Resumen Fundamentos del Equilibrio QuÃmico (Para llenar)

Resumen 4 FUNDAMENTOS DEL EQUILIBRIO QUÍMICO
Adaptado de http://apchemistrynmsi.wikispaces.com/AP+Chemistry+Class+Lecture+Notes+AND+instructional+videos
por el profesor Julio Clavijo para los grupos de Química II – Fundación Universidad de América
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A no ser que se indique otra cosa, todas las gráficas o figuras son tomadas del libro Chemistry, The Central Science 11th ed.
LA NATURALEZA DEL EQUILIBRIO QUÍMICO: El equilibrio es el estado en el cual dos
reacciones _______________ ocurren a la ____________________________________. Entonces, las concentraciones de
las especies se mantienen constantes con el tiempo, si bien las moléculas se interconvierten sin cesar, una
vez que se ha alcanzado la igualdad de velocidades directa e inversa temperatura fija.
En cinética, se asume que las reacciones se completan desde los reactivos hacia los productos, es decir, se
asume que son irreversibles.
En realidad, casi todas las reacciones químicas son equilibrios, donde los reactivos se vuelven productos
(proceso cinético directo, siempre leyendo la reacción de izquierda a derecha) y los productos también se
convierten en reactivos (proceso cinético inverso), por lo que los equilibrios son reacciones reversibles.
Generalmente se usa una doble flecha para escribirlos: ↔, o dos medias flechas: ⇋.
• Un equilibrio es un proceso ___________________:--La reacción ocurre en el sentido directo y en el inverso
y cuando las velocidades se igualan se establece el equilibrio, las concentraciones de todos los reactivos y
productos logran valores estacionarios.
• La naturaleza y propiedades del sistema en el equilibrio son las mismas no importando desde dónde se
logre el equilibrio, si partiendo de los reactivos o de los productos.
• Ejemplo: Observe en las siguientes gráficas cómo se establece el equilibrio para la reacción llamada
Proceso Haber-Bosch:
N + 3H ⇋ 2NH
(a) El equilibrio se logra
comenzando con H2 y N2 sin NH3.
(b) El equilibrio se logra
comenzando con NH3 sin los
reactivos.
Nótese que no importando desde
dónde se inicie el equilibrio, las
concentraciones de las especies
serán las mismas.
LA CONSTANTE DE EQUILIBRIO QUÍMICO
 La relación entre _______________ química y ______________ químico consiste en que la división entre las
constantes directa e inversa de las reacciones de un equilibrio establecido produce un valor que no
depende de las concentraciones iniciales de ninguna de las especies involucradas en el equilibrio.
 Esa división, el valor 𝑘 ⁄𝑘 , se denomina constante de equilibrio químico 𝐾 , es un valor
invariable a temperatura dada, y representa la ya descrita relación entre cinética química y
equilibrio químico para una reacción dada:
𝑘
= 𝐾
𝑘
LA POSICIÓN DEL EQUILIBRIO: Aunque las velocidades se igualan al llegar al equilibrio, las
concentraciones de reactivos y productos en el equilibrio NO son iguales:
 Si en el equilibrio hay mayor abundancia de reactivos, el equilibrio está desplazado hacia los
reactivos.
 Si en el equilibrio hay mayor abundancia de productos, el equilibrio está desplazado hacia los
productos.
TIPOS DE EQUILIBRIOS:
 Homogéneo: Todas las especies están en el _______________________________. Puede ser acuoso (ac) o
gaseoso (g). Se estudiarán en detalle estos dos casos en este resumen.
 Heterogéneo: Cuando una o más especies están en ______________________________. Se estudiará el caso
más relevante que es el equilibrio de solubilidad, más adelante en el curso.
LA EXPRESIÓN DE EQUILIBRIO: --Para una reacción general homogénea ______________ balanceada
aA(ac) + bB(ac) ⇋ cC(ac) + dD(ac)
La constante de equilibrio químico se escribe usando molaridades (corchetes cuadrados):
𝐾
=𝐾 =
[𝐶] [𝐷]
[𝐴] [𝐵]
Note que siempre las concentraciones de los productos se escriben en el numerador y las
concentraciones de los reactivos aparecen en el denominador. Todas las especies deben escribirse
elevadas a sus respectivos coeficientes estequiométricos balanceados.
Asimismo, para una reacción general homogénea gaseosa balanceada
aA(g) + bB(g) ⇋ cC(g) + dD(g)
La constante de equilibrio químico se escribe usando presiones parciales, en atmósferas:
𝐾
=𝐾 =
(𝑃 ) (𝑃 )
(𝑃 ) (𝑃 )
Igual que con KC , siempre las concentraciones de los productos se escriben en el numerador y las
concentraciones de los reactivos aparecen en el denominador. Todas las especies deben escribirse
elevadas a sus respectivos coeficientes estequiométricos balanceados.
