• No se han encontrado resultados

Curso : Segundo de Bachillerato Unidad nº 5 El Equilibrio Químico ( segunda parte) Cinética Química y equilibrio

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2018

Share "Curso : Segundo de Bachillerato Unidad nº 5 El Equilibrio Químico ( segunda parte) Cinética Química y equilibrio"

Copied!
9
0
0

Texto completo

(1)

Asignatura de Química

Curso : Segundo de Bachillerato

Unidad nº 5

El Equilibrio Químico ( segunda

parte)

Cinética Química y equilibrio

1- Concepto de equilibrio químico. Características macroscópicas e interpretación microscópica.

2- Cociente de reacción y constante de equilibrio.

3- Formas de expresar la constante de equilibrio: Kc y Kp; Relación entre ambas.

4- Factores que modifican el estado de equilibrio: Principio de Le Chatelier.

5- Equilibrios heterogéneos.

1.-Concepto de equilibrio químico. Características macroscópicas e interpretación microscópica.

En la mayoría de las reacciones químicas, la conversión de los reactivos en los productos no es completa, sino que, al cabo de cierto tiempo los productos comienzan a su vez a reaccionar entre sí o a descomponerse (según las características de cada reacción), de manera que se vuelven a generar los reactivos iniciales. A éste tipo de procesos se les denomina reversibles

A la reacción que transcurre de izquierda a derecha → se denomina reacción directa y a la reacción que transcurre en el sentido contrario

se denomina reacción inversa.

En las reacciones reversibles, y transcurrido un cierto intervalo de tiempo desde que se inicia la reacción (que puede ser más o menos largo), se llega a un estado de equilibrio,

en el que coexisten determinadas cantidades de reactivos junto con otras de productos.

Por ej: Para ver como se establece el equilibrio vamos a fijarnos en la reacción:

vd

I2 + H2 2IH

vi

Al principio, como las concentraciones de los reactivos I2 y H2 son muy grandes, los

(2)

reacción directa será muy elevada mientras que la velocidad de reacción inversa será pequeña, dado que al principio hay pocas moléculas de IH.

http://www.google.es/imgres?q=gr%C3%A1ficas+de+equilibrio+qu%C3%ADmico&hl=es&sa=X&tbo=d&rlz=1R2SKPT_esES40 5&biw=1366&bih=557&tbm=isch&tbnid=AZJyhw9TqgvXTM:&imgrefurl=http://fresno.pntic.mec.es/~fgutie6/quimica2/Archivos HTML

Sin embargo, a medida que pase el tiempo, variarán las concentraciones, con lo que las de H2 eI2 disminuirán y la de IH aumentará. Lo mismo ocurrirá con las velocidades.

Llegará un momento en que ambas velocidades se hagan iguales. En ese momento se forma tanto IH como se descompone, puesto que ambas velocidades son iguales, es decir, las concentraciones de I2, H2 e IH permanecen constantes.

A partir de este momento, el sistema no varía con el tiempo y se dice que ha alcanzado el equilibrio químico.

Hay que resaltar que el equilibrio químico es dinámico es decir, las moléculas de reactivos se van a transformar constantemente en moléculas de productos y éstas se convertirán de nuevo moléculas de reactivos, pero al hacerlo con la misma velocidad

las concentraciones de reactivos y productos van a permanecer constantes en el tiempo.

Sin embargo hay que añadir que estas concentraciones dependerán de las concentraciones iniciales de cada reactivo y producto antes de comenzar la reacción química.

Se puede afirmar que de manera general el estado de equilibrio se va a caracterizar porque sus propiedades macroscópicas no cambian con el tiempo (la concentración, la presión de vapor, etc)

El estado de equilibrio no se alcanza en sistemas abiertos (aquellos en los que se produce intercambio de masa con el entorno).

