Lic. Quím. Jenny Fernández Vivanco

CICLO 2012-I Módulo: IUnidad: II I Semana: 5

QUIMICA GENERAL

ORIENTACIONES

Se recomienda revisar las bases teóricas en su guía didáctica de química general.

Es necesario que dedique dos horas diarias a su estudio, consultando los libros o textos de lectura obligatorios y el material impreso que se le ha entregado.

Es obligatorio que revise los videos complementarios que se le adjunta sus respectivos link en internet.

Equilibrio Dinámico

• Se presenta cuando dos procesos opuestos se llevan a cabo simultáneamente a igual velocidad.

H2O(l) H2O(g)

NaCl(s) NaCl(aq)H2O

Soluciones saturadas en presencia del sólido

Equilibrio líquido-vaporLa doble flecha indica La doble flecha indica

dinamicidad del sistemadinamicidad del sistema

Reacciones reversibles

• Son aquellas en las cuales los productos que se van formando, nuevamente reaccionan para formar los reactantes.

2 NO2 N2O4

Reacción Reacción directadirecta

N2O4 2 NO2

Reacción Reacción inversainversa

2 NO2 N2O4

Reacción en Reacción en equilibrioequilibrio

Equilibrio N2O4 - NO2

N2O4 congelado es incoloro

A Tª ambiente el N2O4 se

descompone en NO2 (marrón)

El equilibrio químico es el punto donde las concentraciones de

todas las especie son constantes

Equilibrio N2O4 - NO2

Reacciones en equilibrio

• rdirecta = r inversa

• Ambas reacciones ocurren con la misma rapidez por lo que no se aprecian cambios (la concentración de las sustancias se hace constante y se mantienen así a no ser que el sistema se perturbe)

Condición de equilibrio

-Las concentraciones no varían-Las velocidades directa e inversa se hacen iguales

Para la rxn A B rd = kd[A] ri = ki[B] kd[A]

ki[B]

Equilibrio químico

Con

cent

raci

ones

(m

ol/l)

Tiempo (s)

[HI]

[I2]

[H2]

10

Constante de equilibrio (Kc)

• En una reacción cualquiera: a A + b B c C + d Dla constante Kc tomará el valor:

• para concentraciones en el equilibrio• La constante Kc cambia con la temperatura• ¡ATENCIÓN!: Sólo se incluyen las especies

gaseosas y/o en disolución. Las especies en estado sólido o líquido tienen concentración constante y por tanto, se integran en la constante de equilibrio.

[ ] [ ]

[ ] [ ]

c d

c a b

C DK

A B

×=×

La constante de equilibrio

• En el equilibrio las concentraciones se hacen constantes y la relación entre ellas también será una constante. La aplicación de la LAM a rxns reversibles lleva a la expresión:

aA + bB(g) pP + qQ

[ ] [ ][ ] [ ]ba

qp

cKBA

QP=Constante de equilibrio en

función de las concentraciones molares

Carlos TimanáCEPRE-UNI

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Ejercicio 1: Escribir las expresiones de KC para los siguientes equilibrios químicos: a) N2O4(g) ( 2 NO2(g);b) 2 NO(g) + Cl2(g) ( 2 NOCl(g);c) CaCO3(s) ( CaO(s) + CO2(g); d) 2 NaHCO3(s) ( Na2CO3(s) + H2O(g) + CO2(g).

La constante de equilibrio en gases

• Para rxns en estado gaseoso podemos expresar la constante de equilibrio en función de las presiones parciales (en atmósferas)

• PA = [A](RT)• Al relacionar Kp y Kc: ∆n = ngas(productos) - ngas(reactivos)

( ) ( )( ) ( )ba

qp

PPP

PPK

BA

QP=

( ) ncP RTKK ∆=

Ejemplo 2: En un recipiente de 10 litros se introduce una mezcla de 4 moles de N2(g) y 12 moles de H2(g); •escribir la reacción de equilibrio; •si establecido éste se observa que hay 0,92 moles de NH3(g),•determinar las concentraciones de N2 e H2 en el equilibrio y la constante Kc.

Ejercicio 3: En un recipiente de 250 ml se introducen 3 g de PCl5, estableciéndose el equilibrio: PCl5(g) PCl3 (g) + Cl2(g). Sabiendo que la KC a la temperatura del experimento es 0,48, determinar la composición molar del equilibrio..

Características del equilibrio

• Es dinámicodinámico: la rxn no se detiene. Ambas rxns ocurren simultáneamente.

• Es elásticoelástico (espontáneo): se logra sin necesidad de fuerza o agente exterior. Si el sistema es perturbado, tratará espontáneamente de alcanzarlo nuevamente.

