GUÍA DE ESTUDIO N 9 EQUILIBRIO QUÍMICO

Transcripción

1 GUÍA DE ESTUDIO N 9 EQUILIBRIO QUÍMICO 1- Lee el texto base y explica los siguientes conceptos: a. Reacción reversible b. Equilibrio químico c. Equilibrio dinámico d. Sumario de reacción o cuadro de equilibrio - El siguiente gráfico permite realizar el seguimiento de las concentraciones de reactivos y productos de una reacción química reversible en función del tiempo. La reacción puede simbolizarse como: A + B C + D Observando el gráfico responde: a. Cuándo la reacción alcanza el estado de equilibrio? b. Siempre las concentraciones finales de A y B serán mayores que las de C y D? Qué otras posibilidades pueden verificarse? Señala las mismas con distintos colores en el gráfico. c. Se completó totalmente la reacción? Por qué? d. Por qué se dice que esta reacción es reversible? e. Cómo afecta la velocidad de la reacción al equilibrio alcanzado? f. Cuándo un equilibrio es dinámico? g. Qué factores influyen sobre este equilibrio? h. Enuncia la Ley del Equilibrio Químico que resume el comportamiento general de los casos semejantes a los analizados desde este gráfico. i. Expresa matemáticamente esta ley identificando las variables correspondientes y las constantes que participan. Guía N 9- Equilibrio Químico 1 de 11

2 3- Determina si los siguientes enunciados son verdaderos o falsos. Fundamenta en el caso que sean falsos: a- En el equilibrio se consumen la totalidad de los reactivos b- La variación de concentraciones de reactivos y productos no afectan el equilibrio a una determinada temperatura c- La presión total del sistema influye sobre la concentración de reactivos en el estado líquido. d- La presencia de sustancias que aumentan la velocidad de una reacción (catalizadores) permiten incrementar la cantidad de productos en el equilibrio. 4- En un sistema cerrado se colocan SO y O cuyas concentraciones molares iniciales son: 0, y 0,1 molar. En la reacción: SO (g) + O (g) SO 3(g), pasados 10 min, el sistema alcanza el equilibrio hallándose las siguientes concentraciones: 0,1M de SO ; 0,07 M de O y 0,09 M de SO 3. Representa gráficamente la variación de concentración con respecto al tiempo de todas las especies químicas para la reacción planteada. 5- Para los siguientes sistemas en equilibrio: indica si es homogéneo o heterogéneo escribe la expresión de la Ley de equilibrio (K c y K p ) Sistema Homogéneo o heterogéneo? K c K p n 3 H (g) + N (g) NH 3(g) NH 4 (NH CO ) (s) NH 3(g) + CO (g) CO (g) + H (g) CO (g) + H O (v) 6- Señala con X la opción correcta y desarrolla la deducción matemática que justifique la opción elegida. Teniendo en cuenta que la reacción química es 3 H (g) + N (g) NH 3(g), la relación entre Kp y Kc es: Guía N 9- Equilibrio Químico de 11

3 a- Kp = Kc / RT... b- Kp = Kc ( RT ) 3. c- Kp = Kc / ( RT ). d- Kp = Kc /3. e- Kp = Kc R T. 6- Para predecir si una mezcla determinada de reactivos y productos tenderá a producir más productos o reactivos, se compara el coeficiente de reacción Q con la constante de equilibrio K. Para una reacción general: A (g) + B (g) AB (g) 6.1- Escribe las expresiones de Q y Kc. en qué se diferencian? 6.- Las siguientes gráficas representan tres situaciones distintas para la misma reacción, donde la altura relativa de cada barra representa la magnitud de Q y K. Q K Q K I II III De la observación de las mismas responde: a. Indica la relación que existe entre Q y K en las gráficas I, II y III. b. En qué caso la reacción se desplaza hacia la derecha para formar productos? c. En qué caso la reacción se desplaza hacia la izquierda para formar reactivos? d. En qué caso el sistema se encuentra en equilibrio? Q K 7- Completa con los términos aumenta, disminuye o no varía, para la siguiente reacción en el equilibrio: CO (g) +H O (g) CO (g) + H (g) ; a) la presión parcial de H cuando se incrementa la presión parcial de CO ; b) la presión parcial del CO _ si disminuye la presión parcial de CO; c) la concentración del H _al aumentar la concentración de CO d) la constante de equilibrio _ si se extrae agua del sistema. Guía N 9- Equilibrio Químico 3 de 11

