EQUILIBRI QUÍMIC.

Transcripción

1 EQUILIBRI QUÍMIC

2 REACCIONS REVERSIBLES Moltes reaccions finalitzen quan s esgota qualsevol dels reactius. Són reaccions irreversibles i completes. Com la reacció té lloc en una única direcció la representen amb una fletxa 2 C 2 H 2 (g) + 5 O 2 (g) 4 CO 2 (g) + 2 H 2 O (l) En altres, en canvi. els reactius originen el productes i aquests, una vegada formats poden regenerar els reactius de partida. En aquests casos la reacció és reversible i incompleta. S arriba a una estat d equilibri en el que no s observen canvis i la reacció aparentment s atura. Com la reacció ocorre simultàniament en les dos direccions es representa amb una doble fletxa. 2 N 2 O 5 (g) 4 NO 2 (g) + O 2 (g)

3 CONDICIONS ER A L EQUILIBRI QUÍMIC HI HA EQUILIBRI QUÍMIC 3 Fe (s) + 4 H 2 O (g) Fe 3 O 4 (s) + 4 H 2 (g) En un sistema tancat i aïllat REACCIONS REVERSIBLES: REACCIONS INCOMLETES (GRAU D AVANÇ < 100%) inicial final NO HI HA EQUILIBRI QUÍMIC 3 Fe (s) + 4 H 2 O (g) Fe 3 O 4 (s) + 4 H 2 (g) En un sistema obert REACCIONS IRREVERSIBLES: REACCIONS COMLETES (GRAU D AVANÇ 100%) inicial final

4 CARACTERÍSTIQUES DE L EQUILIBRI QUÍMIC A escala macroscòpica: Composició constant: Les concentracions (pressions) de tots els reactius i productes romanen constants amb el temps. No s observen canvis visibles en el sistema. A escala microscòpica: Les reaccions globals directa i inversa es produeixen constantment i en igual mesura (equilibri dinàmic) V DIRECTA V INVERSA HTT://

5 L EQUILIBRI ÉS DINÀMIC EQUILIBRI NATURAL RESA DEREDADOR EQUILIBRI DE SOLUBILITAT SUCRE (S) SUCRE (AQ) EQUILIBRI QUÍMIC REACTIUS RODUCTES inicial final

6 EQUILIBRI DINÀMIC A + B AB Reacció directa Reacció inversa HTT:// Inicials Es formen Desapareixen Finals Àtoms de A Àtoms de B Molècules AB L EQUILIBRI ÉS DINÀMIC JA QUE ENCARA QUE LES QUANTITATS DE A, B I AB ES MANTENEN CONSTANTS, [A] cte, [B] cte, [AB]cte CONTINUA HI HAVENT REACCIÓ, ERÒ COM LES VELOCITATS DE REACCIÓ DIRECTA I INVERSA SÓN IGUALS (V DIRECTA V INVERSA ), LA QUANTITAT DE MOLÈCULES AB QUE ES FORMEN ER LA REACCIÓ DIRECTA ÉS LA MATEIXA QUE LA QUANTITAT DE MOLÈCULES QUE ES DESCOMONEN ER LA REACCIÓ INVERSA.

7 COMOSICIÓ CONSTANT CO (g) + 2 H 2 (g) CH 3 OH (g) exper. [CO] [H 2 ] [CH 3 OH] 1 2 punts inicials 0,1000 0, ,1000 punts d equilibri [CO] eq [H 2 ] eq [CH 3 OH] eq 0,0911 0,0753 0,0822 0,151 0, , ,1000 0,1000 0,1000 0,138 0,176 0,0620 Què tenen en comú els punts d equilibri de les tres experiències? conc. molar exp. 1 exp. 2 exp. 3 equilibrio químico conc. molar equilibrio químico conc. molar equilibrio químico tiempo tiempo tiempo

8 COMOSICIÓ CONSTANT De l anàlisi de les dades s observa que: L equilibri està caracteritzat per unes concentracions de reactius i productes que romanen constants amb el temps. Les concentracions d equilibri no són úniques. Cada punt inicial condueix a un punt d equilibri diferent. Es pot arribar a un punt d equilibri partint inicialment de reactius o també partint de productes. Si relacionen amb la següent equació les concentracions de l equilibri s obté sempre el mateix valor: 14 5 [ CH OH ] 3 eq [ ] 2 H [ CO] eq Aquest valor és independent de les concentracions inicials HTT://chem.salve.edu/chemistry/equilbrm.asp 2 eq

