Capítulo 15. Equilibrio químico

Capítulo 15. Equilibrio químico
1.- Concepto de equilibrio y constante de equilibrio
2.- Expresiones de la constante de equilibrio
3.- Cinética química y equilibrio
4.- Aplicación de la constante de equilibrio
5.- Factores que afectan al equilibrio. El Principio de Le Chatelier
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1.- Concepto de equilibrio y constante de equilibrio
Equilibrio es un estado en el cual no se detectan cambios
observables a lo largo del tiempo
Equilibrio químico existe cuando:
•
Las velocidades de una reacción y de la reacción inversa
son iguales
•
Las concentraciones de los reactivos y los productos
permanecen constantes
Equilibrio físico
H2O (l)
H2O (g)
Equilibrio químico
N2O4 (g)
2NO2 (g)
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1
N2O4 (g)
2NO2 (g)
equilibrium
equilibrium
equilibrium
En el inicio NO2
En el inicio N2O4
En el inicio NO2 & N2O4
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constant
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2
aA + bB
K=
cC + dD
Constante de equilibrio, K, cociente cuyo numerador es el
producto de las concentraciones de los productos elevadas a
sus coefiecientes estequieométricos y el denominador el
prducto de las concentraciones de los reactivos elevadas a los
correspondientes coeficientes estequiométricos
[C]c[D]d
[A]a[B]b
Ley de acción de masas para una reacción reversible en equilibrio y a una
tempertura constante, una relación determinada de concentraciones de reactivos
y productos tiene un valor constante K (constante de equilibrio)
K >> 1
K << 1
Equilibrio desplazado hacia los productos
Equilibrio desplazado hacia los reactivos
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2.- Expresiones de la constante de equilibrio
Equilibrio homogéneo son reacciones en las que todas las
especies reactivas están en la misma fase.
N2O4 (g)
Kc =
[NO2]2
[N2O4]
Kp =
2
PNO
2NO2 (g)
2
PN2O4
aA (g) + bB (g)
En la mayoría de los casos
Kc ≠ Kp
cC (g) + dD (g)
Kp = Kc(RT)∆n
∆n = moles productos fase gas – moles de reactivos fase gas
= (c + d) – (a + b)
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3
Ejemplo
CH3COOH (aq) + H2O (l)
Kc‘ =
CH3COO- (aq) + H3O+ (aq)
[CH3COO-][H3O+]
[CH3COOH][H2O]
Kc =
[H2O] = constante
[CH3COO-][H3O+]
= Kc‘ [H2O]
[CH3COOH]
La constante de equilibrio es un número adimensional
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Las concentraciones en el equilibrio de una reacción entre
monóxido de carbono y cloro para formas COCl2 (g) a 740C son
[CO] = 0.012 M, [Cl2] = 0.054 M, y [COCl2] = 0.14 M. Calcule las
constantes de equilibrio Kc y Kp.
CO (g) + Cl2 (g)
Kc =
COCl2 (g)
[COCl2]
0.14
=
= 220
[CO][Cl2]
0.012 x 0.054
Kp = Kc(RT)∆n
∆n = 1 – 2 = -1
R = 0.0821
T = 273 + 74 = 347 K
Kp = 220 x (0.0821 x 347)-1 = 7.7
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La constante de equilibrio Kp para la reacción
2NO2 (g)
2NO (g) + O2 (g)
es 158 a 1000K ¿Cuál es la presión en el equilibrio de of O2 si
PNO2 = 0.400 atm y PNO = 0.270 atm?
Kp =
2
PNO
PO2
2
PNO
2
PO2 = Kp
2
PNO
2
2
PNO
PO2 = 158 x (0.400)2/(0.270)2 = 347 atm
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Equilibrio heterogéneo son reacciones en las cuales
intervienen reactivos y productos en diferentes fases.
CaCO3 (s)
Kc‘ =
[CaO][CO2]
[CaCO3]
Kc = [CO2] = Kc‘ x
[CaCO3]
[CaO]
CaO (s) + CO2 (g)
[CaCO3] = constante
[CaO] = constante
Kp = PCO2
La concentración de los sólidos y los líquidos puros no se incluyen en
la expresión de la constante de equilibrio ya que es una propiedad
intensiva que no depende de la cantidad de materia.
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Ejemplo
CaCO3 (s)
CaO (s) + CO2 (g)
PCO 2 = Kp
PCO 2 no depende de la cantidad de CaCO3 o CaO
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Considere el siguiente equilibrio a 295 K:
NH4HS (s)
NH3 (g) + H2S (g)
La presión parcial de cada gas es 0.265 atm. Calcule Kp y Kc.
Kp = PNH PH S = 0.265 x 0.265 = 0.0702
3
2
Kp = Kc(RT)∆n
Kc = Kp(RT)-∆n
∆n = 2 – 0 = 2
T = 295 K
Kc = 0.0702 x (0.0821 x 295)-2 = 1.20 x 10-4
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Equilibrio múltiples
A+B
C+D
Kc‘
C+D
E+F
Kc‘‘
A+B
E+F
Kc
Kc‘ =
[C][D]
[A][B]
Kc =
Kc‘‘ =
[E][F]
[C][D]
[E][F]
[A][B]
Kc = Kc‘ x Kc‘‘
Si la reacción se puede expresar con la suma de dos o más
reacciones, la constante de equilibrio para la reacción global
está dada por el producto de las constantes de equilibrio de
las reacciones parciales.
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La constante de equilibrio de un proceso en el sentido
opuesto es el inverso de la constante de equilibrio original.