En resumen:
- [ ] indica concentración en Molaridad (mol/L), P indica concentración en presión
- Hay dos formas de la constante de equilibrio en sistemas homogéneos:
Kc es K en concentraciones (todo acuoso)
Kp es K en presiones parciales (gases)
- Ambas constantes se escriben sin unidades.
AL ESCRIBIR Y CALCULAR CONSTANTES DE EQUILIBRIO:
• Sólidos puros—_____________________ en la expresión de la constante (como si valiera 1 su concentración)
• Líquidos puros--Tampoco— Cuando aparece H2O(l) en una reacción, como está pura, no se tiene en
cuenta para ningún cálculo (como si valiera 1 su concentración) OJO: ¡Acuoso NO es líquido, (ac) ≠ (l)!
Manipulaciones de los equilibrios:
• Al multiplicar por n los coeficientes estequiométricos de un equilibrio, K se eleva a la n.
• Al escribir un equilibrio al revés (escribiendo los productos como reactivos), se toma el inverso de K.
• Al sumar equilibrios para obtener un nuevo equilibrio, la nueva K se obtiene multiplicando las
constantes de las reacciones sumadas (K1 × K2 × K3 …).
MUCHO OJO:
• Kc & Kp —SOLAMENTE SE PUEDEN INTERCONVERTIR PARA EQUILIBRIOS _________________
___________________: 𝐾 = 𝐾 (𝑅𝑇)∆
Δn la diferencia entre las ___________________ en los productos menos las ______________________ en los reactivos.
• R = Constante de los gases ideales, en unidades de presión, 0.08206 L atm/ mol K
• T = Temperatura en Kelvin
Ejercicio 1:
¿Por qué una 𝐾
no tiene unidades?
Ejercicio 2:
a. Según lo leído hasta ahora, ¿Cómo se sabe que se ha llegado al equilibrio en una reacción química?
b. ¿Cuándo ocurre que 𝐾 = 𝐾 ?
c. A 425 °C, se encuentra que cuando el equilibrio 2 HI(g) H (𝑔) + I (𝑔) se establece, las presiones
parciales de H , I y HI son 0.06443 atm, 0.06540 atm y 0.4821 atm, respectivamente. Calcule el valor de 𝐾 y
de 𝐾 a esta temperatura para esta reacción.
d. Para cierta reacción, 𝐾 = 2.51 × 10 a 448 °C. ¿Cuánto vale 𝐾 a esta temperatura?
Ejercicio 3:
Las siguientes concentraciones fueron encontradas para el proceso Haber, al llegar al equilibrio, a 127°C:
[NH3] = 31 × 10 mol/L
[N2] = 8.5 × 10 mol/L
[H2] = 3.1 × 10 mol/L
a. Calcule el valor de KC a 127 °C para esta reacción.
b. Calcule el valor de KC a 127 °C para la reacción
2 NH3(g) ⇋ N2(g) + 3 H2(g)
c. Calcule el valor de la constante de equilibrio a 127°C para la reacción
N2(g) + H2(g) ⇋ NH3(g)
a: K = 3.8 × 10 ; b: K’ = 2.6 × 10 ; c: K” = 1.9 × 10
Ejercicio 4:
La reacción para la formación del cloruro de nitrosilo, material inicial en la fabricación de Nylon-6,
2 NO(g) + Cl2(g) ⇋ 2 NOCl(g)
Fue estudiada a 25 °C. Se encontró que las presiones parciales en el equilibrio eran
P NOCl = 1.2 atm
P NO = 5.0 × 10 atm
P Cl2 = 3.0×10 atm
Calcule el valor de Kp y de KC para esta reacción a 25 °C.
Kp = 1.9 × 10 , 𝐾 = 4.7 × 10 .
MAGNITUD DE K—Si es más grande que 1, indica que el equilibrio tiene mayor abundancia de
productos; se dice que el equilibrio está desplazado __________________________________. Si es menor que 1, el
equilibrio está desplazado _________________________________.
¡ULTRA IMPORTANTE! Para entender bien los fundamentos del equilibrio químico, usted DEBE
1. …Escribir bien la constante de equilibrio para una reacción cualquiera
2. …Describir cómo cambia K al variar los coeficientes estequiométricos
3. … Describir cómo obtener K al sumar equilibrios
4. …Describir las diferencias entre equilibrio acuoso y gaseoso, y entre Kc y Kp
5. …Explicar qué le dice el valor de K sobre las especies presentes en un equilibrio (MAGNITUD DE K)
EL COCIENTE DE REACCIÓN Q: ¡La clave de todo cálculo de equilibrio!