• Es una competenciacompetencia entre dos tendencias opuestas.

• Es independiente del caminoindependiente del camino que sigue la rxn y solo depende de las concentraciones finales de reactivos y productos.

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Constante de equilibrio (Kp) (continuación)

• Vemos, pues, que KP puede depender de la temperatura siempre que haya un cambio en el nº de moles de gases

pcc · pD

d [C]c (RT)c · [D]d (RT)d

Kp = ———— = —————————— = pA

a · pBb [A]a (RT)a · [B]b (RT)b

en donde ∆n = incremento en nº de moles de gases (nproductos – nreactivos)

∆= × ( ) nP CK K RT

Ejemplo 4: Calcular la constante Kp a 1000 K en la reacción de formación del amoniaco vista anteriormente. (KC = 1,996 ·10–2 M–2)

Ejercicio 5 : La constante de equilibrio de la reacción: N2O4 2 NO2 vale 0,671 a 45ºC . Calcule la presión total en el equilibrio en un recipiente que se ha llenado con N2O4 a 10 atmósferas y a dicha temperatura.Datos: R = 0,082 atm·l·mol-1·K-1.

Ejemplo 6: En un matraz de 5 litros se introducen 2 moles de PCl5(g) y 1 mol de de PCl3(g) y se establece el siguiente equilibrio: PCl5(g) ( PCl3(g) + Cl2(g). Sabiendo que Kc (250 ºC) = 0,042; a)a) ¿cuáles son las concentraciones de cada sustancia en el equilibrio?; b)b) ¿cuál es el grado de disociación?

Significado de la Keq

• Cuanto mayor sea K (Kc>1), mayor es la conversión de reactantes en productos.

• Cuanto menor sea K (Kc<1), menor es la conversión de reactantes en productos

Expresión de Keq: Sistemas homogéneos

Cuando todos los reactivos y productos están en una fase, el equilibrio es homogéneo.Cuando se trata de gases, todas las especies intervienen

Ejemplo: 3H2(g) + N2(g) 2 NH3(g)

[NH3]2 PNH3

Kc = Kp = [H2]3[N2] PH2 PN2

2

3

Kp = Kc (RT)2-(3+1) = Kc(RT)-2 R = 0,082 atm L / mol K

Expresión de Keq: Sistemas homogéneos

En soluciones líquidas no se considera el solvente; solo se consideran las especies cuya concentración cambia durante la rxn.Ejemplo:CH3COOH(ac) + C2H5OH(ac) CH3COOC2H5(ac) + H2O(l)

El H2O es solvente y su concentración no varía!!,

es una constante!!

[CH3COOC2H5]Kc =

[CH3COOH][C2H5OH]

Expresión de Keq: Sistemas heterogéneos

Si uno o más reactivos o productos están en fase diferente el equilibrio es heterogéneo.

CaCO3(s) CaO(s) + CO2(g)

La concentración de los sólidos y los líquidos puros permanecen constante durante la reacción.

Expresión de Keq: Sistemas heterogéneos

- La posición de equilibrio es independiente de la cantidad de sólido o líquidos, mientras algo esté presente.

- No es necesario que los términos correspondientes a líquidos o sólidos aparezcan en la constante de equilibrio.

- Para la descomposición de CaCO3:

CaCO3(s) CaO(s) + CO2(g)[ ]

[ ] [ ] [ ]

[ ]2

223

COconstant

.COconstantCOCaCO

CaO

=•=′∴

•=•=

cc

c

KK

K

Otro ejemplo:

C(s) + H2O(g) CO(g) + H2(g)

Kc = [H2O]2

[CO][H2]=

PH2O2

PCOPH2(RT)1

Ejemplo de equilibrios múltiples

N2O(g) + ½O2 2 NO(g) Kc= ?

Kc=[N2O][O2]½

[NO]2

=[N2][O2]½

[N2O][N2][O2]

[NO]2

Kc(2)

1Kc(3)= = 1.7x10-13

N2(g) + ½O2 N2O(g) Kc(2)= 2.7x10+18

N2(g) + O2 2 NO(g) Kc(3)= 4.7x10-31 [N2][O2]

[NO]2

=

[N2][O2]½

[N2O]=

Predicción de la dirección de una reacción

Definimos para una reacción en general, el cociente de reacción, Q:

CC CD

aA + bB cC + dD QQ = CA CB

c d

a b

A la derecha A la izquierda

Q = K

Efectos de los cambios en el equilibrioPrincipio de Le ChatelierPrincipio de Le Chatelier

Si un sistema químico en equilibrio es perturbado por un cambio en la

concentración, presión o temperatura, el sistema se

desplazará, si es posible, para contrarrestar la mayor parte de la

perturbación

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Relación entre Kc y α.

