Capítulo II Equilibrio Químico

Transcripción

1 Capítulo II Equilibrio Químico 1. Naturaleza del equilibrio químico. La constante de equilibrio 3. Aspectos cuantitativos del equilibrio químico. Perturbación del equilibrio químico 5. Aplicaciones del equilibrio químico Reacciones ácido-base (Capítulo III) Reacciones de precipitación (Capítulo IV) Reacciones de óxido-reducción (Capítulo V) Equilibrio Físico: Líquido Vapor Vapor Líquido Evaporación Condensación Equilibrio Presión Presión de vapor Presión de Vapor (mmhg) Temperatura ( o C) H O(l) H O(g) Aumento de la temperatura Aumento de la presión de vapor El equilibrio físico: Se representa con : tienen lugar la evaporación y la condensación Es dinámico: ambos procesos ocurren a igual velocidad Depende de la temperatura 1

2 Formación de estalactitas y estalagmitas: En las grutas: Depósitos: Gota de agua: CaCO 3 (s) H O(l) + CO (ac) Reacción de disolución: CaCO 3 (s) + H O(l) + CO (ac) Ca + (ac) + HCO 3 - (ac) Reacción de precipitación: Ca + (ac) + HCO 3 - (ac) CaCO 3 (s) + H O(l) + CO (g) Reacción química reversible Ca + (ac) + HCO 3 - (ac) CaCO 3 (s) + H O(l) + CO (g)

3 En el laboratorio: Reacción de precipitación + CaCl (ac) NaHCO 3 (ac) CaCO 3 (s) + CO (g) + H O (l) Reacción de disolución + CaCO 3 (s)+ H O (l) CO (g) CaCl (ac) + NaHCO 3 (ac) Cómo se alcanza el equilibrio? Ca + (ac) + HCO 3 - (ac) CaCO 3 (s) + H O(l) + CO (g) Moles CO Moles CO Moles CO Ca + Ca + Ca + Desde Reactantes Desde Productos Con Reactantes y Productos En el equilibrio: velocidad de la reacción de precipitación es igual a la velocidad de la reacción de disolución Características del equilibrio químico Reversible Dinámico Espontáneo La naturaleza y las propiedades del estado de equilibrio son las mismas, independientemente de la dirección desde la que se alcanza. Situación permanente mantenida por la igualdad de las velocidades de dos reacciones químicas opuestas. Un sistema evoluciona espontáneamente hacia el estado de equilibrio y sólo se aparta de este estado por una perturbación externa. Descripción del equilibrio químico Concentraciones de reactantes y productos Función única a una dada temperatura Constante de equilibrio, 3

4 Constante de equilibrio: a A + b B c C + d D = [C]c [D] d [A] a [B] b La concentración de los productos siempre aparece en el numerador. La concentración de los reactantes siempre aparece en el denominador. Cada concentración siempre está elevada a una potencia igual a su coeficiente estequiométrico en la ecuación balanceada. El valor de la constante de equilibrio sólo depende de la reacción específica y de la temperatura. La constante de equilibrio no tiene unidades. Experimentalmente: N O (g) NO (g) = [NO ] [N O ] Incoloro Pardo Experimentalmente: N O (g) NO (g) = [NO ] [N O ] Incoloro Pardo T = [N O ]/M Inicial 0,00 [NO ]/M Inicial 0,000 [N O ]/M Equilibrio 0,001 [NO ]/M Equilibrio 0,017 C 0,11 0,00 0,0300 0,008 0,03 0,11 3 0,00 0,000 0,005 0,0310 0,13 0,000 0,00 0,005 0,0310 0,13

5 Formas de la constante de equilibrio: f([a] y [B]) f(p A y P B ) C P A(g) P.V = n.r.t [A] = n A V P A = [A].R.T B(g) [B] = n B V P B = [B].R.T N O (g) NO (g) [NO ] [N O ] (P NO /R.T) P NO /RT = (P NO ).R.T = P NO.(RT) (P NO ) P NO. (RT) C. (RT) n = P p : a A(g) + b B(g) c C(g) + d D(g) p = P C c P d D P Aa P B b La presión de los productos gaseosos siempre aparece en el numerador. La presión de los reactantes gaseosos siempre aparece en el denominador. Cada presión siempre está elevada a una potencia igual a su coeficiente estequiométrico en la ecuación balanceada. El valor de la constante de equilibrio sólo depende de la reacción específica y de la temperatura. La constante de equilibrio no tiene unidades. Por qué la no tiene unidades? Las concentraciones o presiones de reactantes y productos están referidas a concentraciones o presiones de referencia Estrictamente, para: A(g) B(g) {[NO ]/Co } {[N O ]/C o } C o = 1 M P = {P NO /Po } {P NO /P o } P o = 1 bar 5

6 Algunos ejemplos H (g) + I (g) n =?? HI(g) [HI] [H ].[I ] n = total moles productos gaseosos - total moles reactantes gaseosos P HI P = P H.P I n = 0 C. (RT) n = P p = c??? (P HI /R.T) = (P H /R.T).(P O /R.T) (P HI ) /(R.T) {(P H ).(P O )}/(R.T) (P HI ) (P H ).(P O ) = P 3 H (g) + N (g) NH 3 (g) n = = - c = [NH 3 ] [H ] 3.[N ] P NH3 P = P H3.P N P = C.(R.T) n P = C.(R.T) c = (P NH3 /R.T) = (P H /RT) 3.(P N /R.T) (P NH3 ) /(R.T) {(P H ) 3.(P N )}/(R.T) c = (P NH3 ) (R.T) (P H ) 3.(P N ) = P.(R.T) Equilibrios heterogéneos: sólidos S(s) + O (g) SO (g) [SO ] [S].[O ] Cómo se expresa la concentración de un sólido??? El estado de referencia para un sólido puro es el mismo sólido: [S]/C o = 1 Siempre que algo de sólido esté presente, su cantidad no afecta a la constante de equilibrio [SO ] [O ] P = P SO P O 6