(3)

2.-Constante de equilibrio. Ley de acción de masas. Cociente de reacción

Si se parte de una reacción reversible concertada (es decir aquellas que transcurren en una única etapa y que por lo tanto se produce la coincidencia entre su coeficiente

estequiométrico y su orden de reacción), se pueden plantear sus ecuaciones diferenciales de velocidad como:

a A + b B c C + d D

vd = Kd [A] a [B] b

vi = Ki [C] c [D] d

Como el instante en el que se alcanza el equilibrio se cumple que

vd = vi :

Kd [A] a [B] b = Ki [C] c [D] d

[C]c [D]d Keq = Kd

/ K

i =

[A]a [B]b

La relación de las concentraciones de las sustancias una vez alcanzado el equilibrio, es decir, Keq, no depende de las concentraciones iniciales sino únicamente de la temperatura a la que se lleve a cabo el proceso.

Ésta ecuación se conoce como

Ley de Equilibrio o Ley de Acción de masas

( Guldberg y Waage 1864) y afirma:

“En un proceso elemental, el producto de las concentraciones en el equilibrio de los productos elevados a sus respectivos coeficientes estequiométricos y dividido por el producto de las concentraciones de los reactivos elevados a su vez a sus respectivos coeficientes, es constante para cada temperatura y recibe el nombre de cte de Equilibrio”

Hay que señalar que las especies que intervienen en el cálculo de Kc son las que se encuentran en estado gaseoso o acuoso, ya que son las únicas cuya concentración puede variar. El resto se encuentran incluidas en la constante.

Si en un equilibrio conviven especies en diferentes estados físicos (equilibrios heterogéneos), sólo se incluirán en la constante las especies gaseosas.

(4)

La expresión de la Ley de acción de masas para reacciones que no hayan alcanzado el equilibrio se denomina

Cociente de reacción

y va a tener una gran importancia para interpretar en qué sentido se va a desplazar la reacción e incluso si ésta ha alcanzado el equilibrio:

a A + b B

c C + d D

[C]

c [D]d Qc =

[A]a [B]b

Se debe insistir en que las concentraciones sustituidas en el cociente de reacción no son las concentraciones en el equilibrio sino las que se pueden presentar en cualquier instante de la reacción química.

Así:

Q < Kc Predomina la reacción a la derecha antes de llegar al equilibrio Q = Kc La reacción se encuentra en equilibrio

Q >Kc Predomina la reacción a la izquierda antes de llegar al equilibrio

B ) Constante de equilibrio en función de la presión,

Cuando todas las especies que interviene en una reacción química se encuentran en estado gaseoso la constante de equilibrio se puede plantear en función de las presiones parciales de los componentes.

vd

aA (g) + bB (g) cC (g) + dD (g) vi

La presión total de un sistema es igual a la suma de las presiones parciales de cada uno de los componenetes.

P

T = PA + PB + PC + PD

Según la ecuación de los gases perfectos.

(5)

PA = (NA/VA) RT = [A] . R . T

PB = (NB/VB) RT = [B] . R . T

PC = (NC/VC) RT = [C] . R . T

PD = (ND/VD) RT = [D] . R . T

Enel equilibrio: Vd = Vi

Kd [A] a [B] b = Ki [C] c [D] d

[C]c [D]d Kc = Kd

/ K

i =

[A]a [B]b

Del mismo modo se puede plantear la Ley de Acción de masas en función de las presiones parciales de los componentes.

Pcc Pdd [C]c . (R.T)c . [D]d . (R.T)d Kp = = =

Paa Pbb [A]a . (R.T)a . [B]b . (R.T)b

[C]c [D]d

Kp = (R.T)c+d-a-b = Kc (R.T)∆n

[A]a [B]b

=> Kc = Kp (R.T)-∆n Kc

Kc y Kp coinciden si ∆n =0

Se debe recordar que la presión parcial de un gas también se puede expresar en base a la ley de Raoult como:

pi = P

T

. X

i

ni

X

i

=

(6)

( Xc PT)C ( XD PT)d

Kp = = Kx P

T∆n

( XA PT)a (( XB PT)b

Kc y Kp sólo dependen de la temperatura del sistema, mientras que Kx también depende de Pt excepto si ∆n es igual a 0.