4 8- La reacción global de la fotosíntesis es: 6 CO (g) + 6 H O ( l) C 6 H 1 O 6(aq) + 6 O (g) H=+80 kj Enuncia el efecto que tendrá cada uno de los siguientes cambios sobre la composición de equilibrio (tiende a la formación de reactivos, tiende a la formación de productos o no tiene efecto). a) La presión parcial de O se incrementa _ b) El sistema se comprime _ c) La cantidad de CO se incrementa _ d) La temperatura se incrementa _ e) Se consume la glucosa _ f) Se añade agua _ g) La presión parcial de CO disminuye _ 9- Cálculo de Kc Para el cálculo de la constante de equilibrio, es necesario determinar experimentalmente las concentraciones o presiones parciales en el equilibrio de las sustancias intervinientes en una reacción. Una vez obtenido estos valores, se puede calcular directamente Kc ó Kp, teniendo en cuenta la expresión de las mismas y la estequiometría de la reacción Ejercicio de Aplicación: Al analizar una mezcla en equilibrio de nitrógeno, hidrógeno y amoníaco, contenida en el interior de un matraz a 1000 K, obtenemos los siguientes resultados: [H ]= 1,6 mol/l ; [N ]= 1,03 mol/l ; [NH 3 ]= 0,10 mol/l Calcula a dicha temperatura, el valor de la constante de equilibrio K c correspondiente a la reacción: 3 H (g) + N (g) NH 3(g) R:, (L/mol) Escribe la expresión de Kc para la reacción Se puede prescindir de la ecuación química? por qué? Resuelve el problema y escribe una respuesta. Guía N 9- Equilibrio Químico 4 de 11

5 En muchos casos, no se conocen todas las concentraciones de equilibrio, se sabe sólo la composición inicial de la mezcla de reacción, la constante de equilibrio y se da información parcial de la composición de equilibrio. Por lo general, la información faltante, puede encontrarse utilizando la estequiometría de la reacción. La forma más fácil de hacerlo es con un cuadro de equilibrio, que muestra la composición inicial (concentración molar o presiones parciales), los cambios necesarios para alcanzar el equilibrio en términos de una cantidad desconocida x y la composición final de equilibrio. Se pueden presentar las siguientes situaciones problema: A) Se conoce la concentración de equilibrio de una sola de las especies intervinientes. Ejercicio de Aplicación 9.- En un recipiente de 8 L se introducen 0,58 moles de dióxido de carbono y 0,31 moles de hidrógeno. Se calienta hasta 150 ºC y se establece el equilibrio de la reacción en fase gaseosa: CO (g) + H (g) CO (g) + H O (g) Analizando la mezcla se encuentra que hay en el equilibrio 0,36 moles de dióxido de carbono. a) calcula las cantidades, en moles, de los demás componentes en el equilibrio. Rta: 0,09 moles de H ; 0, moles de CO y 0, moles de agua b) determina el valor de Kc a dicha temperatura. Rta: 1,49 Una estrategia para resolver problemas de este tipo es, conociendo la ecuación química igualada y la expresión de la constante, elaborar el cuadro de equilibrio para dicha reacción. Si bien en las expresiones de Kc y Kp se utilizan concentraciones molares o presiones parciales, en este caso, por ser n =0 ( n Productos - n Reactivos ) el volumen del sistema no es necesario tenerlo en cuenta y se completa el cuadro de equilibrio con el número de moles. CO H CO H O Estado inicial 0,58 0, Cambio por -x -x +x +x reacción En el equilibrio 0,36 0,31-x x x - Los signos (- ; +) hacen referencia a la cantidad de sustancia que reacciona o que se produce; - De la estequiometría de la reacción se sabe que por cada mol de CO ó H que se convierte, se forma un mol de CO y de agua A partir de esta tabla, podrías responder a la primera pregunta planteada en el punto 9.? Cómo? En el siguiente cuadro, realiza todos lo cálculos que consideres necesarios. Guía N 9- Equilibrio Químico 5 de 11

