Universidad Nacional Andrés Bello Facultad de Ciencias Exactas Introducción a la Química QUI080
Guía N° 7
Concepto de equilibrio químico Lectura de Referencia:
“QUÍMICA. La Ciencia Central” 7a Edición. T. L. Brown, H. E. LeMay, Jr., B. E. Bursten
Referencia: CAPÍTULO 15. Brown Objetivos Específicos
1. Velocidad de reacción y equilibrio químico 2. La constante de equilibrio
3. Relación entre Kc y KP
4. Cálculo de constantes de equilibrio y de las concentraciones en equilibrio 5. Principio de Le Chatelier : cambios de concentración, presión y temperatura Ejercicios Resueltos
1. El trióxido de azufre se descompone en un recipiente cerrado 2 SO3 (g) 2 SO2 (g) + O2(g)
El recipiente se carga inicialmente, a 1000 K , con SO3 (g) a una presión parcial de 0,500 atm.En el equilibrio la presión parcial de SO3 (g) es de 0,200 atm. Calcule el valor de la constante de equilibrio a 1000 K
Desarrollo
La expresión de la constante de equilibrio se escribe en función de las presiones parciales de equilibrio: 2 2 3 2 2 SO O P SO p x p K p =
Haremos una tabla con presiones iniciales, el cambio que ocurre y presiones de equilibrio:
2 SO3 (g) 2 SO2 (g) + O2 (g)
piniciales 0,500 atm 0 atm 0 atm
cambio −2x 2x x
El enunciado dice que peq (SO3) = 0,200 atm , lo que nos permitirá encontrar el
valor de x reemplazando en:
peq (SO3) = (0,500 – 2x) atm = 0,200 atm
y despejando el valor de x: X = 0,15
Con el valor de x se encuentran las presiones de SO2 y O2:
Peq (SO2) = 2x = 2 (0,15) = 0,3 atm
Peq (O2) = x = 0,15 atm
Reemplazando las presiones de equilibrio en la expresión de Kp:
2 2 3 2 2 2 2 (0,3) 0,15 0,338 (0, 2) SO O P SO p x p x K p = = =
Resultado: La constante de equilibrio a 1000 K es Kp = 0,338
2. Se introduce una mezcla de 0,20 mol de CO2 , 0,10 mol de H2 y 0,16 mol de H2O en un recipiente de 2,00 L.Se establece el equilibrio siguiente a 500 K:
CO2(g) + H2(g) CO(g) + H2O(g) En el equilibrio pH2O = 3,51 atm
a) Calcule la constante de equilibrio de la reacción.
b) Calcule las presiones parciales de equilibrio de CO2, H2 y CO. Desarrollo
a) Cálculo de las concentraciones molares iniciales ( ) moles M V L = , reemplazando valores: CO2 = 0,20 mol /2L = 0,10 M H2 = 0,10 mol/2L = 0,05 M H2O = 0,16mol /2L = 0,08 M
Planteando la tabla con las concentraciones molares iniciales, el cambio y las concentraciones molares de equilibrio:
CO2(g) + H2(g) CO(g) + H2O(g)
Ciniciales 0,10 M 0,05 M 0 M 0,08 M
Cequilibrio (0,10 – x)M (0,05 – x)M (x) M (0,08 + x)M
El valor de x lo podemos obtener considerando que en el equilibrio pH2O =
3,51atm
De P x V = n x R x T tenemos que P = (n/V) x R x T, despejando la concentración molar del agua en el equilibrio:
1 1 3,51 0, 0855 0, 082 500 n P atm M V = RT = atmLK mol x− − K =
Como la concentración de equilibrio del agua es (0,08 + x) = 0,0855 M Despejando, el valor de x resulta x = 5,55 x 10-3
Reemplazando el valor de x en las concentraciones de equilibrio planteadas en la tabla:
[CO2] = (0,10 – x) = 0,0944 M
[H2] = (0,05 – x) = 0,0444 M
[CO] = (x) = 0,00555 M
[H2O] = (0,08 + x) = 0,0855 M
La expresión de la constante de equilibrio en función de las concentraciones molares de equilibrio es:
3 2 2 2 [ ][ ] (5,55 10 )(0,0855) 0,18 [ ][ ] (0,0944)(0, 0444) C CO H O x K CO H − = = = el valor de la constante es Kc = 0,18
