 M para el trióxido de azufre, 0,34 M para el dióxido de azufre, 0,17 M para el oxígeno. Considerando estos datos calcular el valor de la constante de equilibrio. d) Teniendo en cuenta el valor de la constante de equilibrio, se puede afirmar si se da un buen rendimiento en la obtención del trióxido de azufre con esta reacción? e) Cómo y cuáles variables se pueden modificar para optimizar el rendimiento? f) La presencia de pentóxido de vanadio afecta el valor de la constante de equilibrio? Justificar brevemente la respuesta Al principio de una reacción hay 0,249 moles de N 2, 3,21 x 10-2 moles de H 2 y 6,42x10-4 moles de NH 3 en un matraz de 3,50 L a 375ºC. Si la Keq para la reacción: N 2 (g) + 3H 2(g) 2 NH 3(g) es 1,2 a esta temperatura, determinar si el sistema está en equilibrio. Si no es así, predecir la dirección de la reacción neta A 720 ºC, la constante de equilibrio para la reacción N 2 (g) + 3H 2(g) 2 NH 3(g) es de 2,37 x En cierto experimento, las concentraciones de equilibrio son: [N 2 ]= 0,683M, [H 2]= 8,80M y [NH 3 ]=1,05 M. Suponiendo que se añade cierta cantidad de NH 3 a la mezcla de modo que su concentración aumenta a 3,65 M. a) Utilizar el principio de Le Chatelier para predecir en qué dirección se desplazará la reacción neta para alcanzar un nuevo equilibrio b) Confirmar la predicción anterior calculando el coeficiente de reacción Q y comparando su valor con el de Keq Para la reacción: PCl 5 (g) PCl 3(g) + Cl 2 (g) la constante K eq=5,5 a 25ºC En un recipiente de 2 dm 3 se mezclan 0,1mol de PCl 5, 0,07 mol de PCl 3 y 0,07 mol de Cl 2. a) Se produce alguna reacción?.justificar con cálculos. b) Indicar hacia donde se desplaza la reacción para alcanzar el equilibrio justificando la respuesta. c) Si a 300K el valor de K eq = , la reacción es endotérmica o exotérmica? d) Indicar como afectarán la posición del equilibrio y el valor de la constante: I.- Un agregado de Cl 2 II.- Una disminución de la presión

5 Página Las cuatro sustancias HCl, I 2, HI, Cl 2, se mezclan en un vaso de reacción y se les permite alcanzar el equilibrio en la reacción: 2 HCl(g) + I 2 (g) 2 HI (g) + Cl 2 (g) A continuación, se realizan ciertos cambios a la mezcla tal como se especifica en la primera columna del siguiente cuadro: CAMBIO CANTIDAD a) adición de HCl cantidad de HI b) adición de I 2 cantidad de Cl 2 c) sustracción de HI cantidad de Cl 2 d) sustracción de Cl 2 cantidad de HCL e) adición de HCl K f) sustracción de HCL Cantidad de I 2 g) adición de I 2 K Considerando cada cambio por separado: I.- Predecir qué efecto tiene cada uno (incremento, disminución o ningún cambio) sobre los valores de equilibrio originales de la cantidad en la segunda columna. II.- Justificar con gráficos y/o planteando la constante de equilibrio. (La temperatura y el volumen se mantienen constantes) Actividad Nº Completar en la siguiente tabla las situaciones propuestas: Tipo de reacción Temperatura Respuesta del sistema Keq Exotérmica Disminuye Formación de productos Aumenta Exotérmica Descomposición de productos Disminuye Endotérmica Disminuye Disminuye Endotérmica Aumenta Formación de productos Para la reacción: CO(g) + H 2O(g) H 2(g) + CO 2(g), se cumplen las relaciones entre Keq y temperatura indicadas en la siguiente tabla: T (K) Keq , , ,000 En un recipiente de volumen constante, mantenido a 850 K, hay 5,00 moles de agua, 0,50 moles de monóxido de carbono, 3,00 moles de hidrógeno y 2,63 moles de dióxido de carbono. a) Está en equilibrio el sistema? b) Si se enfría hasta 600 K Cómo evoluciona el sistema? Cuántos moles de cada sustancia habrá en el equilibrio? c) Si se calienta hasta 1100 K. Hacia dónde se desplaza la reacción? d) La reacción es endotérmica o exotérmica?