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Capítulo II
Equilibrio Químico
1. Naturaleza del equilibrio químico
2. La constante de equilibrio
3. Aspectos cuantitativos del equilibrio químico
4. Perturbación del equilibrio químico
5. Aplicaciones del equilibrio químico
Reacciones ácido-base (Capítulo III)
Reacciones de precipitación (Capítulo IV)
Reacciones de óxido-reducción (Capítulo V)
Equilibrio Físico:Líquido Vapor
Líquido
Vapor
Evaporación Condensación Equilibrio
Tiempo
Pre
sión Presión de vapor
0 20 40 60 80 1000
100
200
300
400
500
600
700
800
Pres
ión
de V
apor
(mm
Hg)
Temperatura (oC)
H2O(l) H2O(g)
Aumento de la temperatura
Aumento de la presión de vapor
Se representa con :tienen lugar la evaporación y la condensación
Es dinámico:ambos procesos ocurren a igual velocidad
Depende de la temperatura
El equilibrio físico:
2
Formación de estalactitas y estalagmitas:
En las grutas:
Gota de agua: H2O(l) + CO2(ac)
Depósitos: CaCO3(s)
CaCO3(s) + H2O(l) + CO2(ac) Ca2+(ac) + 2HCO3-(ac)
Reacción de disolución:
Ca2+(ac) + 2HCO3-(ac) CaCO3(s) + H2O(l) + CO2(g)
Reacción de precipitación:
Reacción química reversible
Ca2+(ac) + 2HCO3-(ac) CaCO3(s) + H2O(l) + CO2(g)
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En el laboratorio:
CaCl2(ac) NaHCO3(ac)
+
CaCO3(s) + CO2(g) + H2O (l)
CaCl2(ac) + NaHCO3 (ac)CaCO3(s)+ H2O (l) CO2(g)
+
Reacción de disolución
Reacción de precipitación
Tiempo
Mol
es
Ca2+
CO2
Cómo se alcanza el equilibrio?
Tiempo
Mol
es
Ca2+
CO2
Tiempo
Mol
es
Ca2+
CO2
DesdeReactantes
DesdeProductos
Con Reactantes y Productos
Ca2+(ac) + 2HCO3-(ac) CaCO3(s) + H2O(l) + CO2(g)
En el equilibrio: velocidad de la reacción de precipitaciónes igual a la
velocidad de la reacción de disolución
Características del equilibrio químicoReversible
Dinámico
Espontáneo
Descripción del equilibrio químico
La naturaleza y las propiedades del estado de equilibrio son las mismas, independientemente de la dirección desde la que se alcanza.
Situación permanente mantenida por la igualdadde las velocidades de dos reacciones químicasopuestas.
Un sistema evoluciona espontáneamente hacia el estado de equilibrio y sólo se aparta de esteestado por una perturbación externa.
Concentraciones de reactantes y productos
Función única a una dada temperatura
Constante de equilibrio, K
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a A + b B c C + d D K =[C]c [D]d
[A]a [B]b
Constante de equilibrio:
• La concentración de los productos siempreaparece en el numerador.
• La concentración de los reactantes siempreaparece en el denominador.
• Cada concentración siempre está elevada a unapotencia igual a su coeficiente estequiométrico en la ecuación balanceada.
• El valor de la constante de equilibrio sólo dependede la reacción específica y de la temperatura.
• La constante de equilibrio no tiene unidades.
N2O4(g) 2 NO2(g) K =[NO2]2
[N2O4]Incoloro Pardo
Experimentalmente:
N2O4(g) 2 NO2(g) K =[NO2]2
[N2O4]
0,2110,01720,00140,02000,00
0,2130,03100,00450,000,0200
0,2130,03100,0045
0,2110,02430,0028
0,04000,00
0,03000,00
4
3
2
1
T = 373K KC[NO2]/MEquilibrio
[N2O4]/MEquilibrio
[NO2]/MInicial
[N2O4]/MInicial
Incoloro Pardo
Experimentalmente:
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Formas de la constante de equilibrio:
P.V = n.R.T[A] =
nA
VPA = [A].R.T
N2O4(g) 2 NO2(g) KC =[NO2]2
[N2O4]
(PNO2/R.T)2
PN2O4/RTKC =
(PNO2)2.R.T
PN2O4.(RT)2
A(g) B(g)
(PNO2)2
PN2O4 . (RT)= =
KPKC . (RT)∆n =
Kf([A] y [B]) KC
KPf(PA y PB) [B] = nB
VPB = [B].R.T
Kp:
• La presión de los productos gaseosos siempreaparece en el numerador.