b) Las presiones parciales se calculan a través de P x V = n x R x T despejando la presión:
P = n/v x R xT calculando para CO2 :
PCO2 = 0,0944 mol/L x 0,082 atm L x 500 K = 3,87 atm
mol K
De la misma manera se obtiene la presión de H2 y de CO:
Ejercicios propuestos
1. Escriba las expresiones para Kc y Kp para las siguientes reacciones químicas. Indique
en cada caso si la reacción es homogénea o heterogénea: a) 3NO(g) ↔N2O(g) +NO2(g)
b) CH4(g) + 2H2S(g) ↔ CS2(g) + 4H2(g)
c) Ni(CO)4 (g) ↔ Ni(s) + 4CO(g)
d) Fe2O3(s) + 3H2(g) ↔ 2Fe(s) + 3H2O (g)
e) 2N2O5(g) ↔ 4NO2(g) + O2(g)
f) FeO(s) + H2(g) ↔Fe(s) + H2O(g)
R: Kc Kp Tipo de equilibrio (a) Kc = [N2O][NO2] [NO]3 Kp = PN2O x PNO2 P3NO Homogéneo (b) Kc = [CS2][H2] 4 [CH4][H2S]2 Kp = PCS2 P 4 H 2 PCH4P2H2S Homogéneo (c) Kc = [CO]4 [Ni(CO)4] Kp = P 4 CO PNi(CO)4 Heterogéneo (d) Kc = [H2O] 3 [H2]3 Kp = P 3 H 2O P3H 2 Heterogéneo (e) Kc = [O2][NO2] 4 [N2O5]2 Kp = PO2P 4 NO 2 P2N 2O5 Homogéneo (f) Kc = [H2O] [H2] Kp = PH2O PH2 Heterogéneo
2. La constante de equilibrio para la reacción: 2NO(g) ↔ N2(g) + O2(g)
es Kc= 2,4 x 103 a 2000 °C.
a) Calcule Kc para: N2(g) + O2(g) ↔ 2NO(g)
b) A esta temperatura ¿favorece el equilibrio al NO o al N2 y el O2?
R: (a) Kc = 4,2 x 10-4, (b) el equilibrio favorece al N
2 y al O2 a esa temperatura.
3. La constante de equilibrio de la reacción: 2SO3(g) ↔ 2SO2(g)+ O2(g)
es Kc= 2,4 x 10-3 a 700 °C.
(a) Calcule Kc para: 2SO2 (g) + O2(g) ↔ 2SO3(g)
(b) A esta temperatura ¿favorece el equilibrio al SO2 y el O2 o al SO3?
R: (a) Kc = 4,2 x 102 , (b) el equilibrio favorece a SO
3 a esa temperatura.
4. Se coloca yoduro de hidrógeno gaseoso en un recipiente cerrado a 425 °C donde se descompone parcialmente en hidrógeno y yodo según:
2HI(g) ↔ H2(g) + I2(g)
En la posición de equilibrio se encuentra que [HI] = 3,53 x 10-3 M;
[H2] = 4,79 x 10-4 M; [I2] = 4,79x10-4 M. Calcule Kc y Kp a esta temperatura.
R: Kc = 1,84 x 10-2, k
p = 1,84 x 10-2
5. A temperaturas cercanas a los 800 ºC, el vapor de agua se hace pasar sobre coque (una forma de carbono que se obtienen de la hulla) caliente reacciona para formar CO e H2 : C(s) + H2O (g) ↔ CO(g)+ H2(g)
La mezcla de gases que se produce es un combustible industrial importante que se llama
gas de agua. Cuando se alcanza el equilibrio a 800 ºC [H2] = 4,0 x 10-2 M, [CO] = 4,0
x 10-2 M, [H
2O] = 1,0 x 10-2 M. Calcule Kc a esta temperatura. R: Kc = 0,16
6. Para la reacción : 2NO (g) + Cl2 (g) ↔ 2 NOCl (g)
A 500 K la constante de equilibrio de la reacción es Kp = 52,0. Una mezcla de los tres gases en equilibrio presenta presiones parciales de 0,095 atm para NO y 0,171 atm para Cl2. ¿Cuál es la presión parcial del NOCl en la mezcla. R: La presión del NOCl (g) es
0,28 atm
7. El tricloruro de fósforo gaseoso y el cloro gaseoso reaccionan para formar pentacloruro de fósforo gaseoso: PCl3 (g) + Cl2 (g) ↔ PCl5 (g)
Un recipiente para gases se carga con una mezcla de PCl3 (g) y Cl2 (g) la cual se deja
que alcance el equilibrio a 450 K. En el equilibrio las presiones parciales de los tres gases son PPCl3 = 0,124 atm PPCl5 = 1,30 atm PPCl2 = 0,157 atm. Calcular el valor de
Kp e esta temperatura. Discuta hacia que dirección esta desplazado el equilibrio.