7 Equilibrios heterogéneos: líquidos CH (g) + S 8 (s) CS (l) + H S(g) [CS ].[H S] [CH ] Cómo se expresa la concentración de un líquido??? El estado de referencia para un líquido puro es el mismo líquido: [CS ]/C o = 1 [H S] P = P HS [CH ] P CH Solventes Líquidos puros NH 3 (ac) + H O(l) NH + (ac) + OH - (ac) [NH + ].[OH - ] [NH 3 ].[H O] Concentración de reactantes y productos baja El solvente se considera como un líquido puro [NH + ].[OH - ] [NH 3 ] En la expresión de Se incluyen: Las concentraciones molares o presiones. parciales de los reactantes y productos gaseosos. Las concentraciones molares de las especies disueltas. NO se incluyen: Los reactantes o productos que son sólidos puros. Los reactantes o productos que son líquidos puros. Los reactantes o productos que participan como solvente. 7

8 Un caso particular: H O En fase gaseosa: CO(g) + H O(g) CO (g) + H (g) [H ].[CO ] P = P H.P CO [CO].[H O] P CO.P HO Como líquido puro: Como solvente: NH 3 (g) + 5 O (g) NO(g) + 6 H O(l) CH 3 COOH(ac) + H O(l) [NO] [O ] 5.[NH 3 ] P = [H 3 O+ ].[CH 3 COO - ] [CH 3 COOH] P NO P O5.P NH3 H 3 O + (ac) + CH 3 COO - (ac) Formas alternativas de : C(s) + ½ O (g) CO (g) C(1) = [CO] [O ] 1/ C(s) + O (g) CO (g) C() = [CO] [O ] C() = C(1) Cuando los coeficientes estequiométricos de una ecuación balanceada se multiplican por algún factor, para la nueva reacción es la antigua elevada al factor de multiplicación. CH 3 COOH(ac) + H O(l) H 3 O + (ac) + CH 3 COO - (ac) C(1) = [H 3 O+ ].[CH 3 COO - ] [CH 3 COOH] CH 3 COO - (ac)+h 3 O + (ac) CH 3 COOH(ac) + H O(l) C() = [CH 3 COOH] [CH 3 COO - ].[H 3 O + ] C() = 1/ C(1) Las para una reacción y su inversa son recíprocas una de la otra. 8

9 AgCl(s) + Ag + (ac)+ NH 3 (ac) AgCl(s)+ NH 3 (ac) Ag + (ac) + Cl - (ac) (1) Ag(NH 3 ) + (ac) () Ag(NH 3 ) + (ac) + Cl - (ac) (3) C(1) =[Ag + ].[Cl - ] C() = [Ag(NH 3 ) + ] [Ag + ].[NH 3 ] C(3) = [Ag(NH 3 ) + ].[Cl - ] = C(1). [NH 3 ] C() [Ag + ].[Cl - ]. [Ag(NH 3 ) + ] [Ag + ].[NH 3 ] Cuando dos o más ecuaciones químicas se suman para producir una ecuación neta, la para esa reacción es el producto de las de las reacciones sumadas. Relaciones entre Ecuación Química a A + b B c C + d D c C + d D a A + b B Constante de Equilibrio 1 = 1/ 1 na A + nb B nc C + nd D 3 = 1 n a A + b B + e E + f F aa + bb + e E + f F c C + d D g G + h H cc + d D + g G + h H 1 5 = 1. Significado de la constante de equilibrio: 1 Indica si los reactantes o los productos están favorecidos en el equilibrio a una dada temperatura Predice la dirección de una reacción química fuera del equilibrio a una dada temperatura 3 Determina la composición en el equilibrio para un conjunto particular de concentraciones iniciales a una dada temperatura 9

10 Análisis de la constante de equilibrio: 1 Indica si los reactantes o los productos están favorecidos en el equilibrio a una dada temperatura Reactante Producto = [P] [R] Concentración Producto Reactante Concentración Reactante Producto Concentración Reactante Producto [P] > [R] >> 1 Favorecido en productos [P] = [R] 1 Ninguno está favorecido [P] < [R] << 1 Favorecido en reactantes H (g) + Cl (g) HCl (g) P = P HCl P =,0 x a 500 P H. P Cl N (g) + O (g) NO (g) P = P NO P = 3, x 10-1 a 500 P N. P O Valores grandes de ( >10 3 ): favorece a los productos. Valores intermedios de (entre 10-3 y 10 3 ): ni los productos ni los reactantes están muy favorecidos. Valores chicos de ( < 10-3 ): favorece a los reactantes. En el equilibrio: Butano Predice la dirección de una reacción química fuera del equilibrio a una dada temperatura Isobutano [Isobutano] [Butano],5 * [Butano] =[Isobutano],5 a 98 [Butano] M [Isobutano] M 0,5 5 7,5 10 [Isobutano] / M 10 Línea de equilibrio [Butano] / M 10

11 Fuera del equilibrio: C * [Butano] = [Isobutano] Cociente de reacción: Q = [Isobutano] Q [Butano] [Isobutano] = 6 M [Butano] = 1 M Q = 6 Q > Hacia reactantes [Isobutano] = 3 M [Butano] = M Q = 0,75 Q < Hacia productos [Isobutano] / M Q > Q < [Butano] / M Q = En el equilibrio Relación entre y Q: Los productos tienden a formar reactantes Los reactantes tienden a formar productos Q Q Q Reacción en equilibrio 11