9 DEDUCCIÓ DE K c Siga l equació: A + 2 B AB 2 v d k d [A][B] 2 v i k i [AB 2 ] A l equilibri es compleix que V d V i k d [A][B] 2 k r [AB 2 ] k [ AB ] d 2 K c 2 k A B r [ ][ ]

10 LLEI DE L EQUILIBRI QUÍMIC er a una reacció a A + b B c C + d D es defineix una constant K c que és una mesura quantitativa de l equilibri i que pren el valor: K On es representa la concentració com [ ] mol/litre En tota reacció química reversible, el producte de les concentracions a l equilibri dels productes, dividit per el producte de les concentracions a l equilbri dels reactius és una quantitat constant anomenada constant d equillibri. La constant K c canvia amb la temperatura. C [ ] c [ ] d C eq D [ ] a A [ B] b eq eq eq

11 QUOCIENT DE REACCIÓ (Q) er a una reacció qualsevol: a A + b B c C + d D s anomena quocient de reacció a la relació: c [ C] [ D] Q [ A a ] [ B ] d b El quocient de reacció té la mateixa expressió que la constant d equilibri però la diferència és que les concentracions no tenen perquè ser les de l equilibri. El quocient de reacció ens permet predir el sentit d avanç d una reacció química: Q < K augmenten les concentracions dels productes i disminueixen les dels reactius fins que Q s iguala amb K Q > K augmenten les concentracions dels reactius i i disminueixen les dels productes fins que Q s iguala amb K Q K Equilibri En les experiències de la fitxa 7 (on K 14 5): 1) Q0, Q<K, l equilibri evoluciona R 2) Q, Q>K. l equilibri evoluciona R

12 MAGNITUD DE K c El valor de la constant d equilibri indica quan ha progressat una reacció des de els reactius als productes K >>>> 1 S afavoreix la reacció directa, a l equilibri els productes són molt més abundants que els reactius. K <<<< 1 S afavoreix la reacció inversa, a l equilibri els reactivus són molt més abundants que els productes. K 1 Es tracta d un verdader equilibri, hi ha proporcions significatives de reactius i productes. Un altre concepte relacionat amb la progressió d una reacció és el grau de dissociació α. Quan major és el seu valor més s afavoreix la reacció directa i la formació de productes. α quantitat que reacciona quantitat inicial concentració K C > 10 5 concentració K C < 10-2 concentració K C 10 0 temps temps temps

13 K C DEEN DE L EQUACIÓ QUIMICA Si una equació química la multipliquen per un factor n la constant s eleva a la n- èsima potència: K K n Les constants de les reaccions directa i inversa estan en relació inversa una d altre: K 1/K. Si sumen dos equacions químiques (A i B) per obtindre un altre equació química C, es compleix que: K c K A K B

14 CONSTANT DE EQUILIBRI K En reaccions en les que intervenen gasos és més fàcil mesurar pressions parcials que concentracions: a A + b B c C + d D c d C D a d A D p p K p p T B T B B T A T A A B B A A T T B A T n n n n R T V n R T V n R T V n B A i gasos dos Siga una mescla de + χ χ

15 RELACIÓ ENTRE K C I K De l equació general dels gasos ideals s obté: n n V n R T, i com V R T V [ ] ; per tant [ ] R T I substituint en l expressió de K K K c C a A K C [ ] ( ) [ ] ( ) [ ] [ ] d c c d d c C RT D RT C D D [ ] a a ( ) [ ] b b ( ) [ ] a [ ] b A RT B RT A B B c+ d a b ( RT) K K RT ( ) n C d b c ( RT) ( RT) a ( RT) ( RT) d b On n variació nº mols gasosos (n productes n reactius )

16 RELACIÓ ENTRE K i α Siga la reacció A B + C. Si anomenem c [A] inicial y suposem que inicialment nomès hi ha substància A, tindrem que: Concentracions A B + C Inicial (mol/l) c 0 0 Reacciona c α c α c α Equilibri c(1 α) c α c α [B] [C] c α c α c α 2 K c [A] c (1 α) (1 α) Quan A està poc dissociada (K c molt menuda): α << 1 K c c α 2

17 EQUILIBRIS HETEROGENIS Si entre les substàncies que intervenen en una reacció es distingeixen varies fases o estats físics, l equilibri és heterogeni. CaCO 3 (s) CaO(s) + CO 2 (g) Les quantitats dels sòlids i líquids purs poden canviar però les seues concentracions són constants i s agrupen en la constant, de forma que la seua expressió quedaria: K C [CO 2 ] o K co2 Les dissolucions no es consideren líquids purs i per tant si que varien la concentració: BaCO 3 (s) Ba 2+ (aq) + CO 3 2- (aq) K C [Ba 2+ ] [CO 3 2- ]

