Unidad 10equilibrio Quimico

Dr. Antonio Buljan Unidad 10 530.141

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Universidad de ConcepcinFacultad de Ciencias Qumicas

Qumica GeneralIngeniera Civil Qumica

eIngeniera Civil Metalrgica

Unidad 10EQUILIBRIO QUMICO


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10.1. Concepto de Equilibrio Qumico y la Constante deEquilibrio.

10.2. Equilibrios Qumicos Homogneos.10.3. Equilibrios Qumicos Heterogneos.10.4. Equilibrios Mltiples.10.5. Algunas consideraciones para escribir la Kc.10.6. Magnitud y Uso de la Constante de Equilibrio.10.7. Clculo de las Concentraciones en el Equilibrio.10.8. El Principio de Le Chatelier.

Unidad 10. Equilibrio Qumico.


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10.1. Concepto de Equilibrio Qumico y la Constante deEquilibrio.

Muy pocas reaccs. qcas. proceden en una sola direccin.La gran mayora son reversibles.

A + B C t = 0, solo procede la reacc. directa

A + B C t = ti, comienza a proceder la reacc. inversa.

A + B C t = tequilibrio.


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El equilibrio qumico es similar al equilibrio entre dos fases.

t = 0Soloevaporacin

t = tiHay evaporaciny algo de condensacin

t = teq.vevap. = vcondens.


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Consideremos la reaccin en equilibrio: H2(g) + I2(g) 2HI(g)y veamos como varian las concentraciones de todas lasespecies con el tiempo.

[HI]

[H2] o [I2]

tiempo tiempotiempo

[HI]

[HI]

[H2] o [I2][H2] o [I2]

[ ] [ ][ ]

te tete 0 000 0 0


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La Constante de Equilibrio. Consideremos la reacc.: H2(g) + I2(g) 2HI(g)425C Independiente de las cantidades iniciales de reactantes yproductos, cuando se alcanza el equilibrio el sgte. cuocientetiene un valor constante a 425C

Luego, podemos hacer la sgte. generalizacin:

Notar que los exponentes de lasconcentraciones coinciden con loscoefs. estequiomtricos.


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Esta es la ley de accin de masas yfue establecida por Cato Gulberg yPeter Waage en 1864.

Gulberg y Waage


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10.2. Equilibrios Qumicos Homogneos.

Estos son los equilibrios que ocurren cuando todas lasespecies estn en la misma fase.

CO(g) + 2H2(g) CH3OH(g)Ej.:

Sin embargo, la K tambin se puede expresar en funcin delas presiones parciales de estos gases.


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En general KP Kc, pero se puede encontrar una expresinque las relaciones.

Consideremos el sgte. equilibrio general:

Si suponemos que los gases tienen comportamiento ideal,

Luego, si reemplazamos en la KPDr. Antonio Buljan Unidad 10 530.141

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a

A

bB

P

VRTnVRTn

K

=

En general,

Otro ejemplo de equilibrio homogneo son las reaccs. cido-base en disol. acuosa.HA(ac) + H2O(l) A(ac) + H3O+(ac)


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A pesar de que por definicin KP y Kc no tienen unidades,cuando se despeja una concentracin o una presin desde laKP o Kc, esta si lleva las unidades respectivas (molL1 atm)

1.- Escriba la KP y Kc para las sgtes. reacciones en equilibrio:(a) 3O2(g) 2O3(g) (b) 3H2(g) + N2(g) 2NH3(g)(c) HCOOH(ac) H+(ac) + HCOO(ac)(d) CH3COOH(ac) + EtOH(ac) CH3COOEt(ac) + H2O(l)

2.- A 400C, la KP de la siguiente reaccin es 64. H2(g) + I2(g) 2 HI(g)

Determine la presin parcial del HI(g) si en el equilibrio, la pI2 = 0.50 atm y la pH2 = 0.20 atm


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3.- A 2000C, el CO2(g) descompone en CO(g) y O2(g), segnla siguiente reaccin reversible:

2 CO2(g) 2 CO(g) + O2(g)Si la KP = 1.2 104, Calcule la Kc de esta reaccin.

4.- Para la siguiente reaccin:H2(g) + CO2(g) H2O(g) + CO(g)

se encontr que a 700C, las concentraciones en el equilibrio deestas especies eran las siguientes: [H2] = [CO2] = 5.3 103 molL1 y[H2O] = [CO] = 4.68 103 molL1 . Con estos valores, determine el valor de la Kc para esta reaccin esta temperatura.


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10.3. Equilibrios Qumicos Heterogneos. Estos equilibrios se establecen cuando en la reacc. qca. hay especies en distintas fases.

Ej.: C(s) + H2O(g) H2(g) + CO(g)Luego, se esperara que:

Sin embargo, la concentracin en las fases puras condensadases una propiedad intensiva (similar a la densidad).

