UNIDAD 3. EQULIBRIO QUÍMICO

Transcripción

1 UNIDAD 3. EQULIBRIO QUÍMICO Equilibrio químico y características Constantes de equilibrio: K c y K p Grado de disociación Cociente de reacción Factores que afectan al equilibrio químico. Principio de Le Chatelier Equilibrios heterogéneos. Reacciones de precipitación Síntesis del amoniaco. Proceso de Haber Bosch

2 EQULIBRIO QUÍMICO

3 CARACTERISTICAS DEL EQUILIBRIO QUÍMICO Al mezclar dos sustancias en condiciones favorables de presión y temperatura, éstas reaccionan entre si para formar unos productos; pero Hasta que punto se produce una reacción química? Tenemos reacciones que tienen lugar hasta que se agota alguno de los reactivos, son las reacciones irreversibles. Pb(NO 3 ) 2 + 2KI PbI 2 + 2KNO 3 Hay también otras reacciones que se detienen antes de que se acabe alguno de los reactivos, son las reacciones reversibles. I 2 + H 2 2 HI Pero por qué ocurre esto? Vamos a estudiar el equilibrio químico desde un punto de vista cinético. Si tenemos la siguiente reacción elemental Según transcurre la reacción, la velocidad irá disminuyendo puesto que disminuye la concentración de los reactivos

4 CARACTERISTICAS DEL EQUILIBRIO QUÍMICO Pero en una reacción reversible a medida que van apareciendo los productos, estos también pueden reaccionar entre si dando lugar a los reactivos, luego la reacción también se desarrolla en sentido inverso. Según transcurre la reacción, la velocidad irá aumentando puesto que aumenta la concentración de los productos El equilibrio químico se alcanza cuando las velocidades de los procesos directo e inverso se igualan

5 CARACTERISTICAS DEL EQUILIBRIO QUÍMICO Analicemos la siguiente reacción: 2 NO 2 (g) N 2 O 4 El NO 2 es un gas marrón rojizo, qué ocurre si lo ponemos en un recipiente cerrado? La coloración del gas contenido va disminuyendo por la aparición de N 2 O 4 incoloro. A 298 K se transforma el 92% del NO 2 y aparentemente la reacción se detiene. A nivel macroscópico, a simple vista, cuando se alcanza el equilibrio parece que la reacción química se ha detenido. La reacción química ha alcanzado un estado estacionario. A nivel microscópico, la reacción entre las moléculas continúa produciéndose tanto en sentido directo como inverso. Se alcanza un equilibrio dinámico Este equilibrio dinámico se caracteriza porque la velocidad de formación de N 2 O 4 = velocidad de descomposición NO 2

6 CONSTANTES DE EQUILIBRIO Las expresiones de las constantes de equilibrio son fundamentales para el estudio del equilibrio químico. Cuando en una reacción se produce el equilibrio, la velocidad de la reacción directa e inversa se igualan. OJO En la expresión de la constante de equilibrio sólo aparecen las especies gaseosas y/o en disolución, ya que para los sólidos o líquidos se consideran las concentraciones como constantes y están incluidas en la constante de equilibrio. Las concentraciones se expresan en moles/ L

7 CONSTANTES DE EQUILIBRIO Ejemplo Tengamos el equilibrio: 2 SO 2 (g) + O 2 (g) 2 SO 3 (g). Se hacen cinco experimentos en los que se introducen diferentes concentraciones iníciales de ambos reactivos (SO 2 y O 2 ). Se produce la reacción y una vez alcanzado el equilibrio se miden las concentraciones tanto de reactivos como de productos observándose los siguientes datos: Concentr. iniciales (mol/l) Concentr. equilibrio (mol/l) [SO 2 ] [O 2 ] [SO 3 ] [SO 2 ] [O 2 ] [SO 3 ] Exp 1 0,20 0,20 0,030 0,155 0,170 Exp 2 0,15 0,40 0,014 0,332 0,135 Exp 3 0,20 0,053 0,026 0,143 Exp 4 0,70 0,132 0,066 0,568 Exp 5 0,15 0,40 0,25 0,037 0,343 0,363 K c 279,2 280,7 280,0 280,5 280,6 las concentraciones en el equilibrio son distintas en cada experiencia, Sin embargo hay una relación entre ellas

8 CONSTANTES DE EQUILIBRIO El valor de la constante de equilibrio es específico para cada reacción química y depende de cómo se escriba la reacción química ajustada. En reacciones gaseosas es más interesante expresar la constante de equilibrio en función de las presiones parciales.