18 ERTORBACIÓ I EVOLUCIÓ DELS EQUILIBRIS QUÍMICS Si un sistema es troba en equilibri (Q K) y es produeix una pertorbació o canvi (concentració, pressió o volum, temperatura), el sistema deixa d estar en equilibri (Q # K) i evoluciona a un nou equilibri. Segons el rincipi de Le Chatelier: Un canvi en qualsevol de les variables que determinen l estat d equilibri químic produeix un desplaçament del equilibri en el sentit de contrarestar o minimitzar l efecte causat per la pertorbació.

19 VARIACIÓ EN LA CONCENTRACIÓ (a Tcte) er a un equilibri Reactius roductes Q [] [R] Si [R] o [] ; Q < K i l equilibri evoluciona R. Si [R] o [] Q > K i l equilibri evoluciona R. Segons. Le Chatelier: si s elimina un reactiu o un producte, per tal de contrarestar l efecte produït, l equilibri evolucionarà en el sentit de la reacció que genera part de la substància eliminada, i si afegim un reactiu o un producte l equilibri evolucionarà en el sentit de la reacció que consumeix part de la substància afegida. Si varia la quantitat de un sòlid o líquid pur, com que la seua concentració és constant, l equilibri no es modifica. CaO-CaCO3.exe

20 VARIACIÓ DE LA CONCENTRACIÓ H 2 (g) + I 2 (g) 2 HI(g) Si augmenta la concentració de I 2, s observa que Q<K i l equilibri evoluciona R, o siga en el sentit que consumeix part del I 2 afegit Si augmenta la concentració de HI, s observa que Q>K i l equilibri evoluciona R, o siga en el sentit que consumeix part del HI afegit

21 VARIACIÓ EN LA RESSIÓ O EL VOLUM (a Tcte) (reaccions en fase gas) Siga l equilibri aa(g) + bb(g) cc(g) + dd(g) on expressen les pressions parcials en funció de la pressió total quedaria. K p c d C D a b A B c ( χ C a ( χ A c d ) ( χ C D a b ) ( χ A B Si augmenta la ressió (o disminueix el volum) - Si n >0 (mols gasosos productes > mols gasosos reactius), com Q>K, l equilibri evolucionarà R - Si n <0 (mols gasosos reactius > mols gasosos productes), com Q<K, l equilibri evolucionarà R - Si n0 (mols gasosos reactius mols gasos productes), l equilibri no es modifica. Si disminueix la ressió (o augmenta el volum), òbviament evolucionarà al contrari. Segons el. De Le Chatelier: Si augmenta la pressió per tal de contrarestar la pertorbació produïda l equilibri evolucionarà cap on hi haja un menor nº de mols gasosos. Si disminueix la pressió evolucionarà cap on hi ha més nº de mols gasosos. d D b B ) ) cte n 2NO2-N2O4. exe H2I2_equilibrium. exe

22 VARIACIÓ EN LA RESSIÓ O VOLUM N 2 O 4 (g) 2 NO 2 (g) Si augmenta la pressió (disminueix el volum) l equilibri evoluciona cap on es formen un menor nº de mols gasosos R

23 VARIACIÓ EN LA TEMERATURA (a cte) Segons l equació de Van t Hooff: Ln K T Reacció exotèrmica ( H<0) Ln K < 0 T si T augmenta K disminueix, per tant R si T disminueix K augmenta R Reacció endotèrmica (( H>0) Ln K > 0 T si T augmenta K augmenta R si T disminueix K disminueix R H R T 0 2 Segons el. De Le Chatelier: Si augmenta la temperatura, per tal de contrarestar l efecte produit, l equilibri evoluciona en el sentit de la reacció endotèrmica (cap on absorbeix calor). Si disminueix la temperatura evoluciona en el sentit de la reacció exotèrmica (cap on allibera calor).

24 VARIACIÓ EN LA TEMERATURA N 2 O 4 2 NO 2 H<0 Augmenta T HTT://

25 ELS CATALITZADORS NO MODIFIQUEN L EQUILIBRI Si se agrega un catalizador a un sistema en equilibrio este puede modificar la velocidad directa e inversa, pero no modifica la posición del equilibrio ni tampoco la constante de equilibrio.