EQUILIBRIO QUÍMICO. 1. Equilibrio químico. 2. La constante de equilibrio. 3. EL principio de LeChatelier. Química 2º bachillerato Equilibrio químico 1

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1 EQUILIBRIO QUÍMICO 1. Equilibrio químico. 2. La constante de equilibrio. 3. EL principio de LeChatelier. Química 2º bachillerato Equilibrio químico 1

2 0. CONOCIMIENTOS Los conocimientos previos que son necesarios dominar y ampliar son: La reacción química. La velocidad de reacción. La concentración molar. La ley de los gases ideales. Estequiometría. PREVIOS Química 2º bachillerato Equilibrio químico 2

3 EJERCICIO-EJEMPLO El oro puede recuperarse de las rocas auríferas disolviéndolo con cianuro de potasio en agua con presencia de oxígeno y dando como residuos cianuro de potasio y oro (I) e hidróxido de potasio. Si tengo una pirita de 0.3 kg con una riqueza del 55% y la disuelvo en 1.5 l de una disolución 3 M de cianuro de potasio determinar: a) El reactivo limitante y el reactivo en exceso. b) La cantidad de hidróxido formada si tengo un rendimiento del 80 %. Química 2º bachillerato Equilibrio químico 3

4 1. EQUILIBRIO QUÍMICO El equilibrio químico estudia el alcance de las reacciones químicas y de los factores que las modifican. Está relacionada con factores termodinámicos. Un sistema alcanza el equilibrio químico cuando no se observan cambios en su composición química a medida que transcurre el tiempo. En las reacciones reversibles (donde puede darse las reacciones directa e inversa) se produce un equilibrio dinámico donde los procesos continúan (las moléculas siguen reaccionando en ambos sentidos) pero las propiedades macroscópicas permanecen constante. Química 2º bachillerato Equilibrio químico 4

5 Concentración Concentración Concentración 1. EQUILIBRIO QUÍMICO N 2 O 4 (g) 2 NO 2 T=cte. a equilibrio equilibrio equilibrio b c tiempo tiempo tiempo a) Inicialmente sólo hay NO 2 b) Inicialmente sólo hay N 2 O 4 c) Inicialmente hay una mezcla de ambos reactivos Química 2º bachillerato Equilibrio químico 5

6 Reacción: H 2 + I 2 2 HI Química 2º bachillerato Equilibrio químico 6

7 1. EQUILIBRIO QUÍMICO El equilibrio químico es un equilibrio dinámico. La velocidad de la reacción directa disminuye debido a que disminuye la concentración de los reactivos mientras que la velocidad de la reacción inversa aumenta al aumentar la concentración de los productos. En el equilibrio ambas velocidades se igualan. A nivel microscópico continua la reacción, pero las velocidades de las reacciones directas e inversa se igualan produciéndose que no se perciban cambios a nivel macroscópico. Química 2º bachillerato Equilibrio químico 7

8 1. EQUILIBRIO QUÍMICO El equilibrio químico es un equilibrio dinámico. c d a v k A B C D a b c d d d a b c d kd vd vi kd A B ki C D K b e k i i i A B v k C D a A b B c C d D Química 2º bachillerato Equilibrio químico 8

9 1. EQUILIBRIO QUÍMICO La ley de equilibrio químico (o ley de acción de masas) dice que cuando una reacción química llega al equilibrio el cociente entre el producto de las concentraciones (molares) de los productos y de los reactivos, todos ellos elevados a sus respectivos coeficientes estequiométricos, es un valor constante (denominado constante de equilibrio, K c ). El valor numérico de la constante de equilibrio no depende de las cantidades iniciales de las sustancias de partida (reactivos o productos). Química 2º bachillerato Equilibrio químico 9

10 Concentraciones (mol/l) 1. EQUILIBRIO QUÍMICO Equilibrio químico dinámico: Equilibrio químico [HI] [I 2 ] [H 2 ] Tiempo (s) Química 2º bachillerato Equilibrio químico 10

