Equilibrio químico.

EQUILIBRIO QUÍMICO
I. OBJETIVOS.a) Estudiar algunas reacciones en las que se observa reversibilidad apreciable y con las
posibilidades de controlar la extensión de la misma.
b) Determinación cuantitativa de las especies presentes en un sistema en equilibrio.
c) Búsqueda de una expresión matemática que relacione las cantidades de las especies
presentes en el equilibrio.
II. FUNDAMENTO TEORICO.En el equilibrio químico la velocidad con la que se forman los productos a partir de los reactivos
es igual a la velocidad con la que los reactivos se forman a partir de los productos.
Hablando estrictamente no existe una reacción que consuma todos los reaccionantes, es decir,
nunca se consumen al 100%.
Hay que recordar que aunque no es evidente ningún cambio en un sistema en equilibrio, se lleva a
cabo una actividad considerable. Ambas reacciones, la directa y la inversa, ocurren muy
rápidamente, aunque la igualdad de sus velocidades oculten este hecho. El equilibrio es un estado
dinámico.
El equilibrio químico y el principio de Le Chatelier
Cuando se perturba un sistema en equilibrio, este se ajusta de manera que minimiza el efecto de
perturbación. Este es el enunciado del principio de le Chatelier. A medida que el sistema se
acomoda, la posición de equilibrio se desplaza e favor de mas reaccionantes o productos.
Consideremos como ejemplo el equilibrio
N2(g) + 3H2(g) ↔ 2NH3(g)
Supóngase que añadimos N2, a un recipiente que esta a temperatura constante y esperamos hasta
que el sistema alcance el equilibrio. Se añade mas N2, lo que aumenta [N2], esto hace que el
equilibrio se desplace a la derecha, agotando algo del N2 añadido, consumiendo algo de H2, y
formando mas NH3. Una vez restablecido el equilibrio, [N2] es mayor, [H2] menor , y [NH3] mayor
que antes de añadir el N2.
La respuesta de un sistema en equilibrio a la adición o sustracción de un componente puede
demostrarse como la respuesta a un cambio de concentración y no de cantidad.
La ley del equilibrio químico
Hemos descrito como se desplaza un equilibrio en respuesta a una perturbación del mismo, pero no
hemos dicho todavía cuanto. Afortunadamente el tratamiento cuantitativo del equilibrio depende
fundamentalmente de una sola y simple relación conocida como la ley del equilibrio químico.
Primero definamos unas pocas cantidades.
a) Expresión de la acción de masas
En general la expresión de acción de las masas Q es un cociente, una fracción que indica el
producto de las concentraciones de los productos en el numerador y el producto de las
concentraciones de los productos en el numerador y el producto de las concentraciones de los
reaccionantes en e denominador. Cada concentración esta elevada a una potencia igual a su
coeficiente en la ecuación balanceada. Para la reacción general
pH + qI + ....... → rJ + sK + ...
La expresión de ecuación de masas es
Q=
J r K s 
H p I q 
Q puede tener cualquier valor porque depende de la extensión de la reacción.
A medida que la reacción progresa, la expresión de masa aumenta, hasta que el sistema alcanza el
equilibrio, después del cual no hay mas cambios en Q.
b) La constante de equilibrio
Se puede obtener resultados similares a cualquier temperatura dada, lo que nos lleva a formular la
siguiente generalización conocida como la ley del equilibrio químico: a cualquier temperatura dada,
el valor de la expresión de acción e masas, para cualquier reaccionen equilibrio es una constante.
Esta se conoce como la constante de equilibrio K para la reacción a dicha temperatura. En otras
palabras en el equilibrio
Q=K
Esta igualdad describe una condición que debe cumplir un sistema en equilibrio y se conoce como
la condición de equilibrio.
El valor numérico de la constante de equilibrio para una reacción depende de las unidades que se
usen para la expresión de acción de masas.
Para los gases la expresión de acción de masas se describe a menudo como una función de las
presiones parciales, usualmente en atmósferas.
Para :
kA(g) + lB(g) ↔ mC(g) + nD(g)
P mC P n D
Kp = k l
P AP B
Donde las diferentes P representan las respectivas presiones parciales de las tres sustancias en el
equilibrio.
Aunque Kc y Kp son constantes a cualquier temperatura no son necesariamente iguales.
Es fácil hallar un relación entre las dos.
