Equilibrio Químico, pH.

Química General e Inorgánica
Ingeniería Ambiental
Equilibrio Químico, pH.
1. Considere la reacción en fase gaseosa donde un compuesto incoloro C produce un
compuesto azul B.
2C (g) ⇌ B (g)
Después de que se alcanza el equilibrio, el tamaño del recipiente de reacción se reduce a la
mitad.
a) ¿Qué cambio de color (si lo hay) se observará inmediatamente después que se reduce el
tamaño del recipiente a la mitad?
b) ¿Qué cambio de color (si lo hay) se observará después de que se vuelve a establecer el
equilibrio en el recipiente?
Rta: a) Por reducción del volumen del recipiente a la mitad, el color de la masa gaseosa se
tornará a un azul más intenso, b) mientras que incrementando nuevamente el volumen, el color
perderá intensidad retornando a su estado inicial.
2. Para la reacción
Sb2O5 (g) ⇌ Sb2O3 (g) + O2 (g)
con
∆H > 0
Explique que le ocurre al equilibrio si:
a- Disminuye la presión a temperatura constante.
b- Se añade Sb2O3 a volumen y temperatura constantes.
Explique que le sucede a la constante de equilibrio si:
c- Se añade un catalizador a presión y temperatura constantes.
d- Aumenta la temperatura.
Rta.:
a- Según el principio de Le Châtelier, una disminución de presión provocará que el sistema
responda tratando de contrarrestar la perturbación exterior. El equilibrio se desplazará hacia
el miembro de la reacción con menor número de moléculas. De moles gaseosos. El equilibrio
se desplazará hacia derecha, favoreciendo la descomposición de Sb2O5.
b- Si se añade Sb2O3 a temperatura y volumen constantes, el equilibrio se desplazará hacia la
izquierda favoreciendo la formación de Sb2O5.
c- La adición de un catalizador a presión y temperatura constantes no modifica el valor de la
constante de equilibrio.
d- Al tratarse de un proceso endotérmico (∆H > 0), un aumento de la temperatura, provoca un
desplazamiento de la reacción hacia la derecha, por lo cual, la Kc aumenta.
3. Para los siguientes equilibrios:
a-
2 N2O5 (g) ⇌ 4 NO2 (g) + O2 (g)
b-
N2 (g) + 3 H2 (g) ⇌ 2 NH3 (g)
cCaCO3 (s) ⇌ CaO (s) + CO2 (g)
Escriba las expresiones de Kc y Kp. ¿Qué sucederá en los equilibrios a y b si aumenta la
presión a temperatura constante?
Rta.:
La constante de equilibrio es función de las concentraciones. Kc es el cociente entre el
producto de las concentraciones de los productos (elevadas a sus respectivos coeficientes
estequiométricos) y el producto de las concentraciones de los reactivos (elevadas a sus
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respectivos coeficientes estequiométricos). En su expresión sólo consideramos especies en fase
gaseosa (g) o disueltas (ac), pero no sólidos o líquidos puros.
Sólo para sustancias gaseosas, podemos sustituir las concentraciones por las respectivas
presiones parciales, y entonces aparece la constante de equilibrio Kp.
Teniendo en cuenta estos conceptos tenemos:
Proceso
Constantes de equilibrio
2 N2O5 (g) ⇌ 4NO2 (g) + O2 (g)
Kc= {[NO2 ]4x[O2]}/[N2O5]2
Kp= [(PNO2 )4xPO2]/(PN2O5)2
N2 (g) + 3 H2 (g) ⇌ 2 NH3
Kc= [NH3]2/{[N2]x[H2]3}
Kp= [(NH3)2/{PN2x(PH2)3]
CaCO3(s) ⇌ CaO(s) + CO2 (g)
Kc= [CO2 ]
Kp=PCO2
Según el principio de Le Châtelier si se aumenta la presión, manteniendo la temperatura
constante, el sistema tiende a contrarrestar esa perturbación exterior, desplazándose el equilibro
hacia el miembro de la reacción con menor número de moles gaseosos. Por lo cual:
Para el equilibrio a, se produce un desplazamiento hacia la izquierda aumentando la
concentración de N2O5.