Se usa cuando las cantidades no me dan el valor de K, es decir, cuando el sistema NO está en equilibrio.
Esto ocurre cuando se dan unas cantidades iniciales y a partir de ellas se establece el equilibrio.
Q sirve para saber cómo se llega al equilibrio desde las cantidades iniciales.
Para la reacción general
aA + bB ⇋ cC + dD
El cociente de reacción Q se escribe así:= 𝑄
[ ] [ ]
=[
] [ ]
o𝑄
(
=(
) (
)
) (
)
Es decir, Q se calcula como K pero con concentraciones _____________________________________. Casi siempre, se
usan las cantidades iniciales que den el ejercicio o el problema.
¿Qué significa Q y para qué me sirve?:
1. Si Q < K, el sistema no está en equilibrio, y se llegará al equilibrio consumiendo reactivos para
formar productos: R ⇀ P, hasta que Q = K. En la Tabla RICE, los __________________ llevarán signo negativo y
los _____________________, signo positivo.
2. Si Q = K, el sistema está en equilibrio. Las cantidades iniciales ya son concentraciones en equilibrio.
3. Si Q > K, el sistema no está en equilibrio, y se llegará al equilibrio consumiendo productos para
formar reactivos: R ↽ P, hasta que Q = K. En la Tabla RICE, los _________________________ llevarán signo
positivo y los ________________________, signo negativo.
¡Q es el valor que me indica cómo se llega al equilibrio, y así calcular bien usando la constante de equilibrio!
 ¡Tabla RICE!
Ejercicio 5:
Para la síntesis de amoniaco (proceso Haber) a 500 °C, la constante de equilibrio es 6.0 × 10 . Prediga la
dirección en la cual el sistema se desplazará para llegar al equilibrio en los siguientes casos:
a. [NH3]0 = 1.0 × 10 M ; [N2]0 = 1.0 × 10 M ; [H2]0 = 2.0 × 10 M
b. [NH3]0 = 2.00 × 10 M ; [N2]0 = 1.50 × 10 M ; [H2]0 = 3.54 × 10 M
c. [NH3]0 = 1.0 × 10 M ; [N2]0 = 5.0 M ; [H2]0 = 1.0 × 10 M
CÁLCULOS CON LA CONSTANTE DE EQUILIBRIO: USANDO EL MÉTODO RICE
Es un método de pasos generales para resolver problemas de cálculos de equilibrio.
Recuerde, según lo visto en clase, que el método “RICE” se hace así:
1. Escriba la
Reacción balanceada, luego escriba las concentraciones
Iniciales como primera fila de una tabla, calcule Q con las concentraciones iniciales para compararlo con
K y saber cuáles especies se consumen y cuáles se forman para llegar al equilibrio, y según la
estequiometría, escriba como segunda fila de la tabla el
Cambio en la concentración de las especies en términos de x, y escriba las concentraciones de
Equilibrio simplemente sumando la primera y la segunda filas tal como las escribió.
2. Use las concentraciones escritas en la tercera fila para expresar la constante de equilibrio e iguálela a al
valor dado de K.
3. ¡OJO! ¡Si le dan alguna concentración de equilibrio, úsela para encontrar el valor de x y determinar
el cambio en todas las especies!
4. Si no le dan ninguna concentración de equilibrio, hay que calcular todas las cantidades de
equilibrio. Use el valor de K que le dieron para resolver el valor de x de la expresión que escribió en el
punto 2.
5. Calcule y escriba el valor de todas las concentraciones de equilibrio, y compruebe la constante.
Tips para calcular rápidamente:
• NUNCA SE LE OLVIDE calcular Q con las cantidades iniciales y compararlo con K para establecer si el
equilibrio se establecerá R ⇀ P (Si Q < K) o R ↽ P (Si Q > K).
• R ⇀ P significa que los reactivos se consumirán para que aparezcan los productos, por lo que en la línea
de Cambio, los reactivos llevarán signo − y los productos llevarán signo +.
• R ↽ P significa que los productos se consumirán para que aparezcan los reactivos, por lo que en la línea
de Cambio, los productos llevarán signo − y los reactivos llevarán signo +.
• Cuando falta algún reactivo, siempre Q da _________________, por lo que Q > K y R ↽ P.
• Cuando falta algún producto, siempre Q da _____________, por lo que Q < K y R ⇀ P.