6 9..- Con lo realizado hasta el momento, se ha resuelto completamente el problema planteado? Qué falta calcular? Cómo lo harías? B) En muchos casos es necesario calcular las cantidades de todos los reactivos y productos presentes en el equilibrio. En este tipo de problemas, por lo general, se tienen como datos el valor de la constante de equilibrio (Kc ó Kp) y las cantidades iniciales de las sustancias reaccionantes. Nuestra estrategia para resolver problemas de este tipo es, conociendo la ecuación química igualada y la expresión de la constante, elaborar el cuadro de equilibrio correspondiente Para una reacción general: A(g) + B (g) C(g) + D(g) Kc= Escribe la expresión de Kc para esta reacción: Para este caso, es necesario conocer el volumen del sistema? Por qué? Suponiendo inicialmente en el reactor, sólo los reactivos, A y B; cómo completarías el siguiente cuadro de equilibrio? Para esta tarea te proponemos que utilices los siguientes símbolos en el orden que corresponda, siendo n el número de moles. +x; n A ; n B -x ; -x ; x ; n B ; 0 ; -x ; +x ; n A x ; x ; 0 Estado inicial Cambio por reacción En el equilibrio A B C D Guía N 9- Equilibrio Químico 6 de 11

7 Al reemplazar en la expresión de Kc por los valores en el equilibrio según el cuadro de equilibrio la expresión queda: (encierra en un círculo la opción correcta) ( )( ) n A x n B x x x Kc = Kc = Kc = x ( n A x)( n B x) n A x n En este caso se dan alternativas: I) n A = n B II) n A n B Kc toma la forma: Kc = x ( n x) Para calcular el valor de x es posible el siguiente artificio: x x Kc = Kc = ( n x) n x Conclusión: La ecuación de º grado se transforma en una ecuación de 1 er grado. Ejercicio de Aplicación La resolución corresponde a una ecuación de segundo grado del tipo: a x + bx + c = 0 Donde x tiene dos raíces: x 1 y x ; de las cuales se selecciona sólo una. La raíz que se descarta, es por carecer de significado según el siguiente criterio: a) si su valor es negativo; ( )( x) b) si su valor es mayor que n A y/o n B 9.4- Se coloca una mezcla de 0,5 moles de H y 0,5 moles de I en un recipiente de acero inoxidable de 1,00 L a 430 ºC. Calcula las concentraciones de todas las especies químicas en el equilibrio para la siguiente reacción: H ( g ) + I ( g ) HI ( g ) Kc=54,3 a 430 ºC. Rta: [I ]=[H ]=0,106 M ; [HI]= 0,786M No rige una pauta única y obligatoria para encarar problemas de este tipo. Solamente se pueden enumerar algunas normas básicas, que ordenan el razonamiento y guían hacia la respuesta correcta A continuación te proponemos una serie de pasos con el objeto de que, luego de un análisis y discusión con tus compañeros, los enumeres de acuerdo a un orden lógico que permita resolver el ejercicio. Efectuar los cálculos matemáticos necesarios. Escribir la expresión de Kc ó Kp para la reacción. Es importante tener en cuenta el estado físico de las sustancias ya que los sólidos y líquidos puros no intervienen en el equilibrio. Plantear el cuadro de equilibrio. Verificar los resultados y escribir la respuesta buscando coherencia en el valor numérico, las unidades y el enunciado. Plantear la ecuación química balanceada. Leer atentamente el problema y extraer todos los datos e incógnitas que propone. Tener en cuenta si se trata de masa, moles o presiones parciales y si el volumen del sistema será necesario tenerlo en cuenta en los cálculos.( n= ó de 0) B Guía N 9- Equilibrio Químico 7 de 11

8 9.4.- A resolver! Te proponemos que ahora resuelvas el problema planteado siguiendo los pasos propuestos: Guía N 9- Equilibrio Químico 8 de 11

9 Para el mismo sistema planteado en el problema anterior, calcula las concentraciones en el equilibrio de todas las especies químicas, pero suponiendo que se han colocado en el reactor 0,45 moles de H y 0,6 moles de I. Rta: [I ]= 0,06 M; [H ]=0,056 M ; [HI]= 0,788M a) Qué diferencia encuentras con el problema anterior? b) Cambia en algo, el orden o los pasos para la resolución del mismo? c) Cómo afecta a la resolución numérica? Justifica con los cálculos correspondientes. d) Este problema corresponde a la alternativa I ó II mencionadas anteriormente? 10- Resuelve: 1. En un recipiente de 4 litros, a una cierta temperatura, se introducen las cantidades de HCl, O y Cl indicadas en la tabla, estableciéndose el siguiente equilibrio: 4 HCl(g) + O (g) ) H O(g) + Cl (g) HCl O H O Cl Moles iniciales 0, ,0 Moles que reaccionan Moles en el equlibrio 0,06 Calcula: a) Los valores necesarios para completar la tabla. b) El valor de Kc a esa temperatura R: a) 0,1 moles de HCl ; 0,055 moles O ; 0,05 de H O y 0,07 moles de Cl Kc= 69 Guía N 9- Equilibrio Químico 9 de 11

