INSTITUTO NACIONAL DEPTO DE QUIMICA Equilibrio químico

Reacciones Reversibles A B Al inicio la reacción evoluciona hacia la formación de productos, y una vez que se ha formado algo de producto comienza el proceso inverso, la formación de reactantes. ¿Cuándo decimos entonces que una reacción está en equilibrio?

Equilibrio Dinámico Se observa que: Lo que ocurre es: Las velocidades de conversión de reactantes en productos y de productos en reactantes se igualan. vd = vi Las concentraciones de reactantes y productos se mantienen constantes La reacción NO se detiene Aparentemente la reacción se detiene Los colores dejan de cambiar. Cesa el desprendimiento de gases.

N2O4 (g) 2NO2 (g) Incoloro Café oscuro [ ] N2O4 NO2 [ ] N2O4 NO2 Partiendo sólo de NO2 Partiendo sólo de N2O4 [ ] N2O4 NO2 Partiendo de una mezcla de N2O4 y NO2

Reacción reversible Efecto de la temperatura N2O4 (g) 2 NO2 (g) Incoloro Café oscuro Efecto de la temperatura

Constante de equilibrio Para una reacción general del tipo: aA +bB cC + dD Es posible expresar la velocidad para la reacción inversa y directa: Vd = Kd [A]m [B]n Vi = ki [C]m [D]n La relación que permite indicar hacia donde está desplazado el equilibrio, considera únicamente reacciones de carácter elemental (Los coeficientes estequiométricos coinciden con el orden de la reacción) 2 A → B v= k [A]2 A + B → C v = k [A] [B]

Kd [A]a [B]b = ki [C]c [D]d Comparando las velocidades directa e inversa se tiene que: vd = vi Kd [A]a [B]b = ki [C]c [D]d La relación entre Kd y Ki se llama constante de equilibrio:

Ley de acción de masas “En un proceso elemental, el producto de las concentraciones en el equilibrio de los productos elevados a sus coeficientes estequiométricos dividido por el producto de las concentraciones de los reactivos elevados a sus coeficientes estequiométricos , es una constante para cada temperatura llamada constante de equilibrio (Keq)”

Caracteristicas de la Constante de Equilibrio Se puede escribir en términos de concentraciones molares (Kc) o de presiones (Kp) cuando se trata de gases. Es adimensional Solo varía con la temperatura Debido a sus propiedades intensivas (no dependen de la cantidad de sustancia), los sólidos y líquidos puros son omitidos de la expresión. Su magnitud indica si una reacción en equilibrio es favorable a los productos o a los reactantes.

En tendiendo que en una reacción reversible, por convención, se llamarán productos a las especies que se encuentran del lado derecho de la flecha y reactantes a las especies del lado izquierdo se tiene que: Valor de Kc o Kp Característica de la reacción >> 1 (> 10) En el equilibrio existen casi sólo productos. > 1 En el equilibrio la mayoría de los reactantes se han convertido en producto. Reacción favorecida hacia la derecha < 1 En el equilibrio la mayoría de los reactivos queda sin reaccionar formando sólo pequeñas cantidades de productos.

Ejercicios Escriba las expresiones para Kp y Kc, según sea el caso para las siguientes reacciones: HF (ac) + H2O(l) H3O+ (ac) + F- (ac) 2NO(g) + O2 (g) 2NO2 (g) CH3COOH (ac) + C2H5OH (ac) CH3COOC2H5 (ac)+ H2O (l)

A) B) C)

Se ha estudiado el siguiente proceso en equilibrio a 230 °C: 2NO (g) + O2 (g) 2NO2 (g) En un experimento se encontró que las concentraciones en el equilibrio son: [NO]= 0,0542 M, [O2] = 15,5 M, [NO2]= 0,1 M Calcule la constante de equilibrio Kc a la misma T°.

La constante de equilibrio Kp obtenida para la descomposición del pentacloruro de fósforo en tricloruro de fósforo y cloro molecular, es de 1,05 a 250°C. Si las presiones parciales en el equilibrio para el pentacloruro de fósforo y el tricloruro de fósforo son respectivamente 0,875 atm y 0,463 atm. ¿ Cuál es la P°parcial de equilibrio de Cl2 a esta T°?

Relación entre Kc y Kp  

Por lo general Kp y Kc no coinciden en su valor por lo que es necesario establecer una relación entre estas dos constantes. Conociendo la ecuación de estado de los gases ideales se tiene que: PV =RTn Donde: P = Presión (atm) V = Volumen (L) R= Constante universal de los gases ideales 0,082 atm.L/mol.K n = n° de moles T = Temperatura en K

Sabiendo además que moles/ litros = molaridad (M), se puede tener la siguiente relación Despejando P Y reemplazando molaridad se tiene que:

Para la reacción general: aA +Bb cC + dD La constante de equilibrio en función de las presiones es: Factorizando:

Diferencia de moles entre productos y reactantes Relación entre Kp y Kc

El metanol (CH3OH) se elabora industrialmente mediante la reacción: Ejercicios: El metanol (CH3OH) se elabora industrialmente mediante la reacción: CO (g) + 2H2 (g) CH3OH(g) La Kc es 10,5 a 220°C ¿Cuál es el valor de Kp a esta T°?

Cociente de reacción Qc Se calcula con la misma expresión utilizada para la constante de equilibrio, pero las concentraciones no son necesariamente las concentraciones del equilibrio. Sirve para predecir en que sentido está evolucionando la reacción. Para la reacción: N2O4 (g) 2 NO2 (g)

Qc = Keq Qc < K eq Qc > Keq Al comparar Qc con Keq se puede determinar que si: Qc = Keq El sistema está en equilibrio Qc < K eq La relación de concentraciones entre reactante y productos es muy pequeña y para que aumente, los reactantes deben convertirse en productos, por lo tanto, el sistema se esta desplazando de izquierda a derecha. Qc > Keq La relación entre las concentraciones es muy grande y para disminuir debe crecer la concentración de reactivos , por lo tanto, la reacción se está desplazando de derecha a izquierda.

Al principio de una reacción hay 0,249 moles de N2 , 3,21 x 10-2 moles de H2 y 6,42 x 10 -4 moles de NH3 en un matraz de 3,5 L a 375°C. Si la Kc para la reacción N2 (g) + 3H2 (g) 2NH3 (g) es 1,2 a la misma T°. Determine si el sistema está en equilibrio, si no es así, prediga la dirección de la reacción neta.

Paso 1: Calcular la concentración molar de todas las especies. 9,17 x 10-3

Paso 2: Expresar el cociente de reacción Q para la reacción. Paso 3: Reemplazar por las concentraciones calculadas: Qc = 0,611 Qc< Kc, por lo tanto la reacción se está desplazando hacia la derecha para alcanzar el equilibrio

La Keq para la formación del cloruro de nitrosilo es de 6,5 x 10-4 a 35 °C 2NO (g) + Cl2 (g) 2NOCl En una experiencia se mezclan 2,0 x 10-2 moles de NO, 8,3 x 10-3 moles de Cl2 y 6,8 moles de NOCl en un matraz de 2 L. ¿En qué dirección el sistema alcanzará el equilibrio?

Calculo de las concentraciones en el equilibrio Conociendo la Keq para una reacción dada, podemos calcular las concentraciones de reactantes y productos en el equilibrio a partir de las concentraciones iniciales. Como ejemplo consideraremos la conversión entre los isómeros cis y trans del estilbeno.

0,850 -x +x 0,850-x x Si la Keq =24 y C0 = 0,850 mol/L Cis-Estilbeno Trans-Estilbeno C inicial 0,850 Cambio -x +x C equilibrio 0,850-x x

[c-estilbeno] = 0,850-x = 0,850-0,816 = 0,034M [t-estilbeno ] = x=0,816 M [c-estilbeno] = 0,850-x = 0,850-0,816 = 0,034M

Resumen del método para determinar concentraciones en el equilibrio Exprese las concentraciones de equilibrio de todas las especies en términos de las concentraciones iniciales y una sola variable X (representa el cambio de concentración) Escriba la expresión de Keq en términos de las concentraciones de equilibrio. Despeje y obtenga el valor de X. Si para despejar X se requiere resolver una ecuación de segundo grado, éste trabajo podrá evitarse sólo si ( C0/Keq) > 500 Una vez conocida X, calcule las concentraciones en el equilibrio.

Una mezcla de 0,5 moles de H2 y 0,5 moles de I2 se coloca en un recipiente de 1 litro a 430°C. La Keq es 54,3. Calcule las concentraciones del equilibrio. Ci 0,5 Cambio -x +2x Ceq 0,5 - x 0,5 - x 2x

Despejando la ecuación de segundo grado con:

Ejercicios A 1280 °C la Kc de la reacción es1,1x10-3. Si las concentraciones iniciales son [Br2] =6,3 x 10-2M, y [Br] = 1,2 x 10-2 M. Calcule las concentraciones de estas especies en el equilibrio.

Principio de Le Chatelier El equilibrio químico representa un balance entre las reacciones directas e inversas. Algunos cambios de condición pueden afectar el balance y desplazar el equilibro para recuperar el balance. El principio de Le Chatelier es una regla que permite predecir la dirección del desplazamiento del equilibrio.

“Si se presenta una perturbación externa sobre un sistema en equilibrio, el sistema se ajustará de tal manera de contrarrestar dicha perturbación en la medida en que el sistema alcanza una nueva posición de equilibrio”

Factores que alteran el Equilibrio Concentración: Si un sistema está en equilibrio y se agrega una sustancia (ya sea un reactivo o un producto) la reacción se desplazará para reestablecer el equilibrio consumiendo parte de la sustancia agregada.

Agregar H+ Agregar OH-

Volumen y Presión Si un sistema en equilibrio reduce su volumen (aumenta su presión), el sistema desplazará su posición de equilibrio a fin de reducir la presión, es decir, desplazándose hacia donde exista menos número de moles de gas. Por el contrario cuando el volumen aumenta (la presión disminuye) el desplazamiento se llevará a cabo en el sentido en que exista mayor número de moles totales de gas.

Temperatura Es la única variable que altera el valor de la constante de equilibrio. El efecto que provocará la temperatura depende de si la reacción es endotérmica o exotérmica. ENDOTÉRMICA Reactivos + Calor Productos ↑ T° ↓ T° Desplazamiento Productos Reactantes Cambio de Keq aumenta Disminuye

↑ T° ↓ T° Desplazamiento Reactivos Productos Cambio de Keq Disminuye EXOOTÉRMICA Reactivos Productos + Calor ↑ T° ↓ T° Desplazamiento Reactivos Productos Cambio de Keq Disminuye Aumenta

EQUILIBRIO ÁCIDO-BASE

Capacidad para corroer metales Enrojecen el papel tornasol ÁCIDOS BASES o ÁLCALI Sabor agrio Capacidad para corroer metales Enrojecen el papel tornasol Pérdida de todas las propiedades al contacto con una base En solución acuosa conducen la corriente eléctrica (ELECTROLITO) Sabor amargo Sustancias jabonosas al tacto Colorean de azul el papel tornasol Pérdida de todas sus propiedades al contacto con un ácido En solución acuosa conducen la corriente eléctrica (ELECTROLITO)

Teorías ácido-base Arrhenius ÁCIDO: sustancia que liberauno o más iones H+ en solución acuosa. Ej: HCl, H2SO4,HNO3 BASE: Sustancia que libera uno o más iones OH- en solución acuosa NaOH, KOH, Ca (OH)2 Brönsted-Lowry (teoría del protón) ACIDO: Cualquier especie que, en solución, tiene tendencia a ceder un protón (H+) a otra especie BASE: Cualquier sustancia que, en solución, tiene tendencia a aceptar un protón( H+) de otra sustancia.

Par ácido-base conjugado ÁCIDO CONJUGADO 1 ÁCIDO 2 BASE CONJUGADA 2 BASE 1

¿Qué es un anfótero? EJERCICIOS Determine el par ácido-base conjugado para las siguientes reacciones ¿Qué es un anfótero?

Teoría de Lewis: ÁCIDO: Una sustancia que puede aceptar un par de electrones para formar un nuevo enlace. BASE: Una sustancia que puede entregar un par de electrones para formar un nuevo enlace. A + : B B A

AUTOIONIZACIÓN DEL AGUA Se ha determinado experimentalmente que el valor de Kw es 1 x 10-14

En la disociación de las moléculas de agua pura se deben producir la misma cantidad de iones H+ y OH- Ya que el agua es un electrolito débil se trabajar en escala logarítmica, específicamente con el – log al que llamaremos operador p. p= - log

pH y pOH Aplicando el operador p a la Kw se tiene que:

La suma de pH y pOH no puede diferir de 14, si el pH aumenta el pOH disminuye. Soluciones neutras Soluciones ácidas Soluciones Básicas

Escala de pH BÁSICO ÁCIDO 7 14 NEUTRO

Fuerza de ácidos y bases ÁCIDO Y/O BASE FUERTE Sustancia que está 100%disociada en disolución, por lo tanto su equilibrio está completamente desplazado hacia los productos y ya que la concentración de reactantes tiende a CERO su Keq tiende a ∞. Keq= Kc =Ka (ácidos)= Kb (bases) ÁCIDO Y/O BASE DÉBIL Sustancia que está parcialmente disociada en disolución, por lo tanto se establece un equilibrio químico entre reactantes y productos.