11 1. EQUILIBRIO QUÍMICO La ley de equilibrio químico se expresa mediante una expresión matemática derivada de la ley de acción de masas. a A b B c C d D C D A No se incluye en la constante el disolvente (ej: agua) y en una reacción heterogénea solo se incluyen en la constante las sustancias pertenecientes a una fase (la más común). El grado de disociación (α) es el número de moles que se descomponen o transforman (reacciona) por cada mol inicial de la sustancia (α= x / C ). K c d e a b B Química 2º bachillerato Equilibrio químico 11

12 EJERCICIO-EJEMPLO Razona el estado de los compuestos y ajusta las siguientes reacciones químicas y establece sus correspondientes constantes de equilibrios: a) C 3 H 8 + O 2 CO 2 + H 2 O b) Na + H 2 O NaOH + H 2 c) KOH + H 2 SO 4 K 2 SO 4 + H 2 O d) Cu(NO 3 ) 2 CuO + NO 2 + O 2 Química 2º bachillerato Equilibrio químico 12

13 2. LA CONSTANTE DE EQUILIBRIO La constante de equilibrio (K e ) es característica de cada reacción química, y su valor solo se ve alterado por la temperatura. Un valor elevado de la constante de equilibrio (K e ) indica que la reacción está desplazada hacia la formación de productos (derecha) y un valor pequeño de la constante de equilibrio (K e ) lo contrario. Aunque es un valor constante puede variar con la temperatura, por ello debe indicarse la temperatura cuando se indica el valor. Es un valor independiente de las concentraciones iniciales, es de la relación de concentraciones en el equilibrio. Su valor depende de cómo se escriba la ecuación ajustada de la reacción por lo que es imprescindible acompañar el dato de K c con su correspondiente ecuación química ajustada. Química 2º bachillerato Equilibrio químico 13

14 2. LA CONSTANTE DE EQUILIBRIO El del valor de K c indica el grado en que los reactivos se transforman en los productos una vez alcanzado el equilibrio. Significado: Un valor muy grande indica que la reacción directa progresa hasta que prácticamente se agota alguno de los reactivos. Reacciona casi todo, se forma mucho producto (casi todo el reactivo agotado). Un valor muy pequeño indica que la cantidad de productos formados, una vez alcanzado el equilibrio, es muy pequeña comparada con los reactivos. Reacciona muy poco, se obtiene poco producto (casi todo el reactivos sin utilizar). Un valor próximo a la unidad indica que, en el equilibrio, las concentraciones de los reactivos sobrantes son del mismo orden que la de los productos formados. Química 2º bachillerato Equilibrio químico 14

15 2. LA CONSTANTE DE EQUILIBRIO Química 2º bachillerato Equilibrio químico 15

16 concentración concentración concentración 2. LA CONSTANTE DE EQUILIBRIO K C > 10 5 K C 10 0 tiempo tiempo K C < 10-2 tiempo Química 2º bachillerato Equilibrio químico 16

17 2. LA CONSTANTE DE EQUILIBRIO El cociente de reacción (Q) nos indica la relación de las concentraciones en un caso concreto (no en equilibrio): Si Q < K e La reacción ocurre de izquierda a derecha Si Q > K e La reacción ocurre de derecha a izquierda Si Q = K e El sistema está en equilibrio Q c C D a A B d b Química 2º bachillerato Equilibrio químico 17

18 EJERCICIO-EJEMPLO Tenemos la reacción: Zn + 2 HCl ZnCl 2 + H 2. Si tenemos inicialmente dos moles de zinc en una disolución de 1,5 l con una concentración 2M de HCl y 0,5M de ZnCl 2 bajo una atmósfera de 2l de hidrógeno gaseoso en c.n. que se disuelve para reaccionar, determinar: a) El cociente de reacción inicial. b) La constante de equilibrio si al final tengo una concentración 1,3 M de ZnCl 2. Química 2º bachillerato Equilibrio químico 18

19 RELACIÓN DE EJERCICIOS CONSTANTE DE EQUILIBRIO Química 2º bachillerato Equilibrio químico 19

20 2. LA CONSTANTE DE EQUILIBRIO La constante de equilibrio puede expresarse de distintas formas: Constante de equilibrio referida a concentraciones molares (líquidos o gases): c d C D KC a b A B Constante de equilibrio referida a presiones parciales (gases): PP c d C D P a b PP A B Constante de equilibrio referida a fracciones molares (líquidos o gases): c d C D K X a b X Química 2º bachillerato Equilibrio químico AXB 20 K X X

