Equilibrio Químico. Page 1

Transcripción

1 Equilibrio químico Equilibrio Químico Conceptos Variables que afectan el equilibrio Cociente de reacción Relación K-Kp Concepto de equilibrio químico: Es un estado en el cual no se observan cambios conforme pasa el tiempo. CONDICIONES: Sistema cerrado Reacción reversible CARACTERÍSTICAS: La velocidad directa igual a la velocidad indirecta. Las propiedades físicas permanecen constantes. Las concentraciones (o las presiones parciales, si es un sistema gaseoso) de las especies de reactantes y de productos son constantes. 2 Equilibrio químico Por convención, se considera reactantes las sustancias escritas al lado izquierdo de las flechas de equilibrio y producto las que están al lado derecho. Al inicio de un proceso reversible, la reacción procede hacia la formación de productos (velocidad directa). Al formarse el producto comienza el proceso inverso, las moléculas reaccionan y forman reactantes (velocidad indirecta). El equilibrio químico de un sistema se logra observar cuando las propiedades macroscópicas son constantes. Equilibrio químico La observación de las propiedades macroscópicas de una reacción, permiten indicar la presencia de un equilibrio químico. Tales propiedades podrían ser: Color Presión Radioactividad Densidad, entre otros 3 4 Page 1

2 Equilibrio químico Un sistema reversible no asegura que está en equilibrio químico a no ser que cumpla con las características del mismo. En el equilibrio, las concentraciones (o presiones parciales) de los especies permanecen constantes. El equilibrio químico es un equilibrio dinámico al darse una gran actividad, a nivel molecular se da la conversión de reactantes a productos y viceversa. La velocidad directa es igual a la velocidad indirecta. No confundir entre velocidad de reacción y equilibrio químico. Ley de acción de masas Ley de acción de masas ( propuesta por Guldberg y Waage en 1864) Establece que para una reacción reversible en equilibrio a una temperatura constante, la relación de las concentraciones de reactantes y productos se expresan en términos de una constante de equilibrio. La relación de las concentraciones ( o presiones parciales) en el equilibrio de las especies participantes da como resultado una constante. 5 6 Constante de equilibrio CONSTANTE DE EQUILIBRIO QUIMICO Estudios experimentales muestran que para cualquier reacción: a A + b B c C + d D Donde a, b, c y d son los coeficientes estequiométricos, la expresión de la constante de equilibrio a una temperatura dada será igual a Ke = [C] c [D] d / [A] a [B] b esta ecuación es la expresión matemática de la ley de acción de masas. Constante de equilibrio La constante de equilibrio depende del sistema químico y de la temperatura de dicho sistema. La constante de equilibrio, es un valor numérico que representa la relación de concentraciones productos y reactantes en equilibrio. Para este curso, emplearemos la siguiente nomenclatura para las diferentes expresiones de constantes (en el libro de texto aparece otra). 7 8 Page 2

3 Constante de equilibrio Dependiendo del sistema evaluado se presentan diferentes constantes: Ke: incluye todas las especies. K : sólo aquellas especies cuya concentración pueda variar (acuosas y gaseosas). Kp: para los gases, expresa presiones parciales en equilibrio. Kps: constante del producto de solubilidad. Kw: constante de ionización del agua. Ka: constante de ionización de los ácidos o constante de acidez Kb: constante de ionización de las bases o constante de basicidad. Las constantes marcadas se expresan en términos de concentraciones molares. Constante de Equilibrio Consideraciones para expresar la constante de equilibrio La ecuación debe estar balanceada. Las concentraciones o presiones parciales de los productos aparecen en el numerador. Las concentraciones o presiones parciales de los reactantes aparecen en el denominador. La expresión de la constante depende de la forma en que se haya escrito la ecuación química que describe el sistema en equilibrio Constante de Equilibrio CARACTERISTICAS DE LA CONSTANTE DE EQUILIBRIO QUIMICO Los valores de constante de equilibrio tienen una aplicación práctica en reacciones reversibles. Estas reacciones se simbolizan con una doble flecha N 2 O 4(g) Existen reacciones que son irreversibles 2 NO 2(g) Ejemplos:quemar papel, cocinar un huevo entre otros Constante de Equilibrio CARACTERISTICAS DE LA CONSTANTE DE EQUILIBRIO QUIMICO 1. Para la reacción reversible en equilibrio químico: N 2 O 4 (g) El valor de K = 0, NO 2(g) Si se escribe en dirección opuesta por ej: 2 NO 2 (g) N 2 O 4 (g) El valor de K = 1/ K, K = 216 La expresión de K depende de la forma en que está escrita la ecuación química Page 3