Kp = KC (RT)Δn
La magnitud de la constante de equilibrio da una indicación de la posición de equilibrio
en una reacción.
Solamente si un sistema se halla en equilibrio la expresión de acción de masas iguala a la constante
de equilibrio.
La condición de equilibrio es que
Q=K
Cuando:
Q<K
Nos dice que la reacción procederá hacia la derecha
Cuando:
Q>K
La acción procederá hacia la izquierda.
III. PARTE EXPERIMENTAL.EXPERIMENTO N 1.- Determinación de la constante de equilibrio:
Fe+3(aq) + SCN-(aq) ↔ FeSCN+2(aq)
Procedimiento.Para la preparación de la solución estándar de este experimento se empleara una solución del ion
tiocianato, SCN-(aq) de concentración conocida. Esencialmente, puede considerarse que todo el
tiocianato se utilizara en la formación del ion tiociano-hierro(III), FeSCN+2, y su concentración será
la misma que la concentración del ion SCN-(aq) que había al principio.
a) Disponga cinco tubos de ensayo limpios del mismo diámetro y rotúlelos 1, 2, 3, 4, 5;
coloque 5ml de tiocianato potasico, KSCN, 0.001M, a cada uno de ellos. Al tubo N1, añada
5ml de Fe(NO3)3, 0.2 M. En este tubo será empleado como estándar.
b) En un vaso limpio y seco, coloque 5ml de Fe(NO3)3, 0.2M, y agregue 7.5ml de H2O
destilada. Tome 5ml de esta solución y viértala en el tubo N2.
c) Coloque 5ml de la solución del vaso en una probeta. Deseche el resto. Complete con agua
destilada hasta 12.5ml. vierta la solución en un vaso limpio y seco para mezclarla. Traspase
5ml de esta solución al tubo N3. continúe con la disolución de esta manera hasta que tenga
5ml de solución sucesivamente mas diluida en cada tubo de ensayo.
d) Envuelva lateralmente con una tira de papel oscuro a los tubos 1 y 2 para evitar iluminación
lateral.
e) Observe verticalmente, de arriba hacia abajo, a través de las soluciones y sobre la fuente de
luz, de tal forma que la iluminación sea siempre de la misma intensidad.
f) Si las intensidades de color son iguales, mida la altura cada solución con la precisión de un
milímetro y tome nota.
g) Si las intensidades de color no son iguales, retire parte de la solución del tubo estándar con
un gotero hasta que dichas intensidades de color sean iguales.
h) Coloque la porción de la solución estándar sacada en un vaso limpio y seco, y que puede
utilizarse mas adelante. De hecho, la igualdad de coloración debe conseguirse retirando o
regresando mas cantidad de la solución estándar de la que considere necesaria.
i) Cuando las intensidades de color sean iguales en cada tubo, mida la altura de ambas
soluciones con una precisión de un milímetro.
j) Repita la operación con los tubos 1 y 3, 1 y 4 y finalmente 1 y 5. El objeto de estas
comparaciones es determinar la concentración de ion FeSCN+2(aq)
Cálculos y resultadosDatos:
[Fe+3(aq)]1 = 0,2M
[SCN-(aq)]1 = 0,001M
se sabe que una dilución se cumple:
V1M1 = V2M2
M2 =
V1M1
...(I)
V2
Tubo 1 (solución estándar)
Fe+3(aq) + SCN-(aq) ↔ FeSCN+2(aq)
Utilizando (I)