• La presión de los reactantes gaseosos siempreaparece en el denominador.
• Cada presión siempre está elevada a una potenciaigual a su coeficiente estequiométrico en la ecuación balanceada.
• El valor de la constante de equilibrio sólo dependede la reacción específica y de la temperatura.
• La constante de equilibrio no tiene unidades.
a A(g) + b B(g) c C(g) + d D(g) Kp =PC
c PDd
PAa PB
b
Por qué la K no tiene unidades?
Las concentraciones o presiones de reactantes y productos están referidas a concentraciones o presiones de referencia
A(g) B(g)Estrictamente, para:
KC ={[NO2]/Co}2
{[N2O4]/Co}
KP ={PNO2/Po}2
{PN2O4/Po}
Co = 1 M
Po = 1 bar
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Algunos ejemplos
H2(g) + I2(g) 2 HI(g) [HI]2
[H2].[I2]KC =
PHI2
PH2.PI2
KP =
∆n = 0 Kp = Kc???
(PHI/R.T)2
(PH2/R.T).(PO2/R.T)KC =
(PHI)2/(R.T)2
{(PH2).(PO2)}/(R.T)2=
∆n = ??
∆n = total moles productos gaseosos- total moles reactantes gaseosos
KC =(PHI)2
(PH2).(PO2)= KP
KC . (RT)∆n = KP
3 H2(g) + N2(g) 2 NH3(g)
Kc =[NH3]2
[H2]3.[N2]
PNH32
PH23.PN2
KP =
∆n = 2 – 4 = -2
KP = KC.(R.T)∆n
KP = KC.(R.T)−2
(PNH3/R.T)2
(PH2/RT)3.(PN2/R.T)Kc =
(PNH3)2/(R.T)2
{(PH2)3.(PN2)}/(R.T)4=
2
= KP.(R.T)2Kc =(PNH3)2
(PH2)3.(PN2)(R.T)2
Equilibrios heterogéneos: sólidos
S(s) + O2(g) SO2(g) [SO2]
[S].[O2]KC =
El estado de referencia para un sólido puroes el mismo sólido: [S]/Co = 1
KC =[SO2]
[O2]KP =
PSO2
PO2
Siempre que algo de sólido esté presente, sucantidad no afecta a la constante de equilibrio
Cómo se expresa la concentración de un sólido???
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Equilibrios heterogéneos: líquidos
Cómo se expresa la concentración de un líquido???
El estado de referencia para un líquido puroes el mismo líquido: [CS2]/Co = 1
2 CH4(g) + S8(s) 2 CS2(l) + 4 H2S(g)
[CS2]2.[H2S]4
[CH4]2KC =
KC =[H2S]4
[CH4]2KP =
PH2S4
PCH42
NH3(ac) + H2O(l) NH4+(ac) + OH-(ac)
KC =[NH4
+].[OH-]
[NH3].[H2O]
Solventes Líquidos puros
Concentración de reactantes y productos baja
El solvente se considera como un líquido puro
KC =[NH4
+].[OH-]
[NH3]
En la expresión de K
Se incluyen:
• Las concentraciones molares o presiones. parcialesde los reactantes y productos gaseosos.
• Las concentraciones molares de las especiesdisueltas.
NO se incluyen:
• Los reactantes o productos que son sólidos puros.
• Los reactantes o productos que son líquidos puros.
• Los reactantes o productos que participan comosolvente.
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Un caso particular: H2O
En fase gaseosa: CO(g) + H2O(g) CO2(g) + H2(g)
Como líquido puro:
Como solvente:
4 NH3(g) + 5 O2(g) 4 NO(g) + 6 H2O(l)
CH3COOH(ac) + H2O(l) H3O+(ac) + CH3COO-(ac)
KC =[H3O+].[CH3COO-]
[CH3COOH]
[H2].[CO2]
[CO].[H2O]KC = KP =
PH2.PCO2
PCO.PH2O
KC =[NO]4
[O2]5.[NH3]4KP =
PNO4
PO25.PNH3
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Formas alternativas de K:
C(s) + ½ O2(g) CO (g)
2 C(s) + O2(g) 2 CO (g)
KC(1) =[CO]
[O2]1/2
KC(2) =[CO]2
[O2]
KC(2) = KC(1)2
Cuando los coeficientes estequiométricos de unaecuación balanceada se multiplican por algún factor, K para la nueva reacción es la antigua K elevada al factor de multiplicación.
