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Equilibrio químico (página 2)

Enviado por Patricia Guerrero



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De la ecuación general de los gases: Monografias.comse obtiene:

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Vemos, pues, que KP puede depender de la temperatura siempre que haya un cambio en el nº de moles de gases

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Ejemplo:

Calcular la constante Kp a 1000 K en la reacción de formación del amoniaco vista anteriormente. (KC = 1,996 ·10–2 M–2)

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Ejercicio C (Selectividad. Madrid Junio 1997):

La constante de equilibrio de la reacción: N2O4 ? 2 NO2  vale 0,671 a 45ºC. Calcule la presión total en el equilibrio en un recipiente que se ha llenado con N2O4 a 10 atmósferas y a dicha temperatura. Datos: R = 0,082 atm·l·mol-1·K-1

Magnitud de Kc y Kp

El valor de ambas constantes puede variar entre límites bastante grandes:

Ejemplos:

  • H2(g)  +  Cl2(g) ? 2 HCl(g) ; Kc  (298 K) = 2,5 x 1033 La reacción está muy desplazada a la derecha (en realidad se puede sustituir el símbolo ? por ().

  • H2(g)  +  I2(g) ? 2 HI(g); Kc  (698 K) = 55,0Se trata de un verdadero equilibrio (hay concentraciones apreciables de reactivos y productos).

  • N2(g)  +  O2(g) ? 2 NO (g); Kc  (298 K) = 5,3 x 10–31La reacción está muy desplazada a la izquierda, es decir, apenas se forman productos.

Grado de disociación

Se utiliza en aquellas reacciones en las que existe un único reactivo que se disocia en dos o más moléculas más pequeñas.

Es la fracción de un mol que se disocia (tanto por 1). En consecuencia, el % de sustancia disociada es igual a 100·(.

Ejemplo:

En un matraz de 5 litros se introducen 2 moles de PCl5(g) y 1 mol de PCl3(g) y se establece el siguiente equilibrio: PCl5(g) ? PCl3(g) + Cl2(g). Sabiendo que Kc (250 ºC) = 0,042; a) ¿cuáles son las concentraciones de cada sustancia en el equilibrio?; b) ¿cuál es el grado de disociación?

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Resolviendo la ecuación de segundo grado, se deduce que x = 0,28 moles

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b) Si de 2 moles de PCl5 se disocian 0,28 moles en PCl3 y Cl2, de cada mol de PCl5 se disociarán 0,14. Por tanto, ? = 0,14, lo que viene a decir que el  PCl5 se ha disociado en un 14 %.

RELACIÓN ENTRE KC Y ?.

Sea una reacción A ? B + C.

Si llamamos "c" = [A]inicial y suponemos que en principio sólo existe sustancia "A", tendremos que:

Equilibrio:                    A     ?      B     +     CConc. Inic. (mol/l):      c               0             0conc. eq(mol/l)       c(1– ?)        c ?        c · ?

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En el caso de que la sustancia esté poco disociada (KC muy pequeña): ? << 1  y KC = c (2, con lo que se tiene ( de manera inmediata. En caso de duda, puedes despreciar, y si ves que ( < 0,02, puedes dejar el resultado, mientras que si ( > 0,02 conviene que no desprecies y resuelvas la ecuación de segundo grado.

Ejemplo:

Utilizar la expresión de la constante en función de "(" en el ejemplo anterior: "En un matraz de 5 litros se introducen 2 moles de PCl5(g) y 1 mol de de PCl3(g) y se establece el siguiente equilibrio: PCl5(g) ? PCl3(g) + Cl2(g). Sabiendo que Kc (250 ºC) = 0,042, ¿cuál es el grado de disociación?".

Equilibrio:   PCl5(g) ? PCl3(g)  +   Cl2(g)Conc. inic.:        2/5               1/5             0conc. eq(mol/l) 0,4(1–?)  0,2+0,4 ·?      0,4 ·?

