EQUILIBRIO QUÍMICO

REACCIONES EN EQUILIBRIO Es una reacción reversible, los reactivos reaccionan y forman productos, y éstos a su vez reaccionan para volver a formar productos. Llega un momento en que parece que la reacción se ha estacionado porque las concentraciones de reactivos y productos se mantienen constante. Se ha llegado al EQUILIBRIO QUÍMICO.

Constante de equilibrio (Kc) En una reacción: a A + b B ↔ c C + d D la constante de equilibrio Kc será: La constante Kc cambia con la temperatura ¡IMPORTANTE!: En el cálculo de la constante de equilibrio sólo intervienen las especies gaseosas y/o en disolución. Las especies en estado sólido o líquido tienen concentración constante y por tanto, se integran en la constante de equilibrio. Ley de acción de masas

d) NaHCO3(s) ↔ Na2CO3(s) + H2O(g) + CO2(g) 2 K c = NO 2 2 N 2 O 4 a) N2O4(g) ↔  NO2(g) 2 b) NO(g) + Cl2(g) ↔ NOCl(g) 2 2 c)CaCO3(s) ↔ CaO(s) + CO2(g) d) NaHCO3(s) ↔ Na2CO3(s) + H2O(g) + CO2(g) 2 Pág. 178, 1y2

Constante de equilibrio (Kc) depende de cómo se ajuste la reacción. H2(g)+ I2(g)↔ 2 HI (g) ½ H2(g) + ½ I2(g) ↔ HI (g),

A. N2 + 3 H2 ↔ 2 NH3 ½ N2 + ³⁄₂ H2 ↔ NH3 2 NH3 ↔ N2 + 3 H2 Cuando se multiplica una ecuación química por un número, n, la constante de equilibrio de la nueva ecuación es la de la ecuación inicial elevada a dicho número Pág. 180, 6

EQUILIBRIOS EN VARIAS ETAPAS N2 (g) + O2(g) ↔ 2 NO(g) B. 2 NO(g) + O2(g) ↔ 2 NO2(g) A + B. N2(g) + 2O2(g) ↔ 2 NO2(g) Si una reacción se puede expresar como la suma de dos o más reacciones, la constante de equilibrio de la reacción global está determinada por el producto de las constantes de equilibrio de las reacciones individuales Pág. 183, 10

CÁLCULOS EN EL EQUILIBRIO Pág 185; ej. 11: En un recipiente de 2 litros se introduce 2,1 moles deCO2(g) y 1,6moles de H2(g) y se calienta a 1800 ºC. Una vez alcanzado el equilibrio CO2 (g) + H2 (g) ↔ CO (g) + H2O (g) se encuentra que hay 0,9 moles de CO2. Calcula: a) la concentración de cada especie en el equilibrio; b) el valor de la constante de equilibrio. a) CO2 (g) + H2 (g) ↔ CO (g) + H2O (g) Moles inic.: 2,1 1,6 Moles final. 0,9 a b b Moles reacc: 1,2 1,2 Moles eq 0,9 0,4 1,2 1,2 [Concen] equi 0,45 0,20 0,60 0,60

Ej: En un recipiente de 250 ml se introducen 3 g de PCl5, estableciéndose el equilibrio: PCl5(g) ↔ PCl3 (g) + Cl2(g). Sabiendo que la KC a la temperatura del experimento es 0,48, determinar la concentración de todas las especies en el equilibrio.. Equilibrio: PCl5(g) ↔ PCl3(g) + Cl2(g) Moles inic.: 3/208,2 0 0 Moles equil. 0,0144 – x x x Pág 185, 12y13

Constante de equilibrio (Kp) En las reacciones en que intervengan gases es mas sencillo medir presiones parciales que concentraciones: a A + b B ↔ c C + d D

Relación Kp con Kc a A + b B ↔ c C + d D De la ec. gral de los gases: p ·V = n ·R·T → n = incremento en nº de moles de gases (nproductos – nreactivos)

Ejemplo K P = P SO 3 2 P SO 2 2 P O 2 2 SO2(g) + O2(g) ↔ 2 SO3(g)

Ej: Calcular la constante Kp a 1000 K en la reacción de formación del amoniaco . (KC = 1,996 ·10–2) N2(g) + 3 H2(g) ↔2 NH3(g) KP = Kc · (RT)n n = nproductos – nreactivos = 2 – (1 + 3) = –2 Kp = 2,97 · 10–6 Pág. 179: 3, 4 y 5

Ej: La constante de equilibrio de la reacción: N2O4 ↔ 2 NO2 vale Kc= 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. N2O4 ↔ 2 NO2 Conc. i) 0,38 - Conc. e) 0,38 – x 2 x X = 0,18 M p = 14,6 atm

Grado de disociación (). Se utiliza en aquellas reacciones en las que existe un único reactivo Es la fracción de un mol que se disocia (tanto por 1). En consecuencia, el % de sustancia disociada es igual a 100 · . Ej En un matraz de 1 litros se introducen 6 g de PCl5(g) . Se calienta a 2 atm y se establece el siguiente equilibrio: PCl5(g) ↔ PCl3(g) + Cl2(g). Si la presión total en el equilibrio es de 2 atm, calcula el grado de disociación del PCl5 a) Equilibrio: PCl5(g) ↔ PCl3(g) + Cl2(g) mol in. 0 0 0,03 0 0 mol eq. 0,03(1 – α) 0,03 α 0,03 α

continuación: n T =0,03 −0,03 α+0,03α+0,03α = 0,03 (1 + α) p V=n R T 2·1 = 0,03 (1 + 𝛼) · 0,082 · 523 α=0,55

Ej: 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? PCl5(g) ↔ PCl3(g) + Cl2(g) i: 2/5 (0,4) 0 0 eq 0,4(1–) 0,4 · 0,4 · En este caso y dado el valor de la constante no debe despreciarse  frente a 1, por lo que deberíamos resolver el sistema:  = 0,276

Cont: Como  = 0,276 PCl5 = 0,4 mol/l · (1– 0,276) = 0,29 mol/l n(PCl5) = 0,29 mol/l · 5 l = n(PCl3) = 0,11 mol/l · 5 l = n(Cl2) = 0,11 mol/l · 5 l = 1,45 moles 0,55 moles

Grado de disociación (). Ej 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? a) Equilibrio: PCl5(g) ↔ PCl3(g) + Cl2(g) mol in. 2 1 0 mol eq. 2– x 1 + x x x = 0,28 moles

continuación: PCl5 = (2– 0,28)/5 = 0,342 mol/l PCl3 = (1+ 0,28)/5 = 0,256 mol/l Cl2 = 0,28 /5 = 0,056 mol/l 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 %, es decir Pág. 186, 14

Kc en función de . Reacción: A ↔ B + C Conc. Inic. (mol/l): c 0 0 conc. eq(mol/l) c(1– ) c · c · En el caso de que la sustancia esté poco disociada (Kc muy pequeña):  << 1 y Kc  c ·2

Ej: 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 a) ¿cuáles son las concentraciones de cada sustancia en el equilibrio?; b) ¿cuál es el grado de disociación? a) Equilibrio: PCl5(g) ↔ PCl3(g) + Cl2(g) Conc. inic.: 2/5 (0,4) 1/5 (0,2) 0 Conc. eq(mol/l) 0,4(1–) 0,2+0,4 · 0,4 · b) En este caso y dado el valor de la constante no debe despreciarse  frente a 1, por lo que deberíamos resolver el sistema:  = 0,14

Ej: 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 KP a dicha temperatura. 2 NH3 (g) ↔ N2 (g) + 3 H2 (g). n 0 0 e) n(1–) n/2 3n/2 0,043 n 0,4785 n 1,4355 n ntotal = 0,043 n + 0,4785 n + 1,4355 n = 1,957 n

RELACIÓN KC, KP y KX a A + b B ↔ c C + d D

Modificaciones del equilibrio PRINCIPIO DE LE CHÂTELIER: Cuando se produce una alteración en un sistema que se encuentra en equilibrio (variación del volumen, presión, temperatura, concentraciones…) el sistema deja de estar en equilibrio y evolucionará hacia un sentido u otro hasta alcanzar de nuevo otro estado de equilibrio El estado de equilibrio de un sistema puede verse alterado por: 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 evolucionará en el sentido de contrarrestar la perturbación y volver a la situación de equilibrio.

Variación de la concentración de alguno de los reactivos o productos. Si aumenta la concentración de uno de los productos, el equilibrio se desplazará en el sentido en que éstos disminuyan, es decir, hacia la formación de reactivos Si ↑ [Prod] equilibrio :  Analógamente si disminuye, evolucionará en el sentido de aumentarlo, es decir Si ↓ [Prod] equilibrio :  Haciendo un razonamiento análogo: Si ↑ [React] ═> el equilibrio : Si ↓ [Reactivos] equilibrio : 

Variación de la presión (o volumen) Al aumentar la presión, disminuye el volumen y por tanto, el equilibrio se desplaza hacia donde haya menor número de moles gaseosos Variación de la Temperatura ↑T hace que el equilibrio se desplace hacia donde la reacción sea endotérmica. ↓T hace que el equilibrio se desplace hacia donde la reacción sea exotérmica

Ej: ¿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) a) Al ↓P, el equilibrio se desplaza hacia donde haya mayor número de moléculas gaseosas; por tanto, en nuestro caso, hacia la derecha → b) Al ↑T, el equilibrio se desplaza hacia donde es endotérmica (para que consuma energía) →