QUÍMICA. Tema 6. Equilibrio Químico

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1 Tema 6. Equilibrio Químico Índice - Equilibrio químico - Ley del equilibrio químico - Principio de Le Chatelier Objetivos específicos - Que el alumno pueda determinar constantes de equilibrio - Que el alumno sepa calcular concentraciones de especies en equilibrio - Que el alumno pueda predecir cómo afectarán los cambios de condiciones al equilibrio Resumen del tema 6 Equilibrio Químico Los procesos químicos son reversibles, es decir, que los productos resultantes pueden en parte combinarse entre sí, a medida que se van formando, y originar las sustancias de partida, hasta que se alcanza un estado de equilibrio. Se trata de un proceso dinámico, de forma que microscópicamente las moléculas de reactivo siguen reaccionando, pero por otro lado, y a la misma velocidad, otras moléculas de producto reaccionan para originar los productos de partida; el resultado macroscópico es que la reacción no avanza. Para indicar que una reacción es reversible, y que por lo tanto en las condiciones adecuadas dará lugar a un estado de equilibrio químico, se utiliza una doble flecha N 2 (g) + 3 H 2 (g) 2 NH 3 (g) El estado de equilibrio sólo puede existir en un sistema cerrado. Si el sistema está abierto y uno o varios productos escapan según se van formando, la reacción continuará hasta que se consuman los reactivos. Ley del Equilibrio Químico Para cualquier reacción que se encuentre en estado de equilibrio se cumple Tema 6 N - 1.

2 a A + b B c C + d D K c = [C] c [D] d [A] a [B] b donde K c es una constante denominada constante de equilibrio que sólo depende de la temperatura (y no de las concentraciones), y [X] es la concentración de la sustancia X en el equilibrio (medida en mol/l). Esta ecuación se denomina ley del equilibrio químico, o ley de acción de masas. Si se tiene en cuenta que, en la expresión de la constante de equilibrio, las concentraciones de los productos figuran en el numerador y las de los reactivos en el denominador, un valor elevado de K sugiere que el equilibrio está muy desplazado hacia la formación de los productos; en cambio, un valor muy pequeño de K indica que apenas se produce reacción. Principio de Le Chatelier El equilibrio de una reacción se ve afectado por la temperatura, la presión (en el caso de que al menos uno de los componentes sea un gas) y la concentración de las sustancias que intervienen. Si en una reacción en equilibrio variamos alguno de esos factores, el equilibrio se romperá, y la reacción procederá hasta alcanzar unas concentraciones que correspondan a un nuevo estado de equilibrio. Cualitativamente se puede predecir la influencia de la variación de esos factores utilizando el principio de Le Chatelier, que dice que cuando en un sistema en equilibrio se varía algún factor externo, el equilibrio se desplaza en el sentido que tienda a contrarrestar dicha variación. Así, si a una reacción que ha alcanzado el equilibrio se le añade una cantidad de uno de los componentes, el equilibrio se desplazará en el sentido de consumir parte de esa nueva cantidad, hasta que existan concentraciones de todos los componentes que restablezcan el equilibrio A + B C + D Conc. inicio Conc. equilibrio [C] [D] [1] [1] K c = = = 1 [A] [B] [1] [1] Si una vez alcanzado el equilibrio se añade una cantidad del reactivo A, deja de cumplirse la ley de equilibrio Tema 6 N - 2.

3 A + B C + D Conc. equilibrio Conc. tras adición [C] [D] [1] [1] K c = = 1 = [A] [B] [2] [1] Como hay un exceso de reactivos, se consumirán para formar productos, hasta que se alcancen unas concentraciones que satisfagan la ley de equilibrio para esta reacción: el equilibrio se desplazará hacia la derecha A + B C + D Conc. inicio Conc. nuevo equilibrio [C] [D] [1'2] [1'2] K c = = = 1 [A] [B] [1'8] [0'8] Por otro lado, la variación de la presión sólo afecta de manera práctica en las reacciones en las que por lo menos uno de los componentes es un gas. En este caso, al aumentar la presión total, el equilibrio se desplaza en el sentido en que disminuya el volumen. Como el volumen de un gas es proporcional al número de moles, el aumento de la presión favorece la reacción en el sentido en que disminuya el número de moles gaseosos N 2 O 4 (g) 2 NO 2 (g) [NO 2 ] 2 (n NO2 /V) 2 2 n NO2 K c = = = [N2 O 4 ] (n N2O4 /V) nn2o4 Como un aumento de la presión disminuye el volumen, y puesto que K c debe permanecer constante, ha de disminuir la relación (n NO2 ) 2 /(n N2O4 ), esto es ha de aumentar el número de moles de N 2 O 4, y disminuir el número de moles de NO 2 : el equilibrio se desplazará hacia la izquierda. Es fácil deducir que, en las reacciones que tienen lugar sin variación en el número de moles gaseosos, la presión total no afecta al equilibrio. Por último, una bajada de temperatura desplaza el equilibrio hacia la reacción exotérmica, mientras que un aumento de temperatura favorece la reacción endotérmica 2 SO 2 (g) + O 2 (g) 2 SO 3 (g) H = -197 kj Así, un aumento de la temperatura desplaza el equilibrio hacia la izquierda, mientras que una disminución de la temperatura desplaza el equilibrio hacia la derecha. 1 V Tema 6 N - 3.