R: (a) Kp = 66,8, (b) Como Kp > 1, los productos son más favorables que los reactantes. En este caso el equilibrio favorece a PCl5 (g)
8. A 700 ºC Kc = 20,4 para la reacción: SO2 (g) + ½ O2 (g) ↔ SO3 (g)
a) ¿Cuál es el valor de Kc para la reacción SO3 (g) ↔ SO2 (g) + ½ O2 (g)
b) ¿Cuál es el valor de Kc para la reacción 2SO2 (g) + O2 (g) ↔ 2SO3 (g)
c) ¿Cuál es el valor de Kp para la reacción 2 SO2 (g) + O2 (g) ↔ 2SO3 (g)
R: (a) Kc = 0,0490, (b) Kc = 416 (c) Kp = 5,21
9. Una mezcla de 0,100 moles de CO2, 0,05000 moles de H2 y 0,1000 moles de H2O se
colocan en un recipiente de 1,000 L. Se establece el equilibrio siguiente: CO2 (g) + H2 (g) ↔ CO(g)+ H2O(g)
En el equilibrio [CO2] = 0,0954 M. a) Calcule la concentración en el equilibrio de todas
las demás especies. b) Calcule Kc de la reacción c) ¿Se dispone de suficiente
información para calcular Kp?
R: (a) [H2] = 0,0454 M, [CO] = 0,0046 M, [H2O] = 0,1046 M [CO2] = 0,0954 M
(b) Kc = 0,11, (c) No. Para calcular Kp a partir de Kc, se debe conocer la temperatura de la reacción. Aunque en este caso Kc = Kp ya que ∆n = 0
10. A 100 °C la constante de equilibrio para la reacción: COCl2(g) ↔ CO(g)+ Cl2(g)
tiene un valor de Kc = 2,19x10-10. ¿Las siguientes mezclas de reactante y productos están
en una posición de equilibrio?
(a) [COCl2] = 5,00x10-2 M; [CO] =3,31x10-6 M; [Cl2] = 3,31x10-6 M
(b) [COCl2] = 3,50x10-3 M; [CO] =1,11x10-5 M; [Cl2] = 3,25x10-6 M
(c) [COCl2] = 1,45 M; [CO] = 1,56x10-6 M; [Cl2] = 1,56x10-6 M
(d) Si la respuesta es NO, indique la dirección que la reacción debe proceder para alcanzar la posición de equilibrio.
R: (a) Q = 2,19 x 10-10; la mezcla esta en equilibrio, Q = Kc
(b) Q = 1,03 x 10-8; la reacción avanza hacia la izquierda, Q > Kc
(c) Q = 1,68 x 10-12; la reacción avanza hacia la derecha, Q < Kc
11. A 100 °C , Kc = 0,078 para la reacción siguiente:
SO2Cl2(g) ↔ SO2(g) + Cl2(g)
En una mezcla de los tres gases en el equilibrio las concentraciones de
SO2Cl2 y SO2, son: 0,136 M y 0,072 M, respectivamente. ¿Cuál es la concentración de
Cl2 en el equilibrio? R: Kc = 0,15 M
12. A 900 K la reacción siguiente tiene un Kp = 0,345
2SO2 (g) + O2 (g) 2SO3 (g)
En una mezcla en equilibrio las presiones parciales de SO2 y O2 son 0,215 atm y 0,679
atm respectivamente. ¿Cuál es la presión parcial de equilibrio del SO3 en la mezcla.
R: PSO3 = 0,104 atm
13. La oxidación del dióxido de azufre produce trióxido de azufre: 2 SO2(g) + O2(g) 2 SO3(g)
Calcule el valor de Kc conociendo Kp = 2.8 x 102 a 999 K. (R = 0,082 L·atm / mol·K)
R: 2,3 x 104
14. A 1285 ºC la constante de equilibrio para la reacción Br2 (g) ↔ 2 Br (g) es de Kc =
1,04 x 10-3 Un recipiente de 0.200 L que contiene una mezcla de los gases en equilibrio
tiene 0,245 g de Br2 (g) en su interior. ¿Cuál es la masa de Br (g) que hay en el
recipiente? R: [Br2] = 7,67 x 10-3 M, [Br] = 2,82 x 10-3 M, 0,0451 g de Br
15. Para la reacción : H2 (g) + I2 (g) ↔ 2HI (g)
Kp = 55,3 a 700 K . En un matraz de 2,00 L que tiene una mezcla de los tres gases en
equilibrio, hay 0,056 g de H2 y 4,36 g de I2 ¿Cuál es la masa de HI que hay en el
16. Considere la reacción: PCl 5 (g) ↔ PCl3 (g) + Cl2 (g)
a 250°C Kc = 1,80. Si se agregan 0,100 moles de PCl5 a un recipiente de
5,00 L ¿Cuales son las concentraciones de PCl5 , PCl3 y Cl2 en el equilibrio
a esta temperatura. R: [PCl5] = 2 x 10-4 M, [PCl3] = [Cl2] = 0,0198 M
17. ¿Cómo afectan los cambios siguientes el valor de la constante de equilibrio de una reacción exotérmica? a) extracción de un reactivo o un producto b) disminución del volumen c) disminución de la temperatura.