10 10.- Al analizar una mezcla en equilibrio de nitrógeno, hidrógeno y amoníaco, contenida en el interior de un matraz a 1000 K, obtenemos los siguientes resultados: [N ] = 1,03 mol / L; [H ] = 1,6 mol / L; [NH 3 ] = 0,10 mol / L. Determina, a dicha temperatura, los valores de las constantes de equilibrio K c correspondientes a las reacciones, y las relaciones que existen entre dichas constantes: a) N (g) + 3 H (g) NH 3 (g) R:, b) NH 3 (g) N (g) + 3 H (g) R: 4,1. 10 c) NH 3 (g) 1/ N (g) + 3/ H (g) R: 0,5 d) 1/ N (g) + 3/ H (g) NH 3 (g) R: 4, A 53 K las concentraciones de PCl 5, PCl 3 y Cl en equilibrio para la reacción: PCl 5(g) PCl 3(g) + Cl (g) son 0,809 M, 0,190 M y 0,190 M, respectivamente. Calcula a esa temperatura: a) Las presiones parciales de las tres especies en el equilibrio. b) La constante Kp de la reacción. R: a) ppcl 5 = 34,7 atm; ppcl 3 =8,15 atm; pcl = 8,15 atm b) Kp=1, A 300ºC, el valor de Kc para la reacción: PCl 5(g) PCl 3(g) + Cl (g) es 0,56. En un recipiente de 10 L hay una mezcla formada por 0,9 moles de Cl, 1,8 moles de PCl 3 y 0,4 moles de PCl 5. a) Estará dicha mezcla en equilibrio? b) Si no lo está, en qué sentido evolucionará el sistema? c) Encuentra las concentraciones de cada una de las especies, una vez establecido el equilibrio. R: a) Q=0,675 b) Evoluciona hacia la izquierda; c) [PCl 5 ]=0,07M; [PCl 3 ]=0,176M; [Cl ]=0,086M La relación entre el etanol y el ácido acético tiene lugar de modo que se establece un estado de equilibrio: etanol + ácido acético acetato de etilo + agua Se prepara una mezcla de 1 mol de ácido acético y 1 mol de etanol y se llega a un estado de equilibrio, a la temperatura de 0 C, tal que la mezcla contiene /3 de mol de éster y /3 de mol de agua. a) Cuántos moles de alcohol y de ácido quedarán sin reaccionar en el equilibrio? b) Qué valor tendrá la constante de equilibrio? R: a) 1/3 de mol de ácido acético y 1/3 de mol de etanol b) K c = 4,0 Guía N 9- Equilibrio Químico 10 de 11

11 10.6- Se colocó una muestra de 5g de carbamato de amonio, NH 4 (NH CO ), en un frasco vacío de 50mL y se mantuvo a 5 ºC. En el equilibrio había 17,4 mg de CO. Cuál será el valor de Kc para la reacción: NH 4 (NH CO ) (s) NH 3(g) + CO (g) R: 1, La constante de equilibrio para la reacción: PCl 5(g) PCl 3(g) + Cl (g) es Kc=1, a 400 ºC. Dado que se coloca 1g de PCl 5 en un vaso de reacción de 50 ml, determina: a) las concentraciones molares en la mezcla en equilibrio; b) qué porcentaje de PCl 5 se descompone a esa temperatura? R: a) [PCl 3 ]=[Cl ]=0,01M; [PCl 5 ]=0,009M; 53% Para la reacción: Cl (g) + F (g) = ClF(g) Kc= 19,9 a 300K Si las concentraciones iniciales del para el cloro gaseoso, fluor y el fluoruro de cloro son 0,4M; 0,M y 7,7 M respectivamente, determina si el sistema está en equilibrio y de no estarlo, calcula las concentraciones de todas las especies intervinientes una vez reestablecido el equilibrio. Rta: Cl =1,9 M F =1,09 M; ClF=5,9 M Guía N 9- Equilibrio Químico 11 de 11