I.- Conceptos básicos: GUIA DE ESTUDIO Nº6: Equilibrio Químico Equilibrio químico y constante de equilibrio. Concentraciones en el equilibrio y evolución de un sistema hacia el equilibrio. Principio de Le Chatelier. Factores que afectan el equilibrio. Equilibrio químico en soluciones acuosas. II.- Fundamentación: Nuestro organismo, así como el de todos los seres vivos, está formado por células que, a su vez, están constituidas por diferentes organelas que surgen de la integración de biomoléculas: sustancias químicas compuestas elementos químicos combinados mediante procesos denominados rutas metabólicas, las cuales constituyen una serie indeterminadaa de reacciones químicas. El estudio de estas reacciones químicas resulta indispensable para conocer y comprender procesos químicos, físico-químicos y químico biológicos que ocurren en el organismo humano en general para ser extrapolados luego a la cavidad bucal. Así como también, comprender las características físico-químicas, propiedades, usos y mecanismos de acción o de formación de sustancias químicas de uso odontológico. III.- Objetivos: Describir el concepto de equilibrio químico en términos de una reacción reversible. Expresar la contante de equilibrio de una reacción química y predecir de acuerdo a su valor en qué sentido evolucionará la misma. Aplicar el Principio de Le Chatelier para pronosticar el desplazamiento del equilibrio con un cambio de presión, de temperatura o de concentración. Interpretar la información presentada en curvas de variación de concentraciones en función del tiempo. IV.- Desarrollo: Universidad Nacional de Río Negro Odontología Situación problemática El ácido sulfúrico es la sustancia química de mayor producción en los países industrializados. Actualmente el proceso de síntesis del ácido sulfúrico, en forma general consta de tres etapas: 1ª etapa: El azufre (s) reacciona en presencia del oxígeno (g) del aire, oxidándose a dióxido de azufre (g). 2ª etapa: En presencia del oxigeno (g) se produce la síntesis del trióxido de azufre (g) a partir del producto de reacción de la primera etapa. Este proceso denominado por contacto se realiza en una superficie con pentóxido de vanadio (s), de forma tal que los reactivos estén en contacto con éste. El pentóxido de vanadio se recupera al finalizar la reacción. 3ª etapa: Se obtiene ácido sulfúrico (ac) al reaccionar el trióxido de azufre (g) con agua (l). - 23 -
Actividades para pensar el relato: 1.- Escribir las ecuaciones químicas balanceadas correspondientes a cada una de las etapas mencionadas en el relato. Considerar que en las condiciones propuestas - las mismas son irreversibles. 2.- Si la segunda etapa de la síntesis transcurre en un recipiente cerrado a 1000ºC, se obtendría un sistema en equilibrio. Escribir la ecuación química y la expresión de la contante de equilibrio que representa dicho sistema. 3.- En relación a la ecuación antes propuesta se determina que, al llegar el equilibrio, las concentraciones encontradas son de 0,06 M para el trióxido de azufre, 0,34 M para el dióxido de azufre, 0,17 M para el oxígeno. Considerando estos datos calcular el valor de la constante de equilibrio. 4.- Teniendo en cuenta el valor de la constante de equilibrio, se puede afirmar si se da un buen rendimiento en la obtención del trióxido de azufre con esta reacción? 5.- Cómo y cuáles variables se pueden modificar para optimizar el rendimiento? 6.- La presencia de pentóxido de vanadio afecta el valor de la constante de equilibrio? Justificar brevemente la respuesta. Actividades complementarias Actividad Nº1: 1.1.- Se tienen las siguientes reacciones químicas con sus respectivos valores de constantes de equilibrio para una dada temperatura. 1- Cl 2(g) Cl (g) + Cl (g) K eq = 1,4 x 10-3 38 (25 C) 2- H + (ac) + HO - (ac) H 2 0 (l) 3- CO (g) + H 2 O (g g) H 2(g) + CO 2(g) K eq = 1,0 x 10 14 K eq = 5,1 (25 C) (830 C) Comparar la magnitud de las constantes e indicar: a) Cuál de las reacciones tiene más tendencia a formar productos? b) Cuál de las reacciones tiene mayor tendencia a permanecer como reactivo en el sistema? c) Escribir la expresión de la constante de equilibrio para cada una de las reacciones presentadas. 1.2.- Si se cubre un objeto de vidrio con cloruro de cobalto y se observa luego el color que éste adquiere, se puede obtener un sencillo indicador meteorológico. Este fenómeno se explica considerando que, a partir del contacto con el aire húmedo, se establece el siguiente equilibrio: [Co(H 2 O) 6 ]Cl 2 (s) color rosa [Co(H 2 O) 4 ]Cl 2 (s) + 2 H 2 O color azul Si se observa que el objeto presenta color rosa significa que el aire está húmedo o seco? Justificar brevemente la respuesta. Actividad N 2: 2.1.- Dada la siguiente reacción química: PCl 5 (g) PCl 3 (g) + Cl 2 (g) a) Escribir la expresión de la constante de equilibrio. b) En un recipiente de 12 dm 3 de capacidad, encontramos en el equilibrio 0,21 moles de PCl 5 (g), 0,32 moles de PCl 3 (g) y 0,32 moles de Cl 2 (g). Cuál será el valor numérico de la Keq? - 24 -
2.2.- En un recipiente a 300 ºC se coloca HI como reactivo. Al cabo de un tiempo el reactivo se descompone originando I 2 y H 2 como productos. El reactivo y los productos se encuentran en fase gaseosa. a) Escribir la ecuación química balanceada y la expresión de la constante de equilibrio de esta reacción. b) En el sistema anterior, una vez alcanzado el equilibrio, las concentraciones de cada especie son: HI = 3,5310-3 M; I 2 = 4,7910-4 M y H 2 = 4,7910-4 M. Cuál será el valor de la Keq a 300 ºC? c) Para el sistema anterior se alcanza un nuevo equilibrio a la misma temperatura, las concentraciones de HI y I 2 son 0,05 M y 0,01 M respectivamente. Cuál será la concentraciónn de H 2? Actividad Nº 3: 3.1.- Escribir la ecuación química balanceada y calcular la constante de equilibrio a 250 ºC en la reacción de formación del yoduro de hidrógeno sabiendo que el volumen del recipiente es de 10 litros y que partiendo de 2 moles de I 2 y 4 moles de H 2 se han obtenido 3 moles de yoduro de hidrógeno. 3.2.- Se tiene la siguiente reacción a 1660 ºC: Br 2 (g) 2Br (g) Se coloca 1,05 moles de Br 2 en un recipiente de 0,980 l y se disocia el 1,2% del Br 2 para alcanzar el equilibrio. Cuál es el valor de la constante de equilibrio para esa reacción? 3.3.- En cada uno de los siguientes recipientes hay una mezcla de H 2 (g), I 2 (g) y HI (g) a una determinadaa temperatura. O representa un átomo de hidrógeno y representa un átomo de iodo Predecir en cada caso hacia donde evolucionará la ecuación representada por: I 2 (g) Sabiendo que K eq = 6 a esa temperatura. + H 2 (g) 2 Hl(g) Actividad N 4: 4.1.- A cierta temperatura T se produce la reacción representada por: A + B C + D Representar gráficamente la variación de las concentraciones de A, B, C y D en función del tiempo, para las siguientes concentraciones iniciales: a) [A] = 0,1 M; [B] = 0,1 M; [C] = 0 M; [D] = 0 M b) [A] = 0 M; [B] = 0 M; [C] = 0,1 M; [D] = 0,1 M c) [A] = 2 M; [B] = 1 M; [C] = 0 M; [D] = 0 M 4.2.