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En este caso y dado el valor de la constante no debe despreciarse a frente a 1, por lo que deberíamos resolver la ecuación de segundo grado: = 0,14

Ejercicio D:

En el equilibrio anterior (Kc = 0,042): PCl5(g) ? PCl3(g) + Cl2(g) ¿cuál sería el grado de disociación y el número de moles en el equilibrio de las tres sustancias si pusiéramos únicamente 2 moles de PCl5(g) en los 5 litros del matraz?

Ejercicio E:

A 450 ºC y 10 atm de presión el NH3 (g) está disociado en un 95,7 % según la reacción: 2 NH3 (g) ? N2 (g) + 3 H2 (g). Calcular KC y KP a dicha temperatura.

Cociente de reacción (Q)

En una reacción cualquiera:  a A + b B ? c C + d D se llama cociente de reacción a:

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Tiene la misma fórmula que la KC pero a diferencia de ésta, las concentraciones no tienen porqué ser las del equilibrio.

  • Si Q = Kc entonces el sistema está en equilibrio.

  • Si Q < Kc el sistema evolucionará hacia la derecha, es decir, aumentarán las concentraciones de los productos y disminuirán las de los reactivos hasta que Q se iguale con KC.

  • Si Q > Kc el sistema evolucionará hacia la izquierda, es decir, aumentarán las concentraciones de los reactivos y disminuirán las de los productos hasta que Q se iguale con KC.

Una simulación de cómo varían las concentraciones de la diferentes sustancias a lo largo de un equilibrio químico y como Q tiende a KC puede verse descargando el programa Lechat 2.1 de

Ejemplo:

En un recipiente de 3 litros se introducen 0,6 moles de HI, 0,3 moles de H2 y 0,3 moles de I2  a 490ºC. Si Kc = 0,022 a 490ºC para 2 HI(g) ? H2(g) +  I2(g) a) ¿se encuentra en equilibrio?; b) Caso de no encontrarse, ¿cuantos moles de HI, H2 e I2 habrá en el equilibrio?

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Como Q > Kc el sistema no se encuentra en equilibrio y la reacción se desplazará hacia la izquierda.

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Modificaciones del equilibrio

Si un sistema se encuentra en equilibrio (Q = Kc) y se produce una perturbación:

  • Cambio en la concentración de alguno de los reactivos o productos.

  • Cambio en la presión (o volumen).

  • Cambio en la temperatura.

el sistema deja de estar en equilibrio y trata de volver a él.

Cambio en la concentración de alguno de los reactivos o productos

Si una vez establecido un equilibrio se varía la concentración algún reactivo o producto el equilibrio desaparece y se tiende hacia un nuevo equilibrio.

Las concentraciones iniciales de este nuevo equilibrio son las del equilibrio anterior con las variaciones que se hayan introducido.

Lógicamente la constante del nuevo equilibrio es la misma, por lo que si aumenta la concentración de algún reactivo, crecería el denominador en Q, y la manera de volver a igualarse a KC sería que disminuyera la concentración de reactivos (en cantidades estequiométricas) y, en consecuencia, que aumentasen las concentraciones de productos, con lo que el equilibrio se desplazaría hacia la derecha, es decir, se obtiene más producto que en condiciones iniciales.

De la manera, en caso de que disminuyera la concentración de algún reactivo: disminuiría el denominador en Q, y la manera de volver a igualarse a KC sería que aumentase la concentración de reactivos (en cantidades estequiométricas) y, en consecuencia, que disminuyesen las concentraciones de productos, con lo que el equilibrio se desplazaría hacia la izquierda, es decir, se obtiene menos producto que en condiciones iniciales.

Análogamente, podría argumentarse que, si aumentase la concentración de algún producto, el equilibrio se desplazaría a la izquierda, mientras que si disminuyese, se desplazaría hacia la derecha.