Si se trabaja con la KP, esta sera: Dr. Antonio Buljan Unidad 10 530.141

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5.- Escriba las expresiones de las constantes de equilibrioKP y Kc que correspondan a cada uno de los siguientessistemas heterogneos.(a) Ca(OH)2(s) Ca2+(ac) + 2 OH(ac)(b) P4(s) + 6 Cl2(g) 4 PCl3(l)

6.- En el equilibrio, la presin total de la siguiente mezcla dereaccin es 0.105 atm a 350C.

CaCO3(s) CaO(s) + CO2(g)Determine el valor de Kc y KP.


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El equilibrio heterogneo del problema anterior nos muestrala presin del gas (CO2(g)) es independiente de las cantidadesde las sustancias slidas


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10.4. Equilibrios Mltiples. Hay casos donde se puede tener dos o ms reaccs. qcas. consecutivas, donde los productos de la primera reacc. sonlos reactantes de la segunda.

A + B C + D

C + D E + F

Observe que la reacc. global est dada por la suma de las dosreaccs. consecutivas:


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En general, si una reacc. total es la suma de dos o msreaccs. consecutivas, la constante de equilibrio de la reacc.total es el producto de las constantes de equilibrio de los pasosinvolucrados.

7.- En el interior de los cilindros de un motor de combustinInterna se alcanzan temperaturas los suficientemente altas comopara que el O2 y el N2 del aire reaccionen formando NO. Luego,el NO reacciona con el O2 formando NO2. Las reaccs. Queocurren son las sgtes:

Determine la reaccin global y su correspondiente Kc

N2(g) + O2(g) 2NO(g) Kc1 = 4.3 10252NO(g) + O2(g) 2NO2(g) Kc2 = 6.4 109


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10.5. Algunas consideraciones para escribir la Kc.

1) Si se tiene la reacc.: aA(g) bB(g)

Y en este caso,

No obstante, tambin es correcto escribir:


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2) El valor de K depende de la estequiometra de la ec. qca.

Ej.: 2 SO2(g) + O2(g) 2SO3(g)

Ej.: SO2(g) + O2(g) SO3(g)

Es claro que es muy importante indicar bajo que estequiometrase ha planteado la ec. qca. de la reacc. que se est estudiando.

8.- Escriba la expresin de la constante de equilibrio (Kc) paracada una de las siguientes reacciones y muestre como serelacionan entre ellas:(a) 3 O2(g) 2 O3(g)(b) O2(g) 2/3 O3(g) Dr. Antonio Buljan

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10.6. Magnitud y Uso de la Constante de Equilibrio.

La magnitud de Kc o KP indica si el equilibrio va a estardesplazado hacia los productos o hacia los reactantes. Si K >>1

[A][B][C][D]Kc =

Si K


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Prediccin de la direccin de una reaccin Supongamos la sgte. reacc. en el equilibrio:

2SO2(g) + O2(g) 2SO3(g) Se define el cuociente de reacc., Qc, como

Note que Qc tiene la misma forma algebraica que Kc pero lasconcentraciones son necesariamente las de equilibrio. Las [ ]0corresponde a las concentraciones iniciales de cada especie.

Para predecir el estado del sistema, se compara el valor deQc con Kc.

Si Qc = Kc


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Si Qc > Kc

A B[A]0 [B]0 donde [A]0 > [B]0

Luego, los reactantes deben convertirse en productos, es decir,la reaccin se desplaza a la derecha (a productos) paraalcanzar el equilibrio

Luego,


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9.- Se tiene la siguiente reaccin:CO(g) + Cl2(g) COCl2(g) Kc = 13.8

Si en t = 0, las concentraciones iniciales son [CO]0 = 2.5 molL1,[Cl2]0 = 1.2 molL1 y [COCl2]0 = 5.0 molL1En que direccin proceder el sistema para alcanzar elequilibrio?

K Q

equilibrio

K

Q

La reacc.forma prods.

Grficamente:

K

Q

La reacc.forma reacts.


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10.7. Clculo de las concentraciones en el equilibrio.

Si para una reacc. qca. conocemos la ec. qca. equilibrada,la Kc y las concentraciones iniciales, podemos conocer las concentraciones (y/o presiones parciales) en el equilibrio. Para esto, debemos considerar que:

10.- Para la siguiente reaccin: N2O4(g) 2 NO2(g), Kc = 0.36 a 100C, suponga que se colocan 0.25 mol de N2O4en un recipiente de 1.5 L a 100CCuales sern las concentraciones de N2O4 y NO2 en el

equilibrio?Dr. Antonio Buljan Unidad 10 530.141

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11.- En un frasco de 1.00 L, se colocan inicialmente 0.777 molde SO3(g) a 1100 K Cual es el valor de la Kc si cuando sealcanza el equilibrio hay 0.520 mol de SO3(g)?La reaccin reversible que se produce dentro del frasco es:

2 SO3(g) 2 SO2(g) + O2(g)


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10.8. El Principio de Le Chatelier.