CH3COOH(ac) + H2O(l) H3O+(ac) + CH3COO-(ac)
CH3COOH(ac) + H2O(l) CH3COO-(ac) + H3O+(ac)
KC(1) =[H3O+].[CH3COO-]
[CH3COOH]
KC(2) =[CH3COOH]
[CH3COO-].[H3O+]
KC(2) = 1/KC(1)
Las K para una reacción y su inversa son recíprocasuna de la otra.
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Ag+(ac) + Cl-(ac) (1)AgCl(s)
Ag(NH3)2+(ac) (2)Ag+(ac) + 2 NH3(ac)
Ag(NH3)2+(ac) + Cl-(ac) (3)AgCl(s) + 2 NH3(ac)
+
KC(1) = [Ag+].[Cl-] KC(2) =[Ag(NH3)2
+]
[Ag+].[NH3]2
KC(3) =[NH3]2
[Ag(NH3)2+].[Cl-]
= KC(1) . KC(2)
[Ag+].[Cl-] .[Ag(NH3)2
+]
[Ag+].[NH3]2
Cuando dos o más ecuaciones químicas se suman paraproducir una ecuación neta, la K para esa reacción es el producto de las K de las reacciones sumadas.
Relaciones entre K
Ecuación Química
a A + b B c C + d D
a A + b Bc C + d D
na A + nb B nc C + nd D
K1
K2 = 1/K1
K3 = K1n
a A + b B c C + d D
e E + f F g G + h H
aA + bB + e E + f F cC + d D + g G + h H
K1
K4
K5 = K1 . K4
+
Constante de Equilibrio
Significado de la constante de equilibrio:
K Indica si los reactantes o los productos estánfavorecidos en el equilibrio a una dada temperatura
1
K Predice la dirección de una reacción químicafuera del equilibrio a una dada temperatura
2
Determina la composición en el equilibriopara un conjunto particular de concentraciones iniciales a una dada temperatura
K3
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Análisis de la constante de equilibrio:
Tiempo
Con
cen
trac
ión
Producto
Reactante
Tiempo
Con
cen
trac
ión
Producto
Reactante
[P] > [R] [P] < [R]K >> 1
Tiempo
Con
cen
trac
ión
ProductoReactante
[P] = [R]K ≈ 1
Reactante Producto K =[P][R]
K << 1Favorecido en
productosFavorecido en
reactantesNinguno está
favorecido
K Indica si los reactantes o los productos estánfavorecidos en el equilibrio a una dada temperatura
1
H2(g) + Cl2(g) 2 HCl (g) KP =PHCl
2
PH2 . PCl2
KP = 4,0 x 1018 a 500 K
N2(g) + O2(g) 2 NO (g) KP =PNO
2
PN2 . PO2
KP = 3,4 x 10-21 a 500 K
Valores grandes de K ( >103): favorece a los productos.
Valores intermedios de K (entre 10-3 y 103): ni losproductos ni los reactantes están muy favorecidos.
Valores chicos de K ( < 10-3): favorece a los reactantes.
2,5 * [Butano] =[Isobutano]
K Predice la dirección de una reacción química fueradel equilibrio a una dada temperatura
2
En el equilibrio:
Butano Isobutano
KC = 2,5 a 298 K
KC =[Isobutano]
[Butano]
0 1 2 3 40
2
4
6
8
10
[Isob
utan
o] /
M
[Butano] / M0 1 2 3 4
0
2
4
6
8
10
[Isob
utan
o] /
M
[Butano] / M
02,55
7,510
01234
[Isobutano]M
[Butano]M
Línea de equilibrio
11
0 1 2 3 40
2
4
6
8
10
[Isob
utan
o] /
M
[Butano] / MQ < K
Fuera del equilibrio: KC * [Butano] = [Isobutano]
Q > K
Q =[Isobutano]
[Butano]Cociente de reacción: Q K
[Butano] = 1 M[Isobutano] = 6 M
Q = 6
[Butano] = 4 M[Isobutano] = 3 M
Q = 0,75
Hacia reactantes
Hacia productos
Q = K En el equilibrio
Q > K
Q < K
Q Q
Los productos tiendena formar reactantes
Los reactantes tiendena formar productos
K Q
Reacción en equilibrio
Relación entre K y Q: