Cpítulo 14 Equilirio químio Éste es el primero e vrios pítulos que trt sore los oneptos e uilirio químio. Pree ser que el tem e uilirio químio result ifíil pr muhos lumnos. Sólo espués e iferentes pliiones les hrá omprener el tem. Al terminr este pítulo, el estuinte porá: 1. Desriir el uilirio químio usno los términos reiones hi elnte e inverss y el proeso inámio. 2. Esriir l onstnte e uilirio en términos e onentriones e uilirio e proutos y retivos y sus respetivos oefiientes estuimétrios pr uilirio homogéneo y heterogéneo. 3. Derivr l relión entre K p y K. 4. Determinr l onstnte e uilirio os los tos e onentrión e uilirio. 5. Mostrr que si un reión puee expresrse omo l sum e os o más reiones, l onstnte e uilirio pr l reión glol es por el prouto e ls onstntes e uilirio e ls reiones iniviules. 6. Relionr l onstnte e uilirio on l onstnte e veloi e l inéti quími. 7. Desriir l relión entre el oiente e reión y l onstnte e uilirio y preeir l ireión en que proeerá l reión l lnzr el uilirio. 8. Usr los oneptos e uilirio pr eterminr l onentrión e tos ls espeies en un soluión. 9. Usr el prinipio Le Châtelier pr esriir ómo l mir onentrión, volumen, presión, o tempertur mirán l reión pr que un uilirio se mntenio. 1. Desriir el efeto que tiene un tlizor en ls onentriones e uilirio. 14.1 El onepto e uilirio y l onstnte e uilirio En el pítulo 13, se isutió que l veloi e un reión quími puee esriirse omo veloi = -/t one es l onentrión e A y el /t es el mio instntáneo en l onentrión e A respeto l tiempo. En este pítulo se reliz un introuión l onepto e uilirio que puee expresrse omo
-/t = /t = pr l reión A B o que l onentrión e A y B no están mino on el tiempo. Tmién en el pítulo 13 se isutió usno isótopos pr seguir ls reiones químis y pr yur esriir los menismos e reión. Porín herse estuios similres on el sistems e uilirio. Por ejemplo, el utor señl en l tl 14.1 que l veloi e [NO 2 ] 2 /[N 2 O 4 ] 25 B C es 4.65 H 1-3. Result ifíil los estuintes entener que en el uilirio NO 2 se está onvirtieno N 2 O 4 y N 2 O 4, su vez, NO 2. Si se empezr on NO 2 tenieno 18 O y N 2 O 4 on sólo 16 O y onentriones tl que l veloi e [NO 2 ] 2 /[N 2 O 4 ] fuer igul 4.65 H 1-3, se enontrrí que espués e un longitu e tiempo lguno el NO 2 ontenrín 16 O y lguno el N 2 O 4 hrí inorporo 18 O en él. Esto ourre unque ls onentriones e NO 2 y N 2 O 4 permneen onstntes too el tiempo. El punto es que uilirio químio es un uilirio inámio, y no es estátio omo muhos estuintes pueen sumir en un prinipio. Es importnte que los estuintes entienn: ) pr l reión A + B C + D que K = [C] [D] ) Si K es grne, entones los proutos se fvoreerán l uilirio. ) Si K es pueño, entones los retivos se fvoreerán l uilirio. ) K nun puee ser negtivo porque eso ruerirí un onentrión negtiv lo ul no tiene sentio. e) en generl, nosotros no poemos preeir ls veloies e ls reiones químis por el tmño e K.
14.2 Esritur e ls expresiones e ls onstntes e uilirio Pr el uilirio homogéneo, tos ls espeies en reión están en l mism fse; por onsiguiente, toos los proutos y retivos preerán en l expresión e uilirio. Si toos los proutos y retivos son gses, entones l expresión e uilirio puee estleerse en términos e K (unies e onentrión molr) o K p (presiones). L relión entre K y K p es K p = K (RT) n one n es el número e moles e proutos gseosos menos el número e moles e retivos gseosos. Pr ls reiones uoss, l onentrión e gu es grne y normlmente inlter por l reión quími que se estui. Por onsiguiente, se sume que l onentrión e gu es un onstnte y es inorpor en l onstnte e uilirio. Es importnte notr que K es epeniente e ómo l reión es esrit. Por ejemplo, pr l reión N 2 O 4 2 NO 2 pr l reión K = [NO 2 ] 2 / N 2 O 4 1/2 N 2 O 4 NO 2 K = [NO 2 ]/ [N 2 O 4 ] 1/2 o K = (K ) 2 o pr l reión sí que 2NO 2 N 2 O 4 K = [N 2 O 4 ] /[NO 2 ] 2 K = (K ) -1 Pr ls reiones heterogénes, ls onentriones e
sólios puros, líquios puros y isolventes no preen en l expresión e uilirio. Como se esriió nteriormente pr el gu, l onentrión se sume que permnee onstnte y, por onsiguiente, se puee inorporr en l onstnte e uilirio. Vése l isusión e en l seión 14.2 el texto. CCO 3 (s) = CO(s) + CO 2 (g) Finlmente, si l reión glol que ourre se puee expresr omo os o más reiones, el uilirio onstnte pr l reión glol es el prouto e ls onstntes e uilirio e ls reiones iniviules. Puee vler l pen ontrstr esto on los oneptos e veloi e reiones químis y los psos eterminntes e l veloi euios en el pítulo 13. 14.3 L relión entre inéti quími y uilirio químio Est seión muestr meinte ls reiones elementles que K es l onstnte e uilirio no import si l reión ourre omo un solo pso elementl o por un serie e psos. Es por est rzón que K = [C] [D] y es inepeniente el menismo e reión que ourre pr formr los proutos. 14.4 Qué informión proporion l onstnte e uilirio? El onepto e oiente e reión, Q, se introue en est seión. Q tiene l mism form omo K exepto que K se reserv pr l onentrión e proutos y retivos l uilirio. Pr entener l ifereni entre K y Q, se ee est seguro e ientifir qué onentriones se está refirieno. Por ejemplo, se porí signr el suínie ero pr signifir l onentrión iniil y y signifir l onentrión l uilirio. Entones se efine Q = [C] [D] y Q = [C] [D] Sigue que si Q>K, pr que Q se vuelv igul K omo se