N2O4 (g)
K=
[NO2]2
[N2O4]
2NO2 (g)
= 4.63 x 10-3
2NO2 (g)
K‘ =
[N2O4]
[NO2]2
N2O4 (g)
=
1
= 216
K
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La expresión de la constante de equlibrio de un proceso
depende de como esté balanceada la ecuación química.
2NO2 (g)
K=
N2O4 (g)
[N2O4]
[NO2]2
NO2 (g)
K=
1/2N2O4 (g)
[N2O4]1/2
[NO2]
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Expresión de la constante de equilibrio
•
Las concentraciones de los reactivos y productos en fase
condensada se expresan en M y en fase gaseosa en M o
en atm.
•
La concentración de sólidos puros y líquidos puros no
aparecen en las expresiones de la constante de equilibrio.
•
La constante de equilibrio es una cantidad adimensional.
•
Al dar el valor de la constante de equilibrio se debe indicar
la tempertura y la ecuación balanceada.
•
Si la reacción se puede expresar como suma de dos o más
reacciones, la constante de equilibrio de la reacción global
está dada por el producto de las constantes de equilibrio
de las reacciones individuales.
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3.- Cinética y equilibrio químico
A + 2B
kf
kr
AB2
Cinética
Equilibrio
velocidadf = kf [A][B]2
velocidadr = kr [AB2]
velocidadf = velocidadr
kf [A][B]2 = kr [AB2]
Cinética-Equilibrio
kf
[AB2]
= Kc =
kr
[A][B]2
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4.- Aplicación de la constante de equilibrio
Cociente de reacción (Qc) para reacciones que no han conseguido el
equilibrio resulta de sustituir las concentraciones iniciales de reactivos y
productos en la expresión de la constante de equilibrio.
•
Qc < Kc Para conseguir el equilibrio la reacción evoluciona hacia la derecha
•
Qc = Kc El sistema está en equilibrio
•
Qc > Kc Para conseguir el equilibrio la reacción evoluciona hacia la
izquierda
ReactivosJProductos
Equilibrio
ReactivosIProductos
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Cálculode
delas
lasconcentraciones
concentracionesen
enel
elequilibrio
equilibrio
Cálculo
1. Expresar las concentraciones en el equilibrio de todas las
especies en términos de las concentraciones iniciales y
una sola variable x que represente el cambio de
concentración.
2. Escribir la expreseión de la constante de equilibrio en
términos de las concentraciones en el equilibrio. Si se
conoce el calor de la constante de equilibrio, despejar y
obtener el valor de x.
3. Calcular las concentraciones en le equilibrio apartir del
valor de x.
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A 12800C la constante de equilibrio (Kc) para la reacción
Br2 (g)
2Br (g)
es 1.1 x 10-3. Si las concentraciones iniciales son [Br2] = 0.063 M
y [Br] = 0.012 M, calcular las concentraciones de estas especies
en el equilibrio.
Br2 (g)
2Br (g)
Inicial (M)
0.063
0.012
Cambio (M)
-x
+2x
0.063 - x
0.012 + 2x
Equilibrio (M)
Kc =
[Br]2
[Br2]
Kc =
(0.012 + 2x)2
= 1.1 x 10-3
0.063 - x
Calcular x
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10
(0.012 + 2x)2
= 1.1 x 10-3
0.063 - x
4x2 + 0.048x + 0.000144 = 0.0000693 – 0.0011x
4x2 + 0.0491x + 0.0000747 = 0
-b ± √b2 – 4ac
x=
ax2 + bx + c =0
2a
Kc =
x = -0.0105 x = -0.00178
Br2 (g)
2Br (g)
Inicial (M)
0.063
0.012
Cambio (M)
-x
+2x
0.063 - x
0.012 + 2x
Equilibrio (M)
En el equilibrio, [Br] = 0.012 + 2x = -0.009 Mor 0.00844 M
En el equilibrio, [Br2] = 0.062 – x = 0.0648 M
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5.- Factores que efectan al equilibrio. El Principio de
Le Chatelier.
Elprincipio
principiode
deLe
LeChatelier
Chatelier
El
Si se aplica una tensión externa a un sistema en equilibrio,
el sistema desplaza suposición de equilibrio de modo que se
contrarresta el efecto de la tensión.
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Cambio en la concentración
N2 (g) + 3H2 (g)
2NH3 (g)
NH3
El equilibrio se desplaza hacia
la izquierda para anular la
modificación
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Cambio en la concentración (y II)
aA + bB
cC + dD
Cambio
Desplazamiento
equilibrio
Aumento de la concentración de producto(s)
izquierda
Disminución de la concentración de producto(s)
derecha
Incremento de la concentración de reactivo(s)
derecha
Disminución de la concentración de reactivo(s)
izquierda
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Cambios de volumen y presión
A (g) + B (g)
C (g)
Desplazamiento equilibrio
Cambio
Aumento presión
A disminuir el número de moles de gas
Disminución presión
A aumentar el número de moles de gas
Incremento volumen
A aumentar el número de moles de gas
Disminución volumen
A disminuir el número de moles de gas
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Cambio en la temperatura
Co(H2O)62+(ac)+4Cl– (ac)
rosa
Cambio
Aumento de temperatura
Disminución de temperatura
CoCl42 –(ac) + 6H2O(l)
∆H>0
azul
Exotérmica (∆H<0)
Endotérmica ∆H>0
K disminuye
K aumenta
K aumenta
K disminuye
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Efecto del catalizador sobre el equilibrio
no catalizada
catalizada
El catalizador disminuye Ea pero en los dos sentidos de la reacción
El catalizador no cambia la constante de equilibrio ni desplaza el equilibrio
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