Ejemplo:

En el equilibrio anterior: PCl5(g) ? PCl3(g) + Cl2(g) ya sabemos que, partiendo de 2 moles de PCl5(g) en un volumen de 5 litros, el equilibrio se conseguía con 1,45 moles de PCl5, 0,55 moles de PCl3 y 0,55 moles de Cl2 ¿cuántos moles habrá en el nuevo equilibrio si una vez alcanzado el primero añadimos 1 mol de Cl2 al matraz? (Kc = 0,042)

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Cambio en la presión (o volumen)

En cualquier equilibrio en el que haya un cambio en el número de moles en sustancias gaseosas entre reactivos y productos, como por ejemplo en reacciones de disociación del tipo: A ? B + C,  ya se vio que KC ? c x ?2

Al aumentar "p" (o disminuir el volumen) aumenta la concentración y eso lleva consigo una menor "?", es decir, el equilibrio se desplaza hacia la izquierda que es donde menos moles hay.

Este desplazamiento del equilibrio al aumentar la presión, hacia donde menos moles de sustancias gaseosas, es válido y generalizable para cualquier equilibrio en el que intervengan gases. Lógicamente, si la presión disminuye, el efecto es el contrario.

Si el número de moles gaseosos total de reactivos es igual al de productos se pueden eliminar todos los volúmenes en la expresión de KC, con lo que éste no afecta al equilibrio (y por tanto, tampoco la presión).

¡CUIDADO!: El cambio de presión apenas afecta a sustancias líquidas (incluyendo disoluciones) o sólidas, por lo que si en una reacción no interviene ningún gas, estos cambios no afectarán al equilibrio.

Ejemplo Selectividad. Madrid Junio 1998 :

Una mezcla gaseosa constituida inicialmente por 3,5 moles de hidrógeno y 2,5 de yodo, se calienta a 400ºC con lo que al alcanzar el equilibrio se obtienen 4.5 moles de HI, siendo el volumen del recipiente de reacción de 10 litros. Calcule: a) El valor de las constantes de equilibrio Kc y  Kp; b) La concentración de los compuestos si el volumen se reduce a la mitad manteniendo constante la temperatura a 400ºC.

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b)  En este caso, el volumen no influye en el equilibrio, pues al haber el mismo nº de moles de reactivos y productos, se eliminan todas las "V" en la expresión de KC.

Por tanto, las concentraciones de reactivos y productos, simplemente se duplican:

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Cambio en la temperatura

Se observa que, al aumentar T, el sistema se desplaza hacia donde se consuma calor, es decir, hacia la izquierda en las reacciones exotérmicas y hacia la derecha en las endotérmicas.

Si disminuye T el sistema se desplaza hacia donde se desprenda calor (derecha en las exotérmicas e izquierda en las endotérmicas).

Ejemplo:

¿Hacia dónde se desplazará el equilibrio al: a) disminuir la presión? b) aumentar la temperatura? H2O(g) + C(s) ? CO(g) + H2(g) (?H > 0)

Hay que tener en cuenta que las concentraciones de los sólidos ya están incluidas en la KC por ser constantes.

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a) Al bajar "p" el equilibrio se desplaza hacia la derecha (donde más moles de gases hay: 1 de CO + 1 de H2 frente a 1 sólo de H2O)

b) Al subir "T" el equilibrio también se desplaza hacia la derecha (donde se consume calor por ser la reacción endotérmica).

Principio de Le Chatelier. Variaciones en el equilibrio

"Un cambio o perturbación en cualquiera de las variables que determinan el estado de equilibrio químico produce un desplazamiento del equilibrio en el sentido de contrarrestar o minimizar el efecto causado por la perturbación".

  • ?[reactivos]   > 0 ???

  • ?[reactivos]   < 0 ???

  • ?[productos] > 0 ???

  • ?[productos] < 0 ???

  • ?T > 0 (exotérmicas) ???

  • ?T > 0 (endotérmicas) ???

  • ?T < 0 (exotérmicas) ???

  • ?T < 0 (endotérmicas) ???

  • ?p > 0  Hacia donde menos nº moles de gases

  • ?p < 0  Hacia donde más nº moles de gases.

Una visualizción de cómo varían las cantidades en el equilibrio al variar las condiciones puede verse en: http://www.chm.davidson.edu/java/LeChatelier/LeChatelier.html

Importancia en procesos industriales

El saber qué condiciones favorecen el desplazamiento de un equilibrio hacia la formación de un producto es de suma importancia en la industria, pues se conseguirá un mayor rendimiento, en dicho proceso.