• Si el valor de K es muy pequeño (K < 10 ), "x" puede ser despreciable, y así la cuadrática se reducirá
a una expresión mucho más sencilla de resolver para hallar x.
• Si el valor de K no es pequeño (K ≥ 10 ), "x" JAMÁS puede ser despreciable, y así la cuadrática
DEBE hacerse. Puede pasar que la matemática sea un cuadrado perfecto, pero si no, se expresa todo en la
forma 𝑎𝑥 + 𝑏𝑥 + 𝑐 = 0, y se encuentran los valores de x con calculadora o a mano. No olvide que al
resolver x por ecuación cuadrática, se debe escoger el valor de x químicamente coherente, aquel
que no produzca concentraciones de equilibrio negativas Y reproduzca mejor la constante. ^_^
¡OJO! El método RICE se hace SIEMPRE en molaridades y usando 𝐾 . Solamente se hace en
presiones y con KP cuando expresamente se pidan PRESIONES de equilibrio. ^_^
Ejercicio 6:
El tetróxido de dinitrógeno en su estado líquido fue usado como uno de los combustibles en las misiones Apolo de
la NASA. En estado gaseoso se descompone para dar óxido de dinitrógeno: N2O4(g) ⇋ 2 NO2(g)
Considere un experimento en el cual N2O4 gaseoso fue colocado en un reactor y se le permitió alcanzar el
equilibrio a T fija, con 𝐾 = 0.133. En el equilibrio, se encontró que la presión parcial de N2O4 era 2.71 atm.
Calcule la presión parcial de NO2(g) en el equilibrio.
(𝑷 𝐍𝐎𝟐)𝐄𝐪 = 0.600 atm
Ejercicio 7:
El monóxido de carbono reacciona con vapor de agua para producir dióxido de carbono e hidrógeno:
CO + H2O ⇋ CO2 + H2
A 700 K la constante de equilibrio es 5.10. Si se coloca 0.500 mol de cada especie en un reactor de 2.50 L, calcule
todas las concentraciones en el equilibrio.
[CO]Eq = [H2O]Eq = 0.123 M
[CO2]Eq = [H2]Eq = 0.277 M
Ejercicio 8:
Una mezcla de H2, I2 y HI a 458 °C contiene 0.112 mol de H2, 0.112 mol de I2 y 0.975 mol de HI en un recipiente de
5.00 L, y se permite que la mezcla alcance el equilibrio: H2 + I2 ⇋ HI. ¿Cuáles serán las concentraciones en el
equilibrio de todas las especies, si 𝐾 = 47.9 a 458 °C?
[H2]Eq = [I2]Eq = 0.0269 M
[HI]Eq = 0.186 M
Ejercicio 9:
Suponga que el siguiente equilibrio A + B ⇋ C + D se inicia colocando 0.200 moles de A, 0.0400 moles de B, 0.500 moles de C y 0.800 moles de D, todo en un reactor de 4.00 L a 100 °C. Si 𝐾 = 4.00 a esta temperatura, determine
todas las concentraciones en el equilibrio, y determine la masa de la sustancia C presente en el equilibrio, si su
masa molar es 88.11 g/mol.
[A]Eq = 0.0844 M; [B]Eq = 0.0444 M; [C]Eq = 0.0906 M; [D]Eq = 0.166 M; 31.9 g
Alteración del equilibrio en términos cuantitativos - Principio de Le Châtelier:
Si un sistema en equilibrio es perturbado por un _______________ en T, en P, o en la concentración de algún
componente, el sistema se desplazará de forma que se ___________________ del efecto causado.
Siempre es un principio de _________________________.
• Cualquier alteración que se aplique a un equilibrio hace que el mismo se desplace para llegar a un
NUEVO equilibrio.
• Agregar o remover una sustancia hace que el sistema se desplace para restablecer el valor de K.
Si se agregó alguna sustancia, el sistema se desplazará de forma que la consuma, y si se removió, de forma
que la reponga. Aplica para ____________ equilibrio.
• Aumentar la presión de alguna sustancia (no de todo el sistema, que es diferente) hará que el sistema se
desplace en el sentido que menos moles gaseosas tenga. Lo inverso también es cierto. Esto _________________
para equilibrios ___________________, sólo para __________________________.
• Agregar un catalizador __________________________ sobre K, por lo que no provoca ningún desplazamiento.
Sólo permite lograr el equilibrio más rápido.