Para el equilibrio b, se produce un desplazamiento hacia la izquierda aumentando las
concentraciones de N2 y 3 H2.
En el equilibrio c, se produce un desplazamiento hacia la izquierda, aumentando la
concentración del carbonato de calcio.
4. Considere el siguiente equilibrio:
2 NOBr (g) ⇌ 2 NO (g) + Br2 (g)
Razonar como variará el número de moles de Br2 en el recipiente si:
a- Se añade NOBr.
b- Se aumenta el volumen del recipiente.
c- Se añade NO.
d- Se agrega un catalizador.
5. El trióxido de dinitrógeno se descompone en NO y NO2 por proceso endotérmico (∆H =
40,5 kJ/mol).
N2O3(g) ⇌ NO(g) + NO2(g)
Prediga hacia dónde se desplazará el equilibrio (hacia la izquierda, hacia la derecha o no
cambiará) cuando se produzcan los siguientes cambios:
a- Agregar más N2O3 (g)
b- Agregar más NO2(g)
c- Aumentar el volumen del recipiente de reacción.
d- Reducir la temperatura
Rta: a) El equilibrio se desplazará hacia la derecha de modo de consumir N2O3, b) El
equilibrio se desplazará hacia la izquierda de manera de consumir NO2, c) El aumento de
volumen a presión constante ocasiona la necesidad de incrementar el número de moléculas en
el recipiente de modo tal que el equilibrio debe desplazarse hacia la derecha, d) La
disminución de la temperatura ocasiona que el equilibrio se desplace hacia la izquierda, cabe
destacar que el valor de la constante se ve afectado por los cambios de temperatura.
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6. Escriba las expresiones de la constante de equilibrio para las siguientes reacciones. En caso
de gases, use presiones y concentraciones.
a) 2 H2O(g) ⇌ 2 H2O(g) + O2(g)
b) CO (g) + ½ O2(g) ⇌ CO2(g)
c) C (s) + CO2(g) ⇌ 2 CO(g)
d) NiO(s) + CO(g) ⇌ Ni(s) + CO2(g)
7. La reacción:
PCl5(g) ⇌ PCl3(g) + CI2(g)
se examinó a 250 °C, siendo las concentraciones en el equilibrio
[PCl5] = 4,2 10-5 mol/L, [PCl3] = 1,3 10-2 mol/L y [CI2] = 3,9 10-3 mol/L.
Calcule Kc para la reacción.
Rta: Kc = 1,2. Kp = 51,8.
8. Una mezcla de CO y Cl2 se coloca en un matraz de reacción: [CO] = 0,0102 mol/L y [Cl2] =
0,00609 mol/L. Cuando la reacción alcanza el equilibrio a 600 K, [Cl2] = 0,00301 mol/L.
a) Calcule las concentraciones de CO y COCl2 en el equilibrio.
b) Calcule Kc.
a) CO = 0,00712 mol/L, COCl2 = 0,00308 mol/L
b) Kc = 1359,2
9. La constante de equilibrio (Kc), para la siguiente reacción es 1,05 a 350 K.
2 CH2Cl2(g) ⇌ CH4(g) + CCl4 (g)
Si una mezcla en el equilibrio de los tres gases a 350 K contiene 0,0206 M CH2Cl2(g) y 0,0163
M CH4, ¿cuál será la concentración de CCl4 en el equilibrio?
CCl4 = 1,33 M
10. La reacción:
C (s) + CO2 (g) ⇌ 2 CO (g)
ocurre a altas temperaturas.