- En el gráfico se representann las concentraciones molares de reactivos y productos en función del tiempo, para una determinada reacción química a una temperatura T. a) Indicar cuál de las siguientes ecuaciones químicas representa la reacción química: I- A(g) B(g) + 2 C(g) II- 2 A(g) B(g) + C(g) III- A(g) B(g) + C(g) b) Escribir la expresión de la constante de equilibrio y calcular su valor. 4.3.- En un recipiente de 10 litros se coloca cierta cantidad de ozono a una temperatura T. El sistema evoluciona como se muestra en el gráfico de la derecha, alcanzando el equilibrio representado por 2 O 3 3 O 2. Calcular el valor de la constante de equilibrio a la temperatura T. - 25 -
4.4.- En un recipiente de 10 dm 3 se mezclan a una temperatura T, 0,20 moles de N 2 O 4 (g) con cierta cantidadd de NO 2 (g).el sistema evoluciona como indica el gráfico de la derecha, alcanzando el equilibrio representado por: 2 NO 2 (g) N 2 O 4 (g) a) Calcular la concentración molar del N 2 O 4 (g) en el equilibrio a la temperatura T. b) Representar en el grafico el número de moles de N 2 O 4 (g) c) Calcular el valor de la constante de equilibrio. Actividad N 5: 5.1.- El siguiente esquema representa un recipiente con tapa móvil dónde se hallaa una mezcla de gases en equilibrio correspondiente a la reacción entre A 2 (g) y B 2 (g), a una temperatura determinada. O representa un átomo de A y representa un átomo de B a) Escribir la ecuación correspondiente a la reacción b) Si se disminuye el volumen del recipiente, sin cambiar la temperatura, indicar cuál de los siguientes esquemas representa el sistema final. Justificar brevemente la respuesta. 5.2.- Para el sistema: 2 Hl(g) I 2 (g) + H 2 (g) Indicar, justificando brevemente en todos los casos: a) Qué ocurre con la concentración del yoduro de hidrógeno si se disminuye el volumen manteniendo el volumen constante? b) Cómo varía el número de moles de hidrógeno si se aumenta la concentración de yodo? c) Cómo varía la concentración de yodo si se sustrae hidrógeno del sistema? d) Considerando los casos planteados en los ítems a), b), y c): cambia en alguno de ellos el valor de la constante de equilibrio? Actividad Nº6: Para la reacción: CO(g) + H 2 O(g) H 2 (g) + CO 2 (g) se cumplen las siguientes relaciones entre Keq y temperatura: T (K) Keq 600 31,600 850 3,156 1100 1,000 En un recipiente de volumen constante, mantenido a 850 K, hay 5,00 moles de agua, 0,50 moles de monóxido de carbono, 3,00 moles de hidrógeno y 2,63 moles de dióxido de carbono. a) Predecir si el sistema está en equilibrio el sistema. b) Si se enfría hasta 600 K. Cómo evoluciona el sistema? Qué ocurre con el valor de la contante de equilibrio? c) Si se calienta hasta 1100 K. Hacia dónde se desplaza la reacción? Qué ocurre con el valor de la contante de equilibrio? - 26 -
d) La reacción es endotérmica o exotérmica? V- Respuestas a los problemas numéricos Actividad Nº2: 2.1.- b) 0,04 2.2.- b) Keq = 0.018; c) 4.6-3 M Actividad Nº3: 3.1.- 7,2 3.2.- 6,4 10-4 Actividad Nº4: 4.2.- b) 0,33 4.3.- 43,2 4.4.- a) 0,03 M; c) 75 VI- Bibliografíaa recomendada Angelini y Col. Temas de Química General. Manuales Eudeba. 1995. Atkins-Jones. Principios de química. Los cambios del descubrimiento. Edit. Panamericana: 3ra edición. 2005. Brown. Química. La ciencia central. Pearson: 9na edición. 2004. Chang R. Química. McGraw Hill: 7ma edición. 2005. Garritz y Chamizo. Tú y la Química. Pearson Educación: 5ta edición. 2005. - 27 -