CURSO: 2º DE BACHILLERATO ASIGNATURA: QUÍMICA EQUILIBRIO QUÍMICO EQUILIBRIO QUÍMICO

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1 CURSO: 2º DE BACHILLERATO ASIGNATURA: QUÍMICA EQUILIBRIO QUÍMICO EQUILIBRIO QUÍMICO Desde un punto de vista termodinámico, la condición de equilibrio químico se establece a partir de la variación de la energía libre de Gibbs. Una reacción química está en equilibrio cuando G = 0. En este momento las velocidades de las reacciones directa e inversa son iguales y las concentraciones de todas las especies químicas permanecen contantes. 1

2 EQUILIBRIO QUÍMICO En un proceso químico, el equilibrio químico es el estado en el que las concentraciones de los reactivos y los productos no tienen ningún cambio neto en el tiempo. El equilibrio químico se establece cuando existen dos reacciones opuestas que tienen lugar simultáneamente a la misma velocidad. En el equilibrio químico, las velocidades de la reacción directa e inversa son iguales. CONSTANTE DE EQUILIBRIO Los científicos noruegos C. Guldberg y P. Waage, en 1864, encontraron experimentalmente la ley que relaciona las concentraciones de los reactivos y productos en el equilibrio con una magnitud, que se denominó constante de equilibrio. aa + bb cc + dd Esta expresión se conoce como Ley de Acción de Masas. 2

3 LEY DE ACCIÓN DE MASAS En un proceso elemental, el cociente entre el producto de las concentraciones en el equilibrio de los productos elevadas a sus respectivos coeficientes estequiométricos, y el producto de las concentraciones de los reactivos elevadas a sus respectivos coeficientes estequiométricos, es una constante para cada temperatura, llamada constante de equilibrio. aa + bb cc + dd Justificación cinética de Kc Si consideramos que tanto el proceso directo como el inverso son procesos elementales, constituidos por una etapa elemental aa + bb cc + dd La velocidad de los procesos directo e inverso son: V d = k d [A] a [B] b ; V i = k i [C] c [D] d Igualando las velocidades: V d = V i ; se tiene que: k d [A] a [B] b = k i [C] c [D] d ; Kc = k d /k i 3

4 Justificación termodinámica de Kc Desde el punto de vista termodinámico, Kc está relacionada con el cambio que experimenta la energía libre estándar de un sistema mediante la expresión: ΔG 0 = - R T lnkp Cuanto más espontáneo sea un proceso en condiciones estándar, mayor será el valor de Kc, y viceversa. Si ΔG 0 < 0, Kc >1 y la reacción está desplazada hacia la formación de los productos. Si ΔG 0 > 0, Kc <1 y la reacción está desplazada hacia la formación de los reactivos. COCIENTE DE REACCIÓN Para evaluar el estado del sistema y predecir el sentido de la reacción, directo o inverso, se calcula el Cociente de Reacción, Q, a partir de la expresión de la Ley de Acción de Masas, donde las concentraciones expresadas son las iniciales. aa + bb cc + dd Al comparar Q con Kc puede ocurrir lo siguiente: a) Q < Kc, predomina la reacción directa, hasta llegar al equilibrio. b) Q = Kc, el sistema está en equilibrio. c) Q > Kc, predomina la reacción inversa, hasta llegar al equilibrio 4

5 Características del Equilibrio Las propiedades macroscópicas del sistema (concentraciones, presiones parciales ) son constantes. En el equilibrio, el sistema no intercambia materia con el entorno. Es un estado dinámico, las reacciones directa e inversa ocurren con la misma velocidad. La temperatura es la variable fundamental que controla el equilibrio del sistema. La constante de equilibrio cambia cuando lo hace la temperatura. Relación entre Kc y Kp En el caso de equilibrios homogéneos en fase gaseosa: aa (g) + bb (g) cc (g) + dd (g) Según la ecuación general de los gases: Δn se refiere a la variación de moles estequiométricos de las sustancias gaseosas que intervienen en la reacción. 5

6 Equilibrios heterogéneos No todos los reactivos y productos se encuentran en la misma fase. En la expresión de la constante de equilibrio no se incluyen ni los sólidos ni los líquidos puros. CaCO 3 (s) CaO (s) + CO 2 (g) ; Kp = P CO2 2 HgO (s) 2 Hg (l) + O 2 (g) ; Kp = P O2 La concentración de un sólido puro o de un líquido puro es un propiedad intensiva, no depende de la cantidad de sustancia presente, por tanto es constante. GRADO DE DISOCIACIÓN Se define como grado de disociación, α, la fracción de mol que se disocia; es decir, el tanto por uno de moles disociados de reactivo en el equilibrio. A 2B Condiciones iniciales c 0 En el equilibrio c(1-α) 2cα Ejemplo N 2 O 4 (g) 2 NO 2 (g) 2 A B + C Condiciones iniciales c 0 0 En el equilibrio c(1-α) cα/2 cα/2 Ejemplo 2 HI (g) H 2 (g) + I 2 (g) 6

7 PRINCIPIO DE LE CHÂTELIER Si en un sistema en equilibrio es perturbado desde el exterior modificando sus condiciones (temperatura, presión, concentraciones), el sistema evoluciona de forma que se desplaza en el sentido que tienda a contrarrestar dicha perturbación. Los cambios en las condiciones experimentales pueden alterar el valor de las concentraciones en el equilibrio. Los factores que más afectan al equilibrio son: a) Cambios en las concentraciones de reactivos o productos. b) Cambios en la presión o el volumen. c) Cambios en la temperatura. d) Efecto de un catalizador. Cambios en las concentraciones Un cambio en la concentración de alguno de los reactivos o productos no modifica el valor de la constante de equilibrio. Al añadir una sustancia, el equilibrio se desplaza en el sentido en el que reaccione esa sustancia. Al retirar una sustancia, el equilibrio se desplaza en el sentido en el que se produce esa sustancia. 7

8 Cambios en la presión o el volumen La variación de la presión en un equilibrio químico no afecta a sólidos y a líquidos. Según la ley de Boyle un aumento de presión conlleva una disminución de volumen y una disminución de presión conlleva un aumento de volumen. Al aumentar la presión del sistema, se produce una disminución de volumen y el equilibrio se desplaza en el sentido donde menor sea el número de moles de gas para contrarrestar la perturbación externa. Si en el proceso no hay variación en el número de moles (Δn 0), el equilibrio no se ve afectado por los cambios de presión o volumen. Efecto de la temperatura Es la única variable, que además de influir en el equilibrio, modifica el valor de su constante. Si aumentamos la temperatura, el Principio de Le Châtelier establece que el sistema tratará de bajarla, contrarrestando así la perturbación exterior. Un aumento de temperatura favorece siempre el proceso endotérmico, y una disminución el exotérmico. Si el proceso directo es endotérmico, un incremento de la temperatura origina un aumento de K; por el contrario, si el proceso directo es exotérmico, un aumento de la temperatura produciría una disminución de K. 8

9 Efecto de un catalizador La adición de un catalizador a un sistema en equilibrio no produce ningún cambio en su estado. Un catalizador es una sustancia que aumenta la velocidad de los procesos directo e inverso en la misma cuantía. Actúa disminuyendo la energía de activación. Un catalizador no altera el valor de las funciones termodinámicas (ΔH, ΔG) pero reduce el tiempo que se tarda en alcanzar el estado de equilibrio. 9