4 Constante de Equilibrio CARACTERISTICAS DE LA CONSTANTE DE EQUILIBRIO QUIMICO N 2 O 4 (g) 2NO 2 (g) 2. El valor de K depende de la forma en que se balancea la ecuación química 1/2 N 2 O 4 (g) NO 2 (g) K =[ NO 2 ] / [N 2 O 4 ] 1/2 luego K será igual a K = K 1/2 equilibrio equilibrio equilibrio 3. Las concentraciones de las especies que participan en la reacción deben de ser expresadas en concentración mol/litro o en atmósferas. Tiempo Tiempo Tiempo Al principio con NO 2 Al principio con N 2 O 4 Al principio con NO 2 & N 2 O 4 Tomado del Chang,R.Química. Cap Tiempo Tiempo Tiempo constante Magnitud de la constante de equilibrio MAGNITUD DE LA CONSTANTE DE EQUILIBRIO Indica si la reacción en equilibrio es favorable a los reactantes o los productos. Si es mucho mayor que 1, el equilibrio se desplazará hacia la formación de productos. Si es mucho menor que 1 el equilibrio se desplazará hacia los reactantes. Cualquier número superior a 10 se considera que es mucho mayor que 1 y cualquier número menor que 0,1 es mucho menor que 1. Tomado del Chang,R.Química. Cap Page 4

5 Magnitud de la constante de equilibrio La magnitud de la constante de equilibrio indica la extensión de la reacción. Por ejemplo: 2 O 3(g) 3 O 2(g) K = 2,54 x significa que en equilibrio, la cantidad de ozono(o 3 ) es mínima comparada con la del oxígeno. Para una concentración de oxígeno igual a 0,1 molar la cantidad de ozono será [ O 3 ] = 1,98 x 10-8 mol/l Magnitud de la constante de equilibrio En el otro extremo, se tienen reacciones con valores de K muy pequeños, por ejemplo: Cl 2(g) Cl (g) + Cl (g) K = 1,4 x Una mezcla en equilibrio de estos gases tendrá siempre una mayor concentración de cloro molecular. Para una [Cl 2 ] = 0,76 molar, la concentración del cloro atómico será [Cl ] = 1 x mol/l Cambios en la concentración EQUILIBRIO QUÍMICO Variables que afectan el equilibrio químico CONCENTRACIÓN PRESIÓN-VOLUMEN TEMPERATURA Si un sistema en equilibrio es sometido a una condición externa que lo modifica, éste se ajustará de forma que neutralice los efectos dicha modificación. Si a un sistema que está en equilibrio se le añade más reactante o producto, el sistema se desplazará hasta restablecer el equilibrio consumiendo de lo agregado. Caso contrario al extraer un reactante o un producto, el sistema se desplazará para reponer dicha sustancia y reestablecer el equilibrio. 20 Page 5

6 Cambios en la concentración Cambios en la concentración FeSCN 2+ (ac) Fe 3+ (ac) + SCN - (ac) Rojo amarillo pálido incoloro Para esta reacción en equilibrio, se pueden dar las siguientes situaciones: Adicionar más NaSCN, ésto provoca un aumento de la concentración del ión tiocianato, el sistema se desplazará hacia la producción de reactantes, disminuyendo la concentración de productos. (FeSCN) 2+ (ac) Fe 3+ (ac) + SCN - (ac) Rojo amarillo pálido incoloro Al adicionar ión hierro (III), el equilibrio nuevamente se desplaza hacia reactantes para disminuir la concentración de productos y reestablecer el equilibrio. Adición de NaSCN Adición de Fe Cambios en la concentración Cambios en la concentración FeSCN 2+ (ac) Fe 3+ (ac) + SCN - (ac) Rojo amarillo pálido incoloro Al adicionar FeSCN 2+ el equilibrio se desplaza hacia la producción de productos, disminuyendo la concentración de reactantes para de nuevo el equilibrio. En todos estos casos se ha alcanzado un nuevo equilibrio, la relación de concentraciones de los reactantes y productos se mantiene constante. Lo único que ha variado es la posición del equilibrio. Adición FeSCN Page 6

7 Cambios en presión-volumen Los líquidos y sólidos generalmente no son afectados por cambios de presión y volumen. Sin embargo los gases experimentan fuertes cambios en sus concentraciones al cambiar estas dos variables. Cambios en presión-volumen Presión Presión Presión Para la reacción, N 2 O 4(g) 2 NO 2(g) el cambio de presión o volumen provoca grandes cambios en la posición de equilibrio. N 2 O 4(g) Incoloro 2 NO 2(g) Café-rojizo sms Cambios en presión-volumen El valor de la constante de equilibrio permanece mientras no cambie la TEMPERATURA. En el caso de la compresión de gases por cambios de volumen o presión lo que varía es la posición del equilibrio. El equilibrio se desplaza para compensar el efecto sobre el sistema. Cambios en presión-volumen Un aumento de presión con disminución de volumen hace que el equilibrio se desplace hacia donde haya menor número de moles gaseosos. Una disminución de presión con aumento de volumen hace que el equilibrio se desplace hacia donde haya mayor número de moles gaseosos. Para un sistema en equilibrio donde el número de moles gaseosos de reactante y productos son iguales, un cambio en la presión o de volumen no afecta la posición del equilibrio Page 7