• Sea una reacción A S B + C.

• Si llamamos “c” = [A]inicial y suponemos que en principio sólo existe sustancia “A”, tendremos que:

• Equilibrio: A B + C• Conc. Inic. (mol/l): c 0 0• conc. eq(mol/l) c(1– α) c ·α c ·α • [B] · [C] c ·α · c ·α c ·α2

Kc = ———— = ————— = ——— [A] c · (1– α) (1– α)

• En el caso de que la sustancia esté poco disociada (Kc muy pequeña): α << 1 y

• Kc ≅ c ·α2

Ejemplo 7 : En un recipiente de 3 litros se introducen 0,6 moles de HI, 0,3 moles de H2 y 0,3 moles de I2 a 490ºC. Si Kc = 0,022 a 490ºC para 2 HI(g) 2 H2(g) + I2(g) •¿se encuentra en equilibrio?; •Caso de no encontrarse, ¿cuantos moles de HI, H2 e I2 habrá en el equilibrio?

Efectos de los cambios en el equilibrio:

Cambios en la concentración• Si C, la rxn se desplaza en el sentido que disminuya dicha C.• Si C, la rxn se desplaza en el sentido que aumente dicha C

• Ejemplo: SO2(g) + NO2(g) NO(g) + SO3

[NO][SO3]equilibrio: Kc =

[SO2][NO2]

si se introduce NO2, entonces la rxn consumirá NO2 ( )y se logrará un nuevo equilibrio con nuevas concentraciones que satisfagan el valor de Kc.

[NO]’[SO3]’nuevo equilibrio: Kc =

[SO2]’[NO2]’

rxn

Efectos de los cambios en el equilibrio:

Cambios en la concentración

Efectos de los cambios en el equilibrio:

Cambios en la presión• En sistemas gaseosos, al variar el volumen varía la

presión.• Si V P la rxn se desplazará hacia el lado

que aumente el ngas.

• Si V P la rxn se desplazará hacia el lado que disminuya el ngas.

• Ejemplo: 3H2(g) + N2(g) 2 NH3(g)

Si V P aumenta la producción

rxn

Efectos de los cambios en el equilibrio:Cambios en la temperatura

• Los cambios de T alteran el equilibrio y modifican el valor de Keq.

• Rxns endotérmicas: R + calor P– Si T calor la rxn consume calor – Si T calor la rxn produce calor

• Rxns exotérmicas: R P + calor– Si T calor la rxn consume calor – Si T calor la rxn produce calor

rxn

rxn

rxn

rxn

FACTORES QUE AFECTAN EL EQUILIBRIO ¿Hacia dónde se desplazará el equilibrio al: a)a) disminuir la presión? b)b) aumentar la temperatura?H2O(g) + C(s) O CO(g) + H2(g) (∆H > 0)

Efecto de la temperatura

Cr(H2O)6(aq) + 4Cl-(aq) CoCl42-(aq) + 6H2O(l)

Rosa claro Azul

Si ↓ T se obtiene color rosa, y si ↑ T la disolución se vuelve azul.

∆H > 0.

Efecto de la temperatura

Efectos de los cambios en el equilibrio:

adición de un catalizador

- El catalizador modifica el mecanismo de reacción, disminuyendo la energía de activación del proceso químico.- Disminuye el tiempo necesario para alcanzar el equilibrio- Pero no afecta la composición de la mezcla en el equilibrio (no se obtiene mayor cantidad de producto)

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Variaciones en el equilibrio

∀ ∆ [reactivos] > 0 →∀ ∆ [reactivos] < 0 ←∀ ∆ [productos] > 0 ←∀ ∆ [productos] < 0 →∀ ∆ T > 0 (exotérmicas) ←∀ ∆ T > 0 (endotérmicas) →∀ ∆ T < 0 (exotérmicas) →

∀ ∆ T < 0 (endotérmicas) ←

∀ ∆ p > 0 Hacia donde menos nº moles de gases

∀ ∆ p < 0 Hacia donde más nº moles de gases

MUY IMPORTANTE

MUY IMPORTANTE

Variación en el

equilibrio

CONCLUSIONES Y/O ACTIVIDADES DE INVESTIGACIÓN SUGERIDAS

Investigar lo siguiente:2. Dentro de los parámetros termodinámicos ¿Cuál de

ellos es el que le afecta mas el equilibrio termodinámico?

4. ¿Cuales son los requisitos que debemos tener en cuenta para que el equilibrio de un proceso se mantenga ?

GRACIAS