-Grado de disociación:

Se define como la cantidad en tanto por uno (aunque también se expresa en tanto por ciento) de un reactivo que ha reaccionado.

x

α =

c

0

Los valores de α oscilan entre 0-1 o entre 0% – 100%., y nos indican la cantidad de reactivo que queda sin disociar una la reacción química. Si α tiene un valor elevado, la mayor parte del reactivo se encuentra disociado, es decir en forma de productos.

Principio de Le Chatelier

Las concentraciones de las sustancias que intervienen en una reacción química (reactantes y productos) se mantienen constantes una vez que se alcanza el equilibrio y no varían con el tiempo pero, para una misma reacción, sus valores dependen de las condiciones en las que se establezca el equilibrio.

El Principio de Le Chatelier se enuncia:

“Cuando en un sistema en equilibrio de modifica un factor externo, el equilibrio se desplaza en el sentido de contrarrestar dicha modificación”

Estos factores que afectan a la composición de un equilibrio son:

1- Temperatura

Según el Principio de le Chatelier, cuando en un sistema en equilibrio de modifica un factor externo, el equilibrio se desplaza en el sentido de contrarrestar dicha modificación.

(7)

temperatura se desplaza hacia la derecha. Por el contrario, en una reacción endotérmica sucede al revés:

T ( ) y

T ( )

2- Presión

Al contrario de lo que ocurre con la temperatura, la presión total a la que se lleva a cabo una reacción química no modifica el valor de la cte. de equilibrio. No obstante, si que cambian en general las concentraciones de la sustancias en equilibrio. Así, al

incrementar la presión se favorecerá la reacción en el sentido en que disminuye el volumen para contrarrestar el aumento de P. Por tanto, como el volumen es

proporcional al nº de moles, al aumentar P se favorecerá la reacción en el sentido en que disminuya este nº de moles y viceversa.

3- Concentraciones iniciales

Las variaciones de las concentraciones de los reactivos no modifican la Keq., pero si afectan a las concentraciones finales en el equilibrio. Así, al aumentar la concentración de los reactivos la reacción se desplazará hacia la derecha y viceversa.

Ci ( )

Ci ( )

4- Catalizadores

(8)

-Aplicación del principio de Le Chatelier:

Método de Haber – Boch de obtención del amoniaco:

N

2

+ 3H

2

↔ 2 NH

3

∆H < 0

¿Cómo se puede obtener una mayor cantidad de amoniaco ¿

Aplica las consideraciones cinéticas y termodinámicas.

Colección de ejercicios:

1.-A 532 K se introducen 0,1 moles de PCl5 en un recipiente X de 1,2 L y 0,1 moles en otro recipiente Y.

Se establece el equilibrio PCl5 ↔ PCl3 + Cl2, y la cantidad de PCl5 se reduce un 50% en el

recipiente X y un 90% en el recipiente Y. Todas las especies se encuentran en fase gaseosa. Calcule:

a) La presión en el equilibrio en el recipiente X. b) La constante de equilibrio Kc.

c) El volumen del recipiente Y.

d) La presión en el equilibrio en el recipiente Y.

2.-En un recipiente de 0,4 L se introduce 1 mol de N2 y 3 mol de H2 a la temperatura de 780 K..

Cuando se establece el equilibrio para la reacción N2 + 3 H2 2 NH3, se tiene una mezcla

con un 28 % en mol de NH3. Determine:

a) El número de moles de cada componente en el equilibrio. b) La presión final del sistema.

c) El valor de la constante de equilibrio, Kp.

3.-Para la reacción N2 (g) + O2 (g) ↔ 2 NO (g) el valor de la constante de equilibrio, Kc es

8,8.10-4a 1930ºC. Si se introducen 2 moles de N

2 y 1 mol de O2 en un recipiente vacío de 2 L y

se calienta hasta 1930ºC, calcule:

a) La concentración de cada una de las especies en el equilibrio.