9 CONSTANTES DE EQUILIBRIO Para la reacción Teniendo en cuenta que

10 CONSTANTES DE EQUILIBRIO El valor de ambas constantes puede variar entre límites bastante grandes: La reacción está muy desplazada a la derecha. Se trata de un verdadero equilibrio. La reacción está muy desplazada a la izquierda, apenas se forman productos

11 CONSTANTES DE EQUILIBRIO Grado de disociación El término grado de disociación se utiliza frecuentemente en aquellas reacciones en las que existe un único reactivo que se disocia en dos o más. El grado de disociación nos indica el tanto por uno de reactivo que habrá reaccionado. En consecuencia, el % de sustancia disociada es igual a 100. Cociente de reacción Q tiene la misma expresión que la Kc pero con la diferencia de que las concentraciones no tienen porque ser las del equilibrio. Si Q = Kc entonces el sistema está en equilibrio. Si Q < Kc el sistema no está en equilibrio, esto significa que hay menos productos y evolucionará hacia la derecha, para aumentar las concentraciones de los productos hasta que Q se iguale con Kc. Si Q > Kc el sistema no está en equilibrio, esto significa que hay menos reactivos y evolucionará hacia la izquierda, para aumentar las concentraciones de los reactivos hasta que Q se iguale con Kc

12 FACTORES QUE AFECTAN AL EQUILIBRIO. PRINCIPIO DE LE CHATELIER Un cambio o perturbación en cualquiera de las variables que determinan el estado de equilibrio químico, produce un desplazamiento del equilibrio en el sentido de contrarrestar o minimizar el efecto causado por la perturbación. Cambios de concentración Si el sistema está en equilibrio la relación entre las concentraciones viene dada por la constante de equilibrio Si se modifican las concentraciones de las sustancias, la relación entre las concentraciones será distinta, y el sistema evolucionará para contrarrestar esa modificación y alcanzar de nuevo el equilibrio se denomina cociente de reacción

13 FACTORES QUE AFECTAN AL EQUILIBRIO. PRINCIPIO DE LE CHATELIER Si se aumenta las concentración de alguno de los productos, la reacción química se desplazará para contrarrestar esa modificación y alcanzar de nuevo el equilibrio Q > Kc el sistema no se encuentra en equilibrio se desplaza Si se aumenta las concentración de alguno de los reactivos, la reacción química se desplazará para contrarrestar esa modificación y alcanzar de nuevo el equilibrio Q < Kc el sistema no se encuentra en equilibrio se desplaza

14 FACTORES QUE AFECTAN AL EQUILIBRIO. PRINCIPIO DE LE CHATELIER Cambios en la presión o en el volumen Aumenta la presión, permaneciendo las otras magnitudes constantes, el equilibrio se desplaza hacia donde haya menor número de moléculas gaseosas Disminuye la presión, permaneciendo las otras magnitudes constantes, el equilibrio se desplaza hacia donde haya mayor número de moléculas gaseosas Aumenta el volumen es lo mismo que disminuir la presión, el equilibrio se desplaza hacia donde haya mayor número de moléculas gaseosas Disminuir el volumen es lo mismo que aumentar la presión, el equilibrio se desplaza hacia donde haya menor número de moléculas gaseosas Aumenta la P

15 FACTORES QUE AFECTAN AL EQUILIBRIO. PRINCIPIO DE LE CHATELIER 2 NO 2 (g) N 2 O 4 (g) 2 moles 1 mol I 2 (g) + H 2 (g) 2 HI (g) 1 mol + 1 mol 2 moles n = 0 No afecta al equilibrio

16 FACTORES QUE AFECTAN AL EQUILIBRIO. PRINCIPIO DE LE CHATELIER Cambios en la temperatura Se observa que al aumentar T el sistema se desplaza para compensar el calor añadido. PCl 5 (g) + Q PCl 3 (g) + Cl 2 (g) H > 0 reacción endotérmica El aumento de temperatura favorece la reacción endotérmica En una reacción exotérmica al aumentar la temperatura, el equilibrio se desplaza hacia los reactivos 2 NO 2 (g) N 2 O 4 (g) + Q H < 0 reacción exotérmica La disminución de la temperatura tiene efectos opuestos a los anteriores Adición de un catalizador Al añadir un catalizador no se modifica el equilibrio, lo único que puede producirse es que la reacción modifique su velocidad