[Fe+3(aq)]2 = 0,1M
[SCN-(aq)]2 = 0,0005M
en el equilibrio:
[SCN-(aq)]2 = [FeSCN+2(aq)]e
[SCN-(aq)]2 = 5.10-4M
[FeSCN+2(aq)]e = 5.10-4
[Fe+3(aq)]e = [Fe+3(aq)]2 - [FeSCN+2(aq)]e = 0,0995M
[SCN-(aq)]e = [SCN-(aq)]2 - [FeSCN+2(aq)]e = 0M
Kc = [FeSCN+2(aq)]e
= 5.10-4
+3
[Fe (aq)]e [SCN (aq)]e
0,0995. 0
Tubo 2:
Fe+3(aq) + SCN-(aq) ↔ FeSCN+2(aq)
De (I)
[Fe+3(aq)]1 = 0,08M
[SCN-(aq)]2 = 5.10-4M
[Fe+3(aq)]2 = 0,04M
en el equilibrio:
[FeSCN+2(aq)]e =
[FeSCN+2(aq)]e =
altura  es tandarconcentracion  es tandar
altura  solucion
4
6,45.10  = 0,00048M
6,6
[Fe+3(aq)]e = [Fe+3(aq)]2 - [FeSCN+2(aq)]e = 0,03952M
[SCN-(aq)]e = [SCN-(aq)]2 - [FeSCN+2(aq)]e = 0,00002M
Kc = [FeSCN+2(aq)]e
=
0,00048
= 607,287
[Fe+3(aq)]e [SCN-(aq)]e
0,00002. 0,3952
Tubo 3:
Fe+3(aq) + SCN-(aq) ↔ FeSCN+2(aq)
De (I)
[Fe+3(aq)]1 = 0,032M
[Fe+3(aq)]2 = 0,016M
[SCN-(aq)]2 = 5.10-4
en el equilibrio:
[FeSCN+2(aq)]e =
[FeSCN+2(aq)]e =
altura  es tandarconcentracion  es tandar
altura  solucion
4,45.104  = 0,000333M
6,6
[Fe+3(aq)]e = [Fe+3(aq)]2 - [FeSCN+2(aq)]e = 0,015667M
[SCN-(aq)]e = [SCN-(aq)]2 - [FeSCN+2(aq)]e = 0,000167M
Kc = [FeSCN+2(aq)]e
= 0,000333
= 127,275
[Fe+3(aq)]e [SCN-(aq)]e
0,015667. 0,000167
Tubo 4:
Fe+3(aq) + SCN-(aq) ↔FeSCN+2(aq)
De (I)
[Fe+3(aq)]1 = 0,0128M
[Fe+3(aq)]2 = 0,0064M
[SCN-(aq)]2 = 5.10-4M
en el equilibrio
[FeSCN+2(aq)]e =
[FeSCN+2(aq)]e =
altura  es tandarconcentracion  es tandar
altura  solucion
4
3,55.10  = 0,000265M
6,6
[Fe+3(aq)]e = [Fe+3(aq)]2 - [FeSCN+2(aq)]e = 0,006135M
[SCN-(aq)]e = [SCN-(aq)]2 - [FeSCN+2(aq)]e = 0,000235M
Kc = [FeSCN+2(aq)]e
= 0,000265
= 183,807
+3
[Fe (aq)]e [SCN (aq)]e
0,006135. 0,000235
Tubo 5:
Fe+3(aq) + SCN-(aq) ↔ FeSCN+2(aq)
De (I)
[Fe+3(aq)]1 = 0,00512M
[Fe+3(aq)]2 = 0,00256M
[SCN-(aq)]2 = 5.10-4M
en el equilibrio:
[FeSCN+2(aq)]e =
[FeSCN+2(aq)]e =
altura  es tandarconcentracion  es tandar
altura  solucion
4
1,85.10  = 0,000136M
6,6
[Fe+3(aq)]e = [Fe+3(aq)]2 - [FeSCN+2(aq)]e = 0,002424M
[SCN-(aq)]e = [SCN-(aq)]2 - [FeSCN+2(aq)]e = 0,000364M
Kc = [FeSCN+2(aq)]e
= 0,000136
= 154,136
[Fe+3(aq)]e [SCN-(aq)]e
0,002424. 0,000364
CONCLUSIONES.


Que la constante de equilibrio depende de la concentración de las sustancias en el
equilibrio.
Se observa físicamente que las propiedades del sistema en equilibrio no cambian.
Que la concentración en el equilibrio del FeSCN+2(aq) dependía de la concentración inicial
del Fe+3 en una proporción directa.
EXPERIMENTO N 2.- Estudio del sistema en equilibrio, ion cronato-ion dicromato:
CrO4=(aq) ↔ Cr2O7=(aq)
Procedimiento.a) En un tubo de ensayo ponga 1ml de cromato de potasio, 0,1 M y en otro tubo 1ml de
dicromato de potasio, 0,1 M. Observar el color de cada solución y anote. Estas soluciones
servirán como fuente de los iones CrO4=(aq) y Cr2O7=(aq).
b) Vierta 5 gotas de cada solución en 2 tubos de ensayos. Luego, añadir gota a gota NaOH,
1M a cada uno de los tubos hasta que se observe un cambio de color en uno de los tubos.