8 Cambios en presión-volumen Un aumento en la presión del sistema no implica necesariamente un cambio de volumen, esto sucede si usamos un gas inerte al sistema. La presencia de un gas inerte que no reacciona con el sistema no afecta la posición de equilibrio. Los cambios de presión-volumen y concentración lo que varían es la posición del equilibrio. Cambios de temperatura En los dos casos anteriores, los cambios de concentración y de presión-volumen provocaron un desplazamiento de la posición del equilibrio sin alterar el valor de la constante de equilibrio. Un cambio de temperatura sí varía el valor de la constante de equilibrio. La constante de equilibrio es un valor termodinámico que varía con la temperatura. En este caso, es necesario conocer la naturaleza termodinámica de la reacción: Reacciones exotérmicas y endotérmicas Cambios de temperatura Cambios de temperatura Para la reacción: N 2 O 4(g) 2 NO 2(g) Hº = 58 kj Bulbo sometido a alta temperatura (café-rojizo fuerte) Al calentar este sistema a presión y volumen constante, cambia su equilibrio formando más productos N 2 O 4(g) incoloro 2NO 2(g) café rojizo Esta reacción se podría escribir : Energía + N 2 O 4(g) 2 NO 2(g) Bulbo sometido a baja temperatura (anaranjado pálido) Page 8

9 Cambios de temperatura La razón del cambio de color es debida a la variación en el valor de la constante de equilibrio. A diferencia de los factores de cambio de concentración y presión (volumen), donde no varía la constante de equilibrio, en el caso de variación de temperatura hay un cambio del valor de K. En general un aumento de temperatura favorece las reacciones endotérmicas, caso contrario con las reacciones exotérmicas que las desfavorece. Adición de un catalítico La adición de un catalítico aumenta la velocidad de un reacción. Sin embargo afecta la velocidad de reacción directa e inversa. Por lo tanto este efecto se anula y no tiene importancia en la posición de equilibrio. La adición de un catalítico (acelerador o inhibidor) no afecta al sistema en equilibrio El equilibrio homogéneo se aplica a las reacciones en que todas las especies reactivas están en la misma fase. K c = [NO 2] 2 [N 2 O 4 ] N 2 O 4 (g) 2 NO 2 (g) K p = PNO 2 2 P N2 O 4 El equilibrio heterogéneo se aplica a las reacciones en que los reactivos y productos están en diferentes fases. CaCO 3 (s) K e = [CaO][CO 2] [CaCO 3 ] K = [CO 2 ] = K e x [CaCO 3] [CaO] CaO (s) + CO 2 (g) [CaCO 3 ] = constante [CaO] = constante K p = P CO 2 La concentración de sólidos y líquidos puros no son incluidos en la expresión para la constante de equilibrio. Tomado del Chang,R.Química. Cap Tomado del Chang,R.Química. Cap Page 9

10 CaCO 3 (s) CaO (s) + CO 2 (g) Relacìón K-Kp En la mayoría de los casos K K p aa (g) + bb (g) cc (g) + dd (g) K p = K (RT) n P CO 2 = K p n = moles de productos gaseosos moles de reactivos gaseosos = (c + d) (a + b) P CO 2 No depende de la cantidad de CaCO 3 o CaO Tomado del Chang,R.Química. Cap Predicción de la dirección de una reacción química Cociente de reacción En sistemas que no han alcanzado el equilibrio, se utiliza el cociente de reacción (Q e, Q, Q p ). Q, Q e = [Productos]/[Reactantes] Q p = P productos / P reactantes El cociente de reacción (Q) se calcula sustituyendo las concentraciones iniciales de los reactivos y productos en la expresión de la constante de equilibrio (K). Esta relación se aplica para las otras expresiones de constantes de equilibrio con sus respectivos cocientes de reacción. Para determinar en qué dirección procederá la reacción para llegar al equilibrio, se comparan los valores de la constante de equilibrio y el cociente de reacción respectivos Page 10

11 Cociente de reacción Al comparar Q vs K, si: Q > K, la relación de concentraciones iniciales de productos es mucho mayor que la de reactantes. El sistema se desplazaría hacia los reactantes para alcanzar de nuevo el equilibrio. Q = K, sistema en equilibrio Q< K, la relación de concentraciones iniciales de reactantes es mucho mayor que la de productos, el sistema se desplazaría hacia los productos para lograr de nuevo el equilibrio. : Lic. Victoria Chan Revisado por: MSc. Lilliana Abarca Bibliografía: Chang, R., Química, Mc Graw Hill, 7ma ed. 2003, México. pp Reactantes Productos VChan/Escuela Equilibrio de no hay Química, cambio ITCR Reactantes Productos Page 11