Un ejemplo típico es la síntesis de Haber en la formación de amoniaco a partir de la reacción N2(g) + 3 H2(g) ( 2 NH3(g), exotérmica. La formación de amoniaco está favorecida por altas presiones (menos moles gaseosos de productos que de reactivos) y por una baja temperatura. Por ello esta reacción se lleva a cabo a altísima presión y a una temperatura relativamente baja, aunque no puede ser muy baja para que la reacción no sea muy lenta. Hay que mantener un equilibrio entre rendimiento y tiempo de reacción.

Equilibrios heterogéneos

Se habla de reacción homogénea cuando tanto reactivos como productos se encuentran en el mismo estado físico. En cambio, si entre las sustancias que intervienen en la reacción se distinguen varias fases o estados físicos, hablaremos de reacciones heterogéneas.

Por ejemplo, la reacción: CaCO3(s) ( CaO(s) + CO2(g) se trata de un equilibrio heterogéneo.

Aplicando la ley de acción de masas se cumplirá que:

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Sin embargo, las concentraciones (n/V) de ambas sustancias sólidas (CaCO3 y CaO) son constantes, al igual que las densidades de sustancias puras (m/V) son también constantes.

Por ello, agrupando las constantes en una sola a la que llamaremos KC se tiene:

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Análogamente: KP = p(CO2)

¡ATENCIÓN!: En la expresión de KC de la ley de acción de masas sólo aparecen las concentraciones de gases y sustancias en disolución, mientras que en la expresión de KP únicamente aparecen las presiones parciales de las sustancias gaseosas.

Ejemplo:

En un recipiente se introduce cierta cantidad de carbamato amónico, NH4CO2NH2 sólido que se disocia en amoniaco y dióxido de carbono cuando se evapora a 25ºC. Sabiendo que la constante KP para el equilibrio NH4CO2NH2(s) (?2 NH3(g) + CO2(g) y a esa temperatura vale 2,3·10-4. Calcular KC y las presiones parciales en el equilibrio.

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Reacciones de precipitación

Son reacciones de equilibrio heterogéneo sólido-líquido.

La fase sólida contiene una sustancia poco soluble (normalmente una sal). La fase líquida contiene los iones producidos en la disociación de la sustancia sólida.

Normalmente el disolvente suele tratarse de agua.

Solubilidad (s)

Es la máxima concentración molar de soluto en un determinado disolvente, es decir, la molaridad de la disolución saturada de dicho soluto.

Depende de:

  • La temperatura. Normalmente es mayor a mayor temperatura debido a la mayor energía del cristal para romper uniones entre iones.

  • Energía reticular. Si la energía de solvatación es mayor que la reticular U se favorece la disolución. A mayor carácter covalente mayor U y por tanto menor solubilidad.

  • La entropía. Al diluirse una sal se produce un sistema más desordenado por lo que aunque energéticamente no esté favorecida la disolución ésta puede llegar a producirse.

Producto de solubilidad (KS o PS) en elctrolitos de tipo AB

En un electrolito de tipo AB el equilibrio de solubilidad viene determinado por:

AB(s) ( A+(ac) + B((ac)

Conc. inic. (mol/l): c 0 0 Conc. eq. (mol/l): c s s

La concentración del sólido permanece constante.

Y la constante de equilibrio tiene la expresión:

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Ejemplo:

Deduce si se formará precipitado de cloruro de plata cuyo KS = 1,7 x 10-10 a 25ºC al añadir a 250 cm3 de cloruro de sodio 0,02 M 50 cm3 de nitrato de plata 0,5 M.

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Producto de solubilidad en otro tipo de electrolito

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Factores que afectan a la solubilidad

Además de la temperatura, existen otro factores que influyen en la solubilidad por afectar a la concentración de uno de los iones de un electrolito poco soluble. Estos son:

  • Efecto ion común.

  • Formación de un ácido débil.