ruiere pr el uilirio, el numeror e Q ee volverse más pueño y el enominor ee volverse más grne. Deimos entones que l reión mi hi los retivos o l izquier. Si Q<K, entones el numeror ee umentr y el enominor ee isminuir hst Q = K y se lne el uilirio. L reión ee mir sí hi los proutos o mirá l ereh. Si Q = K, entones l reión está en uilirio y l onentrión e proutos y retivos no mirá. Si onoemos l onstnte e uilirio y onentriones iniiles e los proutos y retivos, es posile lulr eso que ls onentriones e uilirio serán. Un onepto que lgunos estuintes no entienen es que si tenemos A + B C ellos elrrán que 2C está heho pr A que reion. Su lógi es que si 1A reionn y 1B reionn (ellos ven que el número e A que reion ee igulr el número e B que reion), entones e formr 2C porque 1 + 1 = 2. Este error en l lógi no es un ml entenio e los oneptos e uilirio, pero hy que entener que l estuiometrí, l ul puee esonerse, se ruiere pr resolver los prolems e uilirio. 14.5 Ftores que ltern el uilirio químio El prinipio e Le Châtelier estlee que si un tensión extern es puest en un sistem que está en uilirio, el sistem mirá pr relevr es tensión. Este onepto es válio pr otros sistems emás el uilirio químio. Si uste tiene un estuinte que pree estr en uilirio on su esritorio (poyánose en él omo si él/ell puier ormirse), este onepto se puee explir minno hi él/ell y pretenieno lnzr su homro pr poner un tensión en el sistem en uilirio. El estuinte se moverá pr relevr l tensión que uste puso en el sistem e uilirio y griosmente puee pretener lnzr l espl. Ciertmente el sistem h responio l tensión extern puest en el sistem. El prinipio e Le Châtelier tmién ontiene eonomí. Si, por ejemplo, un iert iu tiene lgún tipo e empleo lleno tl que toos quienes se mueven l iu enuentrn el trjo e quellos quienes se hn mrho, l situión el empleo está en uilirio. Si e repente un plnt inustril ierr, entones un grn tensión se pone en l eonomí e es omuni. Un resulto e l tensión el ierre e l plnt es un migrión fuer e l iu hst que el empleo ompleto se lnz un vez más. Quizás vieno los ejemplos el prinipio e Le Châtelier en
ls situiones e uilirio no químio, l pliión e este prinipio en los sistems químios será más fáil que los estuintes lo entienn. El utor señl que los mios en l presión fetn poo en ls reiones e fse onens porque los sólios y líquios son virtulmente inompresiles; sin emrgo, los mios e presión pueen fetr ls onentriones e uilirio en ls reiones e fse gseos. Si l presión ument, entones el volumen el sistem isminuirá puesto que presión y volumen son inversmente proporionles. Si el volumen isminuye, entones ls onentriones een umentr porque volumen y onentrión son inversmente proporionles. El inremento e l presión el ul result en un isminuión en el volumen, umentrá l onentrión e espeies en el sistem. Si esto ps, Q no será lrgmente igul que K y el sistem no estrá lrgmente en uilirio. Nuestr isusión nterior e ómo el sistem mirá fetno hst Q un vez más es igul K. Nótese que los estos nteriores que umentn l presión que proue un isminuión en el volumen prouirá un umento en l onentrión e ls espeies presentes. Si umentno l presión no proue un isminuión en el volumen (gregno un gs inerte), entones el uilirio no será feto. Ls onstntes e uilirio son onstntes on tl e que l tempertur se l mism. Si nosotros tenemos un reión exotérmi omo 2A B H = -1kJ entones poemos onsierr el lor un prouto (se emite) o poemos esriir 2A B + lor Ahor si l tempertur ument, estmos gregno lor, sí omo si estuviérmos gregno B l sistem, l reión mirá l izquier pr relevr l tensión puest en el sistem. Puesto que K = / 2 pr est reión y puesto que B está volviénose más pueño y A está volviénose más grne, K ee estr volviénose más pueño. Pr un reión exotérmi, K isminuye on el inremento e l tempertur. Pr un reión enotérmi K umentrá on el inremento e l tempertur. L funión e un tlizor es mir el mino e l reión que se ruiere pr ir e los retivos los proutos pero no mi l proporión e retivos y proutos. Porque l
proporión que onstnte, l preseni e un tlizor no fet ls onentriones e uilirio pero presur l reión en el uilirio.