21 2. LA CONSTANTE DE EQUILIBRIO Las tres constantes de equilibrios están relacionadas entre ellas: A través de la ley de gases ideales: n V P K P KC R T R T A través de la ley de Dalton: n n P X P K K P i i T P X. n c d a b Química 2º bachillerato Equilibrio químico 21

22 EJERCICIO-EJEMPLO Calcula los valores de K C, K P y K X a 250 C en la reacción de formación del yoduro de hidrógeno, H 2(g) + I 2(g) 2 HI (g). sabiendo que el volumen del recipiente de reacción 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. Química 2º bachillerato Equilibrio químico 22

23 2. LA CONSTANTE DE EQUILIBRIO La constante de equilibrio se relaciona con la energía libre de Gibbs en el equilibrio: ΔG 0 = - R T ln(k e ) K P1 H 1 1 K P1 H 1 1 ln log K R T T K R T T P2 1 2 P2 1 2 K C1 U 1 1 K C1 H 1 1 ln log KC2 R T1 T2 KC R T1 T2 Química 2º bachillerato Equilibrio químico 23

24 2. LA CONSTANTE DE EQUILIBRIO Las propiedades de la constante de equilibrio son: Reacción directa e inversa. Varias etapas. Distintos coeficientes. Química 2º bachillerato Equilibrio químico 24

25 2. LA CONSTANTE DE EQUILIBRIO Reacción directa e inversa: K C D d d a b A B Kd a b K A B i i c d C D a A b B c C d D K c C d D a A b B K c d 1 K i Química 2º bachillerato Equilibrio químico 25

26 2. LA CONSTANTE DE EQUILIBRIO Varias etapas: A B C C D E M E F P R D K K K A B F M P R K K K K F Química 2º bachillerato Equilibrio químico 26

27 2. LA CONSTANTE DE EQUILIBRIO Distintos coeficientes: A B C D K 1 2 A 2 B 2 C 2 D K K A B C D K Química 2º bachillerato Equilibrio químico 27 K

28 EJERCICIO-EJEMPLO Calcula la constante de equilibrio de formación del ácido metanoico (HCOOH), a partir de las siguientes constante de equilibrio: 2 C (s) + O 2(g) 2 CO (g) ; K e = 220,8 H 2(g) + ½ O 2(g) H 2 O (l) ; K e = 285,5 4 CO 2(g) 4 CO (g) + 2 O 2(g) ; K e = -1, HCOOH (l) + ½O 2(g) H 2 O (l) + CO 2(g) ; K e =259,6 Química 2º bachillerato Equilibrio químico 28

29 RELACIÓN DE EJERCICIOS RELACIÓN DE CONSTANTES DE EQUILIBRIO Química 2º bachillerato Equilibrio químico 29

30 3. EL PRINCIPIO DE LECHATELIER Según el principio de LeChatelier (o ley del desplazamiento del equilibrio químico) cuando en un sistema en equilibrio químico se varía algún factor externo, el equilibrio se desplaza en el sentido que tienda a contrarrestar dicha variación. Los factores externos que podemos encontrar son: Efecto de variación de la presión. Efecto de variación de la concentración. Efecto de variación de la temperatura. Los catalizadores no modifican el equilibrio (ni su constante). Química 2º bachillerato Equilibrio químico 30

31 3. EL PRINCIPIO DE LECHATELIER Según el principio de LeChatelier (o ley del desplazamiento del equilibrio químico) cuando en un sistema en equilibrio químico se varía algún factor externo, el equilibrio se desplaza en el sentido que tienda a contrarrestar dicha variación. Química 2º bachillerato Equilibrio químico 31