A 700 °C, un matraz de 2,0 L contiene 0,10 mol de CO, 0,20 moles de CO2 y 0,40 moles de C
en el equilibrio.
a) Calcule Kc para la reacción a 700°C.
b) Calcule Kc para la reacción, también a 700 °C, si las cantidades que se encuentran en el
equilibrio en el matraz de 2,0 L son 0,10 mol de CO, 0,20 mol de CO2 y 0,80 mol de C.
c) Compare los resultados de los incisos (a) y (b). ¿Afecta la cantidad de carbono al valor de
Kc? Explique su respuesta.
Rta: El valor de la constante Kc = 2,5 10-2 para ambos casos debido a que la cantidad de
carbono presente no afecta la constante de equilibrio por encontrarse en fase sólida y estado
puro.
11. El valor de la constante de equilibrio para la disociación de yodo es Kc = 5,6 x 10-12 a
500 K.
I2(g) ⇌ 2 I(g)
Si en una mezcla a 500K se encuentran concentraciones de: [I2] = 0,020 mol/L y [I] = 2,0.10-8
mol/L, esta mezcla se encuentra en equilibrio? En caso necesario, ¿hacia dónde procederá la
reacción para alcanzar el equilibrio?
Rta: La reacción procede hacia productos
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12. Una mezcla de SO2, O2 y SO3 a 1000 K contiene los gases a las siguientes concentraciones:
[SO2] = 5,0 .l0-3 mol/L, [O2]= 1,9 10-3 mol/L y [SO3] = 6,9 l0-3 mol/L. ¿Se encuentra en
equilibrio la reacción? En caso que no se encuentre en equilibrio, ¿hacia dónde procederá la
reacción para alcanzar el equilibrio?
2 SO2 (g) + O2 (g) ⇌ 2 SO3 (g) (Kc = 279)
Rta: Qc = 1,45 105 Qc > Kc por lo que el sistema no se encuentra en equilibrio y se
desplazará generando reactivos y consumiendo productos.
13. A 2300 K la constante de equilibrio para la formación de NO (g) es 1,7 10-3.
N2 (g) + O2 (g) ⇌ 2 NO (g)
a) El análisis indica que, en esas condiciones las concentraciones de N2 y O2 son ambas 0,25 M
y la de NO es 0,0042 M. ¿Se encuentra en equilibrio el sistema?
b) Si el sistema no está en equilibrio, ¿en qué sentido procederá la reacción?
c) Cuando el sistema alcance el equilibrio, ¿cuáles serán las concentraciones en el equilibrio?
Rta: [N2] = [O2] = 0,247 M. [NO] = 0,01 M
14. En la gráfica se representa, a temperatura constante, dos estados de equilibrio (A y C) en el
proceso de obtención de amoniaco por el denominado proceso Haber:
N2 (g) + 3 H2(g) ⇌ 2 NH3(g)
En un tiempo dado se incrementa la presión parcial del H2(g) con la consiguiente perturbación
de las presiones parciales que corresponden al equilibrio (A). El equilibrio reestablecido (C)
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posee nuevas concentraciones constantes de los participantes del proceso.
Su tarea consiste en dibujar 3 líneas sobre la gráfica que representen la variación de las
presiones parciales de los reactivos y producto del proceso Haber. Esto a partir del momento en
que se incrementa la presión parcial de H2(g). Posteriormente, para el segmento C, (Equilibrio
reestablecido) grafique las líneas rectas correspondientes a estas nuevas concentraciones del
equilibrio del N2 (g), H2(g) y NH3(g) que comienzan al finalizar el segmento B referido.
15. A 200ºC se produce la siguiente reacción: Xe (g) + 2 F2 (g) ⇌ XeF4 (g). Se mezclan 0,4
moles de Xe con 0,8 moles de flúor en un recipiente de 2 L. Cuando se alcanza el equilibrio
solo el 60% de Xe se ha convertido en XeF4. Determina las constantes Kc y Kp y la presión en
el equilibrio.
Rta: Kc = 58,6. Kp = 0,039. Pt = 13,96 atm.