17 EQUILIBRIOS HETEROGÉNEOS. REACCIONES DE PRECIPITACIÓN Se habla de reacción homogénea cuando tanto reactivos como productos se encuentran en el mismo estado físico. En cambio, si entre las sustancias que intervienen en la reacción se distinguen varias fases o estados físicos, hablaremos de reacciones heterogéneas. En la constante de equilibrio solo intervienen las concentraciones de las sustancias gaseosas o que estén en disolución, ya que las concentraciones de las otras sustancias, líquidos o sólidos, permanecen prácticamente constantes y están incluidas en el término Kc

18 EQUILIBRIOS HETEROGÉNEOS. REACCIONES DE PRECIPITACIÓN Solubilidad. Producto de solubilidad Disolución saturada es aquella que presenta la máxima cantidad de soluto en disolución Solubilidad: es la máxima cantidad de soluto que a una temperatura dada se puede disolver en un volumen constante de disolución. La solubilidad coincide con la concentración de una solución saturada. Constante del producto de solubilidad Si generalizamos para todo tipo de equilibrio:

19 EQUILIBRIOS HETEROGÉNEOS. REACCIONES DE PRECIPITACIÓN Relación entre la solubilidad y el producto de solubilidad [ ] inicial c [ ] en el equilibrio c - s s s [ ] inicial c [ ] en el equilibrio c - s 2 s 3 s

20 EQUILIBRIOS HETEROGÉNEOS. REACCIONES DE PRECIPITACIÓN Cómo saber si se formará un precipitado al mezclar dos disoluciones? Mezclamos dos disoluciones que contienen dos iones que pueden formar una sal insoluble. Por ejemplo una disolución de nitrato de plomo y sulfato de sodio Pb 2 2 Na ( ac) 2 NO3 ( ac) 2 ( ac) SO 4 ( ac) Q 2 2 Pb SO 4 Q = K PS Equilibrio : disolución saturada Q > K PS Se desplaza hacia la izquierda : precipita Q < K PS No precipita : disolución no saturada.

21 EQUILIBRIOS HETEROGÉNEOS. REACCIONES DE PRECIPITACIÓN Efecto del ión común en los equilibrios de solubilidad Si a una disolución que ya contiene unas sustancias disueltas, le añadimos otra sustancia que contiene algún ión que ya está presente en la disolución (ión común), se producirá un aumento de la concentración de dicho ión y puede sobrepasarse el valor de Kps y ocasionar que precipite una sal. Tenemos una disolución de yoduro de plata Si añadimos una sustancia que tenga un ión común a los anteriores disueltos, como Al aumentar la concentración del ión yoduro se modificará el equilibrio de solubilidad de Desplazándose hacia la izquierda pudiendo producirse la precipitación de de las nuevas concentraciones sobrepasa el valor de Kps si el producto

22 SINTESIS DEL AMONIACO. PROCESO DE HABER BOSCH Es muy importante en la industria para conseguir un mayor rendimiento, saber qué condiciones favorecen el desplazamiento de un equilibrio hacia la formación de un producto. En la síntesis de Haber en la formación de amoniaco: N 2 (g) + 3 H 2 (g) 2 NH 3 (g) + Q H = - 109,5 K kj qué condiciones según Le Chatelier favorecen la formación de amoníaco? Temperatura Disminuir la temperatura : Temperatura Baja Presión Aumentar la presión: Presión alta Trabaja así la industria? NO Porque a temperaturas bajas la velocidad de la reacción es PEQUEÑA Hay que establecer un punto en el que la cinética y el equilibrio se encuentren favorecidos, a una temperatura no muy baja para no disminuir mucho la velocidad de reacción y no muy alta para no influir en el rendimiento de la reacción

23 SINTESIS DEL AMONIACO. PROCESO DE HABER BOSCH Hay que mantener un equilibrio entre rendimiento y tiempo de reacción.