R: (a) Ningún efecto, (b) ningún efecto, (c) aumenta la constante de equilibrio (d) ningún efecto
18. Una muestra de bromuro de nitrosilo (NOBr) se descompone de acuerdo a la siguiente ecuación:
2NOBr(g) ↔ 2NO(g) + Br2(g)
En el equilibrio la mezcla contenida en un matraz de 5,0 l a 100 °C contiene 3,22 g de NOBr, 3,08 g de NO y 4,19 g de Br2. (a) Calcule Kc, (b) Calcule Kp, (c) ¿Cuál es la
presión total ejercida por la mezcla de tres gases? R: (a) Kc = 6,44 x 10-2 (b) Kp = 1,97 (c) P
T = 0,968 atm
19. Para el equilibrio, 2IBr(g) ↔ I2(g) + Br2(g) donde Kc = 8,5x10-3 a 150 °C.
Si 0,040 mol de IBr son colocados en un container de 1,0 [L], cuál es la concentración molar de esta sustancia una vez que alcance la posición de equilibrio? R: [IBr] = 0,034 M
20. Una muestra 0,831 g de SO3 se colocan en un recipiente de 1,00 L y se calienta a
1100 K. El SO3 se descompone en SO2 y O2
2SO3 (g) ↔ 2SO2 + O2
En el equilibrio, la presión total en el recipiente es de 1,300 atm. Encuentre los valores de KC y Kp para esta reacción a 1100 K. R: Kc = 0,044 Kp = 4,014
Preguntas de Solemnes anteriores
21. Pentacloruro de fósforo se descompone de acuerdo a:
PCl5 (g) ↔ PCl3 (g) + Cl2(g) Kc = 1,8 M
a) Si se inyectan 0,50 moles de PCl5 en un matraz de 2,0 litros a 250 °C, calcule las
concentraciones en el equilibrio de PCl3 y PCl5.
b) Establezca la relación entre KP y Kc para esta reacción de descomposición.
22. Cuando se pone NH4HS sólido en un matraz cerrado a 28°C, el sólido se disocia
según la ecuación:
La presión total de la mezcla en equilibrio es de 0.766 atm. Determine la Kp a esta
temperatura. R: Kp = 0,147
23. El bromuro de nitrosilo se descompone según la ecuación química siguiente: 2 NOBr (g) 2 NO(g) + Br2(g)
Cuando 0.260 atmósferas de NOBr se inyectan en un recipiente hermético y se les permite alcanzar el equilibrio, el 22% de NOBr se descompone. ¿Cuál es el valor de la constante de equilibrio Kp para la reacción?
24. La disociación de bromo molecular (Br2) a 600°C ocurre de acuerdo a la siguiente
ecuación: Br2(g) 2Br(g). Se introducen 0,2 moles de Br2(g) en un recipiente de 0,5L a
600°C. En estas condiciones el bromo se disocia en 0,8%. a) Calcule las concentraciones de Br2(g) y Br(g) en el equilibrio.
b) Calcule la constante de equilibrio Kc. c) Calcule la constante de equilibrio Kp.
25. Una mezcla de 2,0 mol de H2 y 2,0 mol de I2, ambos gaseosos, se coloca en un
recipiente de 4,00 litros a 25°C. Cuando se alcanza el equilibrio se encuentra que la concentración de HI (g) es 0,76 Molar. La ecuación química que representa este equilibrio es:
H2(g) + I2(g) ↔ 2 HI(g)
Al respecto: a) Calcule Kc b) Calcule Kp
c) Hacia donde se encuentra desplazado el equilibrio? Justifique su respuesta d) Si retira hidrógeno del sistema ¿cómo se vería afectada la concentración de I2 (g)?