  • Formación de una base débil.

  • pH.

  • Formación de complejos estables.

  • Reacciones redox.

Efecto ion común

Si a una disolución saturada de un electrolito poco soluble añadimos otra sustancia que aporta uno de los iones, la concentración de éste aumentará.

Lógicamente, la concentración del otro ion deberá disminuir para que el producto de las concentraciones de ambos permanezca constante.

Como el equilibrio se desplaza a la izquierda la solubilidad, que mide la máxima concentración de soluto disuelto, disminuirá en consecuencia.

Ejemplo:

¿Cuál será la solubilidad del cloruro de plata si añadimos nitrato de plata hasta una concentración final 0,002 M?

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Al añadir el AgNO3, la [Ag+] sube hasta 2 x10(3 M, pues se puede despreciar la concentración que había antes.

En consecuencia, el equilibrio se desplaza a la izquierda y la [Cl(], es decir, la nueva solubilidad, debe disminuir.

Ejercicio:

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En equilibrio de disolución de bromuro de plata cuya Ks=5,2 x 10(13 ¿cuál será la nueva solubilidad a ½ litro de disolución saturada 0,2 ml de una disolución 0,001 M de bromuro de potasio?

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Influencia del pH por formación de un ácido débil

Equilibrio solubil: AB(s) ( A( (ac) + B+ (ac)

Equilibrio acidez: HA(ac) ( A( (ac) + H+ (ac)

Si el anión A( en que se disocia un electrolito poco soluble forma un ácido débil HA, al aumentar la acidez o [H+] el equilibrio de disociación del ácido se desplazará hacia la izquierda.

En consecuencia, disminuirá [A(], con lo que se solubilizará más electrolito AB.

Ejemplo: al añadir un ácido fuerte sobre el ZnCO3, se formará H2CO3, ácido débil, y al disminuir [CO32(], se disolverá más ZnCO3, pudiéndose llegar a disolver por completo.

Cambio en la solubilidad por formación de una base débil

Suele producirse a partir de sales solubles que contienen el catión NH4+.

Ejemplo: NH4Cl(s) ( Cl( (ac) + NH4+ (ac)

Los NH4+ reaccionan con los OH( formándose NH4OH al desplazar el equilibrio de la base hacia la izquierda.

Equil base: NH4OH (ac) ( NH4+ (ac) + OH( (ac)

Es el método usual de disolver hidróxidos poco solubles tales como el Mg(OH)2.

Equil. Solub.: ( Mg2+(ac) + 2 OH((ac).

En consecuencia, disminuirá [OH(], con lo que se solubilizará más Mg(OH)2.

Formación de un complejo estable

Un ion complejo es un ion formado por más de un átomo o grupo de átomos.

Ejemplos: [Al(OH)4](, [Zn(CN)4]2(, [AlF6]3( , [Ag(NH3)2]+.

De esta manera, se pueden disolver precipita-dos añadiendo, por ejemplo, cianuro de sodio a electrolitos insolubles de cinc como el Zn(OH)2, ya que al formarse el catión [Zn(CN)4]2 (, que es muy estable.

Así, disminuirá drásticamente la concentración de Zn2+, con lo que se disolverá más Zn(OH)2.

Igualmente, pueden disolverse precipitados de AgCl añadiendo amoniaco.

Oxidación o reducción de iones

Si alguno de los iones que intervienen en un equilibrio de solubilidad se oxida o se reduce como consecuencia de añadir un oxidante o reductor, la concentración de este ion disminuirá.

En consecuencia, el equilibrio del electrolito insoluble se desplazará hacia al derecha, disolviéndose en mayor cantidad.

Ejemplo: El CuS se disuelve fácilmente en ácido nítrico, ya que éste es oxidante y oxida el S2( a S0.

3 CuS + 2 NO3( + 8 H+ ( 3 S0 + 3 Cu2+ + 2 NO + 4 H2O.

En realidad el CuS se transforma en Cu(NO3)2 mucho más soluble, al desaparecer los iones S2– de la disolución.

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Autor:

Patricia Guerrero


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