(9)

NO2 + SO2 ↔ NO + SO3,

siendo las concentraciones molares en el equilibrio: [NO2]=0,2, [SO2]=0,6, [NO]=4,0, [SO3]=1,2.

a) Calcular el valor de la Kc. a esa temperatura

b) Si se añaden 0,4 moles de NO2 ¿Cuál será la nueva concentración de reactivos y productos

cuando se reestablezca de nuevo el equilibrio?

5.-En un recipiente cerrado de volumen constante igual a 22 L y a la temperatura de 305 K se introduce 1mol de N2O4(g).

Este gas se descompone parcialmente según la reacción

N2O4(g) ↔ 2NO2(g), cuya constante de equilibrio Kp vale 0,249 a dicha temperatura.

a) Calcule el valor de la constante de equilibrio, Kc.

b) Determine las fracciones molares de los componentes de la mezcla en el equilibrio. c) ¿Cuál es la presión total cuando se ha alcanzado el equilibrio?

6.-Se introducen 2 moles de COBr2 en un recipiente de 2 L y se calienta hasta 73 ºC.

El valor de la constante Kc a esa temperatura, para el equilibrio COBr2 (g) ↔ CO (g) + Br2 (g) es

0,09.

Calcule en dichas condiciones:

a) El número de moles de las 3 sustancias en el equilibrio. b) La presión total del sistema.

c) El valor de la constante Kp.

7.-El yoduro de hidrógeno se descompone a 400 /C de acuerdo con la ecuación: 2 HI(g) ↔ H2(g) + I2(g), siendo el valor de Kc = 0,0156.

Una muestra de 0,6 moles de HI se introduce en un matraz de 1 L y parte del HI se descompone hasta que el sistema alcanza el equilibrio.

a) ¿Cuál es la concentración de cada especie en el equilibrio? b) Calcule Kp.

c) Calcule la presión total en el equilibrio.

8.-El equilibrio PCl5 (g) ↔ PCl3 (g) + Cl2 (g) se alcanza calentando 3 g de pentacloruro de

fósforo hasta 300 ºC en un recipiente de medio litro, siendo la presión final de 2 atm. Calcule: a) El grado de disociación del pentacloruro de fósforo.

b) El valor de Kp a dicha temperatura.-

9.-En un recipiente de 25 L se introducen dos moles de hidrógeno, un mo] de nitrógeno y 3,2 moles de amoniaco. Cuando se alcanza e] equilibrio a 400 /C, el número de moles de amoniaco se ha reducido a 1,8.

Para la reacción 3H2 (g) + N2 (g) ↔ 2NH3 (g) calcule:

a) El número de moles de H2 y de N2 en el equilibrio.

Referencias

Documento similar

Products Management Services (PMS) - Implementation of International Organization for Standardization (ISO) standards for the identification of medicinal products (IDMP) in

This section provides guidance with examples on encoding medicinal product packaging information, together with the relationship between Pack Size, Package Item (container)

Package Item (Container) Type : Vial (100000073563) Quantity Operator: equal to (100000000049) Package Item (Container) Quantity : 1 Material : Glass type I (200000003204)

Cedulario se inicia a mediados del siglo XVIL, por sus propias cédulas puede advertirse que no estaba totalmente conquistada la Nueva Gali- cia, ya que a fines del siglo xvn y en

El nuevo Decreto reforzaba el poder militar al asumir el Comandante General del Reino Tserclaes de Tilly todos los poderes –militar, político, económico y gubernativo–; ampliaba

No había pasado un día desde mi solemne entrada cuando, para que el recuerdo me sirviera de advertencia, alguien se encargó de decirme que sobre aquellas losas habían rodado

De acuerdo con Harold Bloom en The Anxiety of Influence (1973), el Libro de buen amor reescribe (y modifica) el Pamphihis, pero el Pamphilus era también una reescritura y

Habiendo organizado un movimiento revolucionario en Valencia a principios de 1929 y persistido en las reuniones conspirativo-constitucionalistas desde entonces —cierto que a aquellas