Conservar estas soluciones para la parte e)c) Repita el paso b) usando esta vez HCl, 1M; añadiendo gota agota a cada tubo. Anote los
cambios de color observados. Guarde estas soluciones para la parte d).
d) Añadir NaOH, 1M, gota a gota a uno de los tubos de paso c) hasta observar algún cambio
de color.
e) Añadir HCl, 1M gota agota a uno de los tubos de paso b) hasta observar algún cambio de
color.
f) Repita los pasos del a) al e), pero esta vez usando NH4OH, 1M y CH3COOH, 1M. Anotar
las observaciones.
Datos y observaciones
Se observo que el cromato de potasio es de color amarillo y el dicromato de potasio de color pardo,
se coloco en un tubo de ensayo 5 gotas de cada sustancia y se añadió NaOH, se observo un cambio
de color del dicromato que convirtió en amarillo, también se añadió al cromato NaOH, y no se
altero su color, en cambio si se le añade HCl en vez del NaOH, se observa un cambio de color en el
cromato que se convirtió en color pardo, y en el dicromato no hubo variación de color alguno.
De la primera parte al añadir NaOH a las dos sustancias se observo un cambio en el dicromato,
ahora a esta también se le agrego HCl, en la que se uso mas cantidad de HCl que la segunda parte,
debido a que el ácido tuvo que neutralizar a la base (NaOH) y luego actuar con el cromato formado
y se observo un cambio de color a pardo, lo mismo sucedió al añadir NaOH a las sustancias
agregadas con HCl de la segunada parte, el NaOH actuó con el HCl y luego con el dicromato
formado hubo un cambio de color que fue amarillo.
Lo mismo se observo en el caso en el cual en vez de usar HCl se uso CH3COOH 1M y NaOHcon NH4OH.
IV. CUESTIONARIO.1) ¿Cuál será la concentración inicial de Fe+3(aq) en el tubo N2?
Se sabe que una dilución se cumple:
V1M1 = V2M2
M2 =
V1M1
...(I)
V2
De (I):
[Fe+3(aq)]1 =
[Fe+3(aq)]2 =
0,25
10
= 0,08M
0,085 = 0,04M
10
2) ¿Cuál será la concentración en el equilibrio del ion FeSCN+2(aq) en el tubo N3?
[FeSCN+2(aq)]e =
[FeSCN+2(aq)]e =
altura  es tandarconcentracion  es tandar
altura  solucion
4
4,45.10  = 0,000333M
6,6
3) ¿Cuál será la concentración en el equilibrio del ion SCN-(aq) en el tubo N4?
[SCN-(aq)]e = [SCN-(aq)]2 - [FeSCN+2(aq)]e
[FeSCN+2(aq)]e =
3,55.104  = 0,000265M
6,6
[SCN-(aq)]2 = 0,0005
[SCN-(aq)]e = 0,000235M
4) Calcular el valor de la constante de equilibrio Kc del sistema estudiado.
De la relación:
Kc = [FeSCN+2(aq)]e
[Fe+3(aq)]e [SCN-(aq)]e
Tubo 1: no se puede hallar la constante de equilibrio.
Tubo 2:
Kc =
0,00048
= 607,287
0,00002. 0,3952
Tubo 3:
Kc =
0,000333
= 127,275
0,015667. 0,000167
Tubo 4:
Kc = 0,000265
= 183,807
0,006135. 0,000235
Tubo 5:
Kc = 0,000136
= 154,136
0,002424. 0,000364
5) Añadiendo iones H+ y moléculas de agua al miembro adecuado de la ecuación,
balancear la ecuación.: CrO4=(aq) ↔ Cr2O7=(aq)
2H+ + 2CrO4=(aq) ↔ Cr2O7= + H2O(aq)
6) Añadiendo iones OH- y moléculas de agua al miembro adecuado de la reacción, balancear
la ecuación: CrO4=(aq) ↔ Cr2O7=(aq)
H2O + 2CrO4=(aq) ↔ Cr2O7=(aq) + 2OH7) ¿Qué conclusiones pueden deducirse de las preguntas 5 y 6 con respecto a su dependencia
de los iones H+ y OH-?
Tanto en 5) como en 6), cuando se añadió H+ al sistema se producen iones Cr2O7= y agua, y
cuando se añaden OH- al sistema se producen CrO4= y agua, entonces se concluye que la
formación de CrO4= y Cr2O7= depende de añadir H+ u OH- o que la dirección de la reacción
depende de añadir H+ u OH-.