• Cambiar la temperatura es como agregar o remover un “reactivo o un producto”, y ___________________ de
si la reacción es _________________ o _____________________. Observe las siguientes gráficas:
Una reacción es endotérmica cuando los productos
terminan con mayor energía que los reactivos,
porque los reactivos absorben energía en forma de
calor desde los alrededores del sistema para volverse
productos. Se nota por que el valor de ∆𝐻 es
positivo; por ejemplo, ∆𝐻 = 90.8
.
Una reacción es exotérmica cuando los productos
terminan con menor energía que los reactivos, porque
los reactivos liberan energía en forma de calor hacia
los alrededores del sistema al volverse productos. Se
nota por que el valor de ∆𝐻 es negativo; por ejemplo,
∆𝐻 = −75.6
.
Entonces, para aplicar el principio de Le Chatelier cuando se varía la temperatura, piense el calor en el
equilibrio de la siguiente forma:
RXN ENDOTÉRMICA: A + B ⇋ Productos,
∆𝐻 positivo (El calor participa como si fuera uno de los
reactivos)
Escríbalo así: A + B + ∆𝐻 ⇋ Productos
RXN EXOTÉRMICA: A + B ⇋ Productos,
∆𝐻 negativo (El calor participa como si fuera uno de los
productos)
Escríbalo así: A + B ⇋ Productos + ∆𝐻
 ¡OJO! Al aplicar el principio de Le Châtelier, solamente se puede hacer UNA variación a la vez sobre
un equilibrio. Si se afecta a un equilibrio mediante más de una sola variación al mismo tiempo, NO se
puede aplicar este principio. u_u
Ejercicio 10:
El arsénico puede ser extraído de la naturaleza primero haciendo reaccionar la materia natural con oxígeno,
proceso llamado tostado, para formar As4O6 sólido, el cual se reduce después usando carbón natural:
As4O6(s) + 6 C(s) ⇋ As4(g) + 6 CO(g)
Prediga la dirección del desplazamiento que hará el equilibrio en respuesta a cada una de las siguientes
alteraciones:
a. Agregar CO
b. Remover algún reactivo
c. Remover arsénico gaseoso (As4)
d. Cambiar la reacción un reactor más grande
Ejercicio 11:
Prediga en cuál sentido se desplazará el equilibrio en cada una de las siguientes reacciones cuando se reduce el
volumen en el cual ocurren:
a. La preparación de tricloruro de fósforo líquido: P4(s) + 6 Cl2(g) ⇋ 4 PCl3(l)
b. La preparación de pentacloruro de fósforo gaseoso: PCl3(g) + Cl2(g) ⇋ PCl5(g)
c. La reacción entre tricloruro de fósforo y amoniaco: PCl3(g) + 3 NH3(g) ⇋ P(NH2)3(g) + 3 HCl(g)
Ejercicio 12:
Para cada una de las siguientes reacciones, prediga cómo se desplazará el equilibrio y cómo cambiará el valor de K
al aumentar la temperatura:
a. N2(g) + O2(g) ⇋ 2 NO(g)
∆𝐻 = 181 kJ/mol rxn
b. 2 SO2(g) + O2(g) ⇋ 2 SO3(g)
∆𝐻 = −198 kJ/mol rxn
Ejercicio 13:
En cada uno de los equilibrios de los ejercicios 11, 12 y 13, prediga cómo se verá afectado el rendimiento de la
reacción (si aumenta, disminuye o no le pasa nada) de acuerdo con los efectos propuestos en cada ejercicio.
Alteración del equilibrio en términos cuantitativos: Calcular Nuevas
concentraciones de equilibrio



Cuando el equilibrio es gaseoso: Nuevas presiones iniciales, Nuevas presiones de equilibrio.
Cuando el equilibrio es acuoso: Nuevas molaridades iniciales, Nuevas concentraciones de equilibrio.
Si lo que cambia es la T , hay que usar la Ecuación de ____________________:
ln
𝐾
𝐾
=
∆𝐻
𝑅
1
1
−
𝑇
𝑇
Y con la nueva constante, calcular nuevas concentraciones (presiones o molaridades) de equilibrio.
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EJERCICIOS RESUELTOS!:
http://www.geocities.ws/iq_comision1/apuntes/problemas/Cap2_1.pdf
http://www.geocities.ws/iq_comision1/apuntes/problemas/Cap2_2.pdf
http://www.geocities.ws/iq_comision1/apuntes/problemas/Cap2_3.pdf
http://usuarios.multimania.es/bergidumflavium/fisicayquimica/2bach-quimica/apuntes/EQUILIBRIO/EQUILIBRIO-PRB-RESUELTOS.pdf
http://www.qfa.uam.es/fqf/problemas-resueltos-Tema6.pdf
http://www.personales.ulpgc.es/cling.dip/prob9.html