4 Problemas resueltos del tema 6 - En un matraz cerrado de 5 L de capacidad y a la presión de 1 atm, se calienta una cantidad de dióxido de nitrógeno (NO 2 ) a 327 ºC, con lo que se produce la reacción 2 NO 2 2 NO + O 2 contiene 3 45 g de NO 2, 0 60 g de NO y 0 32 g de O 2. Calcular el valor de K c. Datos: masa at. (N) = 14 uma, masa at. (O) = 16 uma Primero hay que calcular las masas moleculares y, con ellas, el número de moles de cada sustancia NO 2 masa molecular = 1 x x 16 = 46 uma nº moles = 3 45/46 = NO masa molecular = 1 x x 16 = 30 uma nº moles = 0 60/30 = 0 02 O 2 masa molecular = 2 x 16 = 32 uma nº moles = 0 32/32 = 0 01 Para calcular K c necesitamos emplear concentraciones, por lo que teniendo en cuenta que el volumen del recipiente es de 5 L K c = [NO] 2 [O 2 ] [NO 2 ] 2 (0'02/5) 2 (0'01/5) = (0'075/5) 2 = 1' Cuando 30 g de ácido acético (CH 3 COOH) reaccionan con 46 g de alcohol etílico (CH 3 CH 2 OH) a 25 ºC, se forman g de acetato de etilo (CH 3 COOCH 2 CH 3 ), y una cierta cantidad de agua. Calcular la constante de equilibrio para la reacción CH 3 COOH + CH 3 CH 2 OH CH 3 COOCH 2 CH 3 + H 2 O Datos: masa at. (C) = 12 uma, masa at. (H) = 1 uma, masa at. (O) = 16 uma La masa molecular del CH 3 COOH es (2 x x x 16 =) 60 uma, la del CH 3 CH 2 OH es (2 x x x 16 =) 46 uma, y la del CH 3 COOCH 2 CH 3 es (4 x x x 16 =) 88 uma, por lo tanto tenemos CH 3 COOH + CH 3 CH 2 OH CH 3 COOCH 2 CH 3 + H 2 O moles inicio moles equilibrio z 1 - z z z Como se han formado (36 96/88 =) 0 42 moles de CH 3 COOCH 2 CH 3, tenemos que z = 0 42, luego Tema 6 N - 4.

5 CH 3 COOH + CH 3 CH 2 OH CH 3 COOCH 2 CH 3 + H 2 O moles inicio moles equilibrio Por lo tanto, si el volumen total es V, tenemos que la constante de equilibrio será [CH 3 COOCH 2 CH 3 ] [H 2 O] K c = [CH3 COOH] [CH 3 CH 2 0H] (0'42/V) (0'42/V) = = 3'8 (0'08/V) (0'58/V) Tema 6 N - 5.

6 Problemas del tema 6 - En un recipiente de 10 L se introducen 0 61 mol de CO 2 y 0 39 mol de H 2, y se calienta a 1250 ºC, produciéndose la reacción CO 2 + H 2 CO + H 2 O contiene 0 35 mol de CO 2. Calcular las cantidades de los otros gases presentes en el equilibrio, y el valor de K c a dicha temperatura. Solución: H 2 = 0 13 mol, CO = H 2 O = 0 26 mol, K c = En un recipiente de 5 L se introducen 1 mol de SO 2 y 1 mol de O 2, y se calienta a 1000 K, originándose la reacción 2 SO 2 + O 2 2 SO 3 contiene 0 15 mol de SO 2. Calcular la cantidad de SO 3 formada, y el valor de K c a dicha temperatura. Solución: SO 3 = 0 85 mol, K c = En un recipiente de 15 L se introducen 2 moles de I 2 y 2 moles de H 2, y se calienta a 400 ºC, originándose la reacción I 2 + H 2 2 HI contiene g de HI. Calcular el valor de K c a dicha temperatura. Datos: masa at. (I) = 127 uma, masa at. (H) = 1 uma Solución: K c = 64 - En un recipiente de 10 L se introducen 1 5 moles de NO y 2 moles de CO 2, y se calienta a 600 ºC, originándose la reacción NO + CO 2 CO + NO 2 contiene 30 8 g de CO. Calcular las cantidades en gramos de los otros gases presentes en el equilibrio, y el valor de K c a dicha temperatura. Datos: masa at. (N) = 14 uma, masa at. (O) = 16 uma, masa at. (C) = 12 uma Solución: NO = 12 g, CO 2 = 39 6 g, NO 2 = 50 6 g, K c = 3 36 Tema 6 N - 6.

7 - Indicar si afectará, y en caso positivo cómo afectará, una variación de la presión al equilibrio de la siguiente reacción 2 SO 2 (g) + O 2 (g) 2 SO 3 (g) Solución: sí afectará; un aumento de la presión desplazará el equilibrio hacia la derecha, hacia la obtención de SO 3, mientras que una disminución de la presión desplazará el equilibrio hacia la izquierda, hacia la obtención de SO 2 y O 2 - Indicar si afectará, y en caso positivo cómo afectará, una variación de la presión al equilibrio de la siguiente reacción NO (g) + CO 2 (g) CO (g) + NO 2 (g) Solución: no afectará, puesto que la reacción transcurre sin variación en el número de moles gaseosos Tema 6 N - 7.