16. A 450 °C y 10 atm el amoníaco está disociado en un 95,7 % en sus elementos
constituyentes. Calcular Kp y Kc para ese equilibrio
Rta: Kc = 6.8. Kp = 24000.
2 NH3 (g) ⇌ N2 (g) + 3 H2 (g)
17. Un matraz de un litro contiene 6,28 milimoles de N2O4. Al calentar a 25ºC, la presión es de
0,2118 atm. Calcula Kc, Kp y el grado de disociación para la descomposición del N2O4 gas
para dar NO2 gas a esa temperatura.
Rta: Kc = 0,0059. Kp = 0,144.
18. La composición de equilibrio para la reacción CO (g) + H2O (g) ⇌ CO2 (g) + H2 (g) es:
0,l 0,l 0,4 y 0,1 moles, respectivamente, en un matraz de 1 litro. Si se añaden a la mezcla en
equilibrio 0,3 moles de H2(sin modificar el volumen), hallar la nueva concentración de CO una
vez restablecido el equilibrio.
19. A 400 °C el amoníaco se encuentra disociado un 40 % en nitrógeno e hidrógeno cuando la
presión del sistema es de 710 mm Hg. Calcular para el equilibrio:
2 NH3 (g) ⇌ N2 (g) + 3 H2 (g)a) Las presiones parciales de cada especie en el equilibrio, cuando la cantidad inicial de NH3 es
de 4 mol. b)Kp.
20. El CO2 reacciona rápidamente con H2S a altas temperaturas según la reacción:
CO2 (g) + H2S (g) ⇌ COS (g) + H2O (g)
En un experimento se colocaron 4,4 g de CO2 en una vasija de 2,5L a 337 °C y una cantidad
suficiente de H2S para que la presión total, una vez alcanzado el equilibrio, fuese de 10 atm.
Sabiendo que en la mezcla final, una vez alcanzado el equilibrio, había 0,01 mol de agua: a)
Determine el número de moles de cada especie presente en el equilibrio. b) Calcule la constante
de equilibrio Kp.
21. La formación del trióxido de azufre por oxidación del dióxido es un paso intermedio en la
fabricación del ácido sulfúrico. La constante de equilibrio (Kp) de la reacción:
2 SO2(g) + O2(g) ⇌ 2 SO3(g)
es 0,13 a 830ºC. En un experimento se hacen reaccionar 2,00 moles de dióxido de azufre con
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2,00 moles de oxígeno. ¿Cúal debe ser la presión total de equilibrio para tener un rendimiento
del 70% en trióxido de azufre?
Rta: Pt=105 atm.
22. Hallar el pH en: a) una disolución 0,2 M de hidróxido de sodio, b) una disolución 0,05M
de ácido nítrico y c) de una disolución 0,1 M de hidróxido de bario.
23. Ordenar por fuerza ácida creciente las especies: H2SO3 (pK1 = 1,81), HCOOH (pKa
=3,75) y NH4+ (pKa = 9,24).
24. Calcule el pH de la disolución de ácido nitroso que contiene 4,7 g de dicho ácido en
100 ml. DATOS: Ka (ácido nitroso) = 5·10-4.
Rta: pH=1,51
25. Una disolución 0,1 M de ácido propanoico, CH3CH2COOH, tiene un pH = 2,95. Hallar la
constante de acidez del ácido propanoico y su grado de disociación.
Rta: Ka = 1,26x10-5. α = 1,122%
26. Hallar el pH y el grado de disociación (α) de un ácido acético 0,5 M. Si a un litro del
mismo se añaden 0,02 moles de ácido nítrico (sin que varíe el volumen). Hallar ahora el grado
de disociación y el pH. ( pKa ac. acético = 4,7).
Rta: α = 0,001 = 0,1%. pH = 1,69.
27. La hidracina es una base débil con Kb = 2·10-6, que se ioniza en el agua según:
N2H4 (aq) + H2O (l) ⇌ N2H5+ (aq) + OH- (aq)
Hallar el pH y la concentración del ion hidracinio, N2H5+, en una disolución 0,2 M de hidracina
en agua.