Cmo se ve afectado un sistema qumico en equilibriocuando se altera la concentracin, la presin, el volumen ola temperatura?

Esta pregunta se puede contestar utilizandoel principio de Le Chatelier (1899)

Henry Le Chatelier


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a. Cambios en la concentracin Veamos la sgte. reacc. que ocurre en un recipiente cerrado:

2NaHCO3(s) Na2CO3(s) + H2O(g) + CO2(g)Prediga el efecto que tienen las sgtes. perturbaciones en eln de moles de Na2CO3(s).a.1) Eliminando CO2(g)


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a.2) Adicionando H2O(g)

a.3) Adicionando NaHCO3(s)


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12.- Para el siguiente equilibrio: N2(g) + 3 H2(g) 2 NH3(g), muestre grficamente que sucede con las concentraciones detodas las especies a travs del tiempo cuando se agrega NH3(g).Suponga que inicialmente [N2] < [NH3] < [H2].


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b. Cambios en la Presin. Estos cambios afectan solo a las concentraciones de las especies en fase gas. Recordemos que: RT

VnP

=

Consideremos el sgte. equilibrio:

Si P aumenta (o el V disminuye), el equilibrio se desplazahacia la derecha, de forma que disminuye la perturbacin.


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Si P disminuye (o el V aumenta), el equilibrio se desplazahacia la izquierda.

Note que si en una reacc. qca. el n de moles de reactantes gaseosos es igual al n de moles de productos gaseosos, loscambios de presin no afectan el equilibrio.


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13.- Para las siguientes reacciones: (a) H2(g) + I2(g) 2 HI(g)(b) C(s) + H2O(g) CO(g) + H2(g)

prediga en que sentido se desplazar el equilibrio cuandose aumenta y cuando se disminuye la presin del sistema.


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c. Cambios en la temperatura. Cuando se alteran las [ ] o la P en un sistema, se cambia laposicin del equilibrio, pero no cambia la Kc o la KP.

Para pronosticar como se ver afectada la posicin delequilibrio con la temperatura, debemos saber antes si la reacc.es endotrmica (H > 0) o exotrmica (H < 0).Ej.: N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) H = -92.4 kJ


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Luego, si aumentamos la temperatura, agregamos calor yel equilibrio se desplaza hacia la izquierda (a reactantes).

Si disminuimos la temperatura, quitamos calor yel equilibrio se desplaza hacia la derecha (a productos).


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Co(H2O)62+(ac) + 4Cl(ac) CoCl42(ac) + 6H2O(l) H > 0azulrosado

Veamos una reacc. en equilibrio en disol. acuosa.

Co(H2O)62+(ac) + 4Cl(ac) + H CoCl42(ac) + 6H2O(l)


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14.- Para la siguiente reaccin:CO2(g) + H2(g) CO(g) + H2O(g) H = +41.1 kJ

prediga en que sentido se desplazar el equilibrio cuando seaumenta y cuando se disminuye la temperatura del sistema.


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d. Adicin de un catalizador.

Como ya hemos visto un catalizador lo que hace es aceleraruna reacc. llevando la reacc. por un camino alternativo que tiene Ea ms bajas.

Esto nos lleva a la conclusin que un catalizador no alterala cte. de equilibrio (K) ni tampoco la posicin de ste.


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15.- Para el equilibrio: PCl5(g) PCl3(g) + Cl2(g), KP = 2.25 a una temperatura dada. Suponga que en un recipiente cerradoy al vacio se coloca una cantidad de PCl5(g) a la temperatura dereferencia. Cuando se establece el equilibrio, la presin parcialde PCl5(g) es de 0.25 atm(a) Cuales son las presiones parciales de PCl3(g) y Cl2(g)en el equilibrio? (b) Cual era la presin del PCl5(g) antes de comenzar lareaccin de descomposicin? (c) Que porcentaje de PCl5(g) se ha descompuesto una vezalcanzado el equilibrio?


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16.- Una mezcla que consiste en 1.000 mol de CO(g) y 1.000 mol de H2O(g) se coloc en un recipiente de 10.0 L a800 K. Una vez que el sistema alcanz el equilibrio, seencontraron presentes 0.665 mol de CO2(g) y 0.665 mol de H2(g).(a) Plantee la ecuacin qumica equilibrada para este procesoreversible.(b) Cuales son las concentraciones en el equilibrio de los cuatrogases?(c) Cual es el valor de la Kc y la KP de este sistema a 800 K?


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FINUNIDAD 10

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