32 3. EL PRINCIPIO DE LECHATELIER Efecto de variación de la presión (solo para gases): El aumento de la presión total (compresión) afecta aumentando las presiones parciales y desplaza la reacción en el sentido que disminuye el número de moles de sustancias gaseosas. El descenso de la presión total (expansión) afecta disminuyendo las presiones parciales y desplaza la reacción en el sentido que aumenta el número de moles de sustancias gaseosas. La razón de esta variación la podemos ver en como la variación de presión afecta sobre el volumen que ocupan los gases. Al aumentar la presión es como si disminuyese el volumen (y viceversa). Química 2º bachillerato Equilibrio químico 32

33 3. EL PRINCIPIO DE LECHATELIER Mezcla en equilibrio Equilibrio roto Equilibrio final Química 2º bachillerato Equilibrio químico 33

34 3. EL PRINCIPIO DE LECHATELIER Efecto de variación de la concentración: El aumento de la concentración de una sustancia (reactivo o producto) participante en la reacción desplaza el equilibrio en el sentido que propicia la desaparición de dicha sustancia. El descenso de la concentración de una sustancia (reactivo o producto) participante en la reacción desplaza el equilibrio en el sentido que propicia la aparición de dicha sustancia. La razón de esta variación la podemos ver en la constante de equilibrio. Química 2º bachillerato Equilibrio químico 34

35 3. EL PRINCIPIO DE LECHATELIER Reactivos agregados Productos agregados Se forman productos Se forman reactivos Química 2º bachillerato Equilibrio químico 35

36 3. EL PRINCIPIO DE LECHATELIER Efecto de variación de la temperatura: El aumento de la temperatura desplaza el equilibrio en el sentido que la reacción absorbe calor: En una reacción endotérmica hacia la derecha. En una reacción exotérmica hacia la izquierda. El descenso de la temperatura desplaza el equilibrio en el sentido que la reacción desprende calor: En una reacción endotérmica hacia la izquierda. En una reacción exotérmica hacia la derecha. La razón de esta variación la podemos ver en la energía de reactivos y productos de la reacción. Química 2º bachillerato Equilibrio químico 36

37 EJERCICIO-EJEMPLO Para la siguiente reacción en equilibrio: 4 HCl (g) + O 2(g) 2 H 2 O (g) + 2 Cl 2(g) ; (ΔH = - 182,5 KJ) Justifica cuál es el efecto sobre la concentración del cloruro de hidrógeno en el equilibrio en los siguientes casos: a) Aumentar [O 2 ]. b) Disminuir [H 2 O]. c) Aumentar el volumen. d) Reducir la temperatura. e) Añadir un gas inerte como He. f) Introducir un catalizador. Química 2º bachillerato Equilibrio químico 37

38 RELACIÓN DE EJERCICIOS LECHATELIER Química 2º bachillerato Equilibrio químico 38

39 4. EJEMPLOS DE EQUILIBRIOS Desarrollos de equilibrios: A 2 B 3 C D A 2 B 3 C D a b a-x b-2x 3x x a b a(1-α) b(1-2α) 3aα aα K e 3 3x x a x b 2x 2 K e 3 3a a 1 b 1 2 a 2 Química 2º bachillerato Equilibrio químico 39

40 4. EJEMPLOS DE EQUILIBRIOS Desarrollos de equilibrios: Química 2º bachillerato Equilibrio químico 40

41 EJERCICIO-EJEMPLO En un recipiente de 2,0 litros de capacidad se introduce amoniaco a una temperatura de 20 ºC y a la presión de 14,7 atm. A continuación se calienta el recipiente hasta 300 ºC y se aumenta la presión hasta 50 atm. Determina el grado de disociación del amoniaco a dicha presión y temperatura y las concentraciones de las tres sustancias en el equilibrio. Química 2º bachillerato Equilibrio químico 41

42 EJERCICIO-EJEMPLO Una muestra de 3 moles de HI se introduce en un recipiente de 5 litros. Cuando se calienta el sistema hasta una temperatura de 900 K, el HI se disocia según la reacción: 2 HI H 2 + I 2, cuya constante es: K C = 3, Determina el grado de disociación del HI. Química 2º bachillerato Equilibrio químico 42

43 EJERCICIO-EJEMPLO A 200ºC y presión de 1 atmósfera, el PCl 5 se disocia en PCl 3 y Cl 2 en 49,5 %. Calcule: K c y K p. Química 2º bachillerato Equilibrio químico 43

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