Rta: pH = 10,78, La Concentración de hidracinio es 0,0006 M
28. El ácido sulfúrico es un ácido diprótico, siendo muy fuerte en su primera ionización,
mientras que en la segunda tiene una Ka2 = 0,0126. Hallar el pH y las concentraciones de todas
las especies presentes en una disolución 0,09M de ácido sulfúrico.
Rta: pH = 1. [H2SO4]= 0,08 M, [H+]= 0,1 M y [SO4-2] = 0,01 M.
29. ¿Qué sucede cuando se disuelve cloruro de amonio en agua? Escribir la reacción y
analizarla según la teoría ácido-base de Brönsted. Hallar el pH de una disolución 0,25 M de
cloruro de amonio sabiendo que la constante de basicidad del amoníaco es: Kb = 1,8·10-5.
Rta: pH = 4,92.
30. A 400 mL de disolución 0,4 M de una base muy débil, de pH= 8,60, se le añaden “n”
moles de la base pura sin que el volumen varíe. Si el nuevo pH fue 9,10, hallar n.
31. El pH de una disolución de acetato de sodio es 8,35. Calcular la concentración de esta
disolución si Ka del ácido acético es 1,8·10-5.
Rta: 0,009 M
32. ¿Qué volumen de ácido nítrico 0,1M neutraliza a una mezcla de 0,5 g de hidróxido sódico
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y 0,8 g de hidróxido potásico?
Rta: 268 mL
33. Hallar el pH y las concentraciones finales de todas las especies presentes en una disolución
0,8 M de nitrito de calcio. Ka(ácido nitroso) = 4·10-4.
Rta: pH = 8,30
34. El ácido cianhídrico (HCN), es un ácido es muy débil (Ka=7,2·10-10). A 1 litro de HCN
2M, se añaden 0,0018 moles de cianuro de calcio, sin variación apreciable del volumen de la
disolución. Hallar las concentraciones de las especies presentes en la disolución y el pH de la
misma.
Rta: pH = 6,40.
35. Hallar el volumen de ácido sulfúrico 0,2 M necesario para neutralizar: a) 25 mL de
disolución 0,4 M de hidróxido de sodio b) 80 mL de disolución 0,2 M de hidróxido de calcio.
Rta: Vol a = 25 ml. Vol b = 80 ml
36. Tenemos 10 gramos de una mezcla de NaOH y KOH, añadimos agua hasta tener 200
ml de disolución, tomamos 50 ml y valoramos con HCl 0,5 M, gastándose 112,15 ml de ella.
Hallar los gramos de NaOH en la mezcla.(MMR NaOH=40, MMR KOH=56).
Rta: Son necesarios 6,4 g de NaOH
37. Tenemos 200 mL de disolución 0,2 M de NaOH, y añadimos disolución 0,4 M de un ácido
débil monoprótico (HA) de Ka=4·10-6. Determinar el pH si se añaden: (a) 100 mL de la
disolución ácida (b) 300 mL de la disolución ácida. (Suponer volúmenes aditivos).
Rta: a) pH = 9,26; b) pH = 5,09.
38. El ácido acético es un ácido débil. Su constante de disociación es aproximadamente 2x10-5.
Calcular:
a- El pH de una solución 0,5 M del ácido
b- El pH de una solución amortiguadora 0,5 M de ácido acético y 0,5 M de acetato de sodio.
c- Explicar el efecto ejercido por la sal sobre el valor del pH.
-5
39. Hallar el pH de una disolución 0,1 M de NH4NO3, siendo Kb (NH3)= 1,8·10 .
Rta: 5,12.
40 Hallar el pH de la disolución de 100 ml de HCl 0,2 M: y: (a) 100 ml de NH3 0,2 M (b) 100
-5
ml de NH 0,4 M. (Kb(NH )=2·10 ). (Suponer volúmenes aditivos).
3
Rta: pH 5,15 y 9,30
3