8) La constante de equilibro Kc para la reacción en fase gaseosa es 0,50
HCHO(g) ↔H2(g) + CO(g)
A determinada temperatura. Se introduce una mezcla de HCHO, H2 y CO a un matraz a
esta temperatura. Transcurrido cierto tiempo, el análisis de una pequeña muestra del
matraz indica las siguientes concentraciones [HCHO] = 0,50M, [H2] = 1,50 M y [CO] =
0,25M. Indique si cada una de las siguientes afirmaciones es verdadera o falsa.
a) La mezcla del matraz esta en equilibrio. (F)
K’c =
1,50,25 = 0,75
0,5
Como K’c ≠ Kc, la mezcla no esta en equilibrio.
b) La mezcla del matraz no esta en equilibrio, y ya no se producirá reacción alguna. (F)
La mezcla no esta en equilibrio, la parte a) y el sistema tratara de llegar al equilibrio,
además en el sistema en equilibrio ocurre reacciones en todo momento.
c) La mezcla del matraz no esta en equilibrio, peroel HCHO seguira descomponiéndose.
(F)
Ya que K’c > Kc entonces el sistema reacciona a la izquierda, firmándose HCOOH.
d) La velocidad de reacción hacia la derecha es igual a la velocidad hacia la izquierda.
(F)
La velocidad de reacción a la derecha es igual a la velocidad de reacción a la izquierda solo
si se establece el equilibrio, pero en nuestro caso no esta en equilibrio.
9) Si se introducen 1,35 noles de hidrógeno y 0,493 moles de yodo en un vaso de reacción de un
litro de capacidad, se calienta a 454c, ¿cuánto será el valor dela constante de equilibrio a
esa temperatura, sabiendo que la concentración de vapor del yoduro de hidrógeno, HI, en
equilibrio es de 9,45.10-2 moles/L?
H2(g)
n inicio
n consumo
n forma
n eq
+
1,35
x
1,35 - x
Dato:
9,45.10-2 mol/L = 2x
V = 1L
X = 4,725.10-2mol
1,35  x
= 1,30275 mol/L
1
0,493  x
[I2] =
= 0,44575 mol/L
1
[H2] =
2
2

9,45.10- 2 

HI
Kc =
=
= 0,1537
H2 I2  1,302750,44575
I2(g)
↔
0,493
x
0,493 + x
2HI(g)
2x
2x
10) Para la siguiente reacción en equilibrio: 2NO(g) + O2(g) ↔ 2NO2(g)
el valor de la constante de equlibrio Kc es 6,43.105 a 200c. Si la concentración en el
equilibrio del NO(g) es 3,04.10-4 moles/L y la concentración de O2(g) es 0,606
moles/L,¿cuál será la concentración del NO2(g)?
2

NO2 
Kc =
NO2 O 2 
-5
6,43.10 =
NO 2 2
3,04.10 -4 2 0,606 
[NO2] = 0,1897 mol/L
11) A 375 K, el valor de Kp de la reacción: SO2Cl2(g) ↔ Cl2(g) + SO2(g)
es 2,4 cuando las presiones se expresan en atm. Supónganse que se colocan 6,7g de
SO2Cl2(g) en un balón de 1L y se aumenta la temperatura a 375 K ¿cuál será la presión
del SO2Cl2(g) si nada de el se disociara?. En el equilibrio cuales son las presiones del
SO2Cl2(g), Cl2(g) y SO2(g)?.
Datos:
T = 375K
Kp = 2,4
SO2Cl2(g) ↔
Cl2(g)
+
SO2(g)
P inicio
P consumo
P forma
P eq
Pi
P
Pi - P
Masa del SO2Cl2 = 6,7g
M del SO2Cl2 = 134
Al inicio la presión total se debe al SO2Cl2
nRT
mRT
=
V
MV

6,7 0,092375
Pi =
= 1,526 atm
1351
Pi =
Kp =
P SO 2 P Cl2  =
P2
= 2,4
P SO 2Cl2  1,526 P
P = 1,0588 atm
Entonces en el equilibrio:
P Cl2 = 1,0588 atm
P SO2 = 1,0588 atm
P SO2Cl2 = 0,4672 atm
P
P
P