Capitulo 14 Raymond ChangEquilibrio Qumico

El equilibrio es un estado, en el que no se observan cambios durante el tiempo transcurrido. Cuando una reaccin qumica llega al estado de equilibrio, las concentraciones de reactivos y productos permanecen constantes en el tiempo, sin que produzcan cambios visibles en el sistema. Sin embargo, a nivel molecular existe una gran actividad, debido a que las molculas de reactivos siguen formando molculas de productos, y estas a su vez reaccionan para formar molculas de reactivos. Equilibrio y constante de equilibrio:

El equilibrio qumico es un proceso dinmico. Se puede comparar al movimiento de los esquiadores en un centro de esqu repleto de personas, donde el nmero de esquiadores que suben a la montaa por el telefrico es igual al nmero de esquiadores que bajan deslizndose. Cabe sealar que en un equilibrio qumico, participan distintas sustancias como reactivos y productos. El equilibrio entre dos fases de la misma sustancia se denomina equilibrio fsico porque los cambios que suceden son procesos fsicos.

La constante de equilibrio:

Las concentraciones de los gases se expresan en molaridad y se pueden calcular a partir del nmero de moles de gases presentes al inicio, del nmero de moles en el equilibrio y del volumen de la matriz en litros.Este proceso puede generalizarse con la siguiente reaccin reversible:

Donde a, b, c, d son coeficientes estequiometricos de las especies reactivas A, B, C, D.Para la reaccin a una temperatura dada:

Donde K es la constante de equilibrio.Por consiguiente, a constante de equilibrio se define por un cociente, cuyo numerador se obtiene multiplicando las concentraciones de equilibrio de los productos, cada una de las cuales esta elevada a una potencia igual a su coeficiente estequiometricos en la ecuacin balanceada. El denominador se obtiene aplicando este mismo procedimiento para las concentraciones de equilibrio de los reactivos. La magnitud de la constante de equilibrio indica si una reaccin en equilibrio es favorable a los productos o los reactivos. Si K es mayor que 1, el equilibrio se desplazara hacia la derecha y favorecer a los productos, mas sin embargo, si K es menor a 1 el equilibrio se desplazara a la izquierda y favorecer a los reactivos.

Existen:1.- Equilibrios homogneos: Se aplican a las reacciones en las que todas las especies reactivas se encuentran en la misma fase. La disociacin del N2O4 es un ejemplo de equilibrio homogneo en fase gaseosa:

Observe que el subndice en Kc indica que las concentraciones de las especies reactivas se expresan en molaridad o moles por litro. Las concentraciones e los reactivos y productos en las expresiones de gases tambin se pueden expresar en trminos de sus presiones parciales. De la ecuacin: se deduce que, a una temperatura constante, la presin P de un fas esta en relacin directa con la concentracin en mol/L del gas, es decir, As la constante para el proceso de equilibrio,

Puede expresarse como;

Donde son las presiones parciales del equilibrio (en atm) de y , respectivamente. El subndice indica que las concentraciones en el equilibrio estn expresadas en trminos de presiones.

2.- Equilibrios heterogneos: Como es de esperarse, una reaccin reversible en la que intervienen reactivos y productos en distintas fases conduce a un equilibrio heterogneo.Por ejemplo;

Donde la sirve para distinguirla de la forma final de la constante de equilibrio, que se obtiene al realizar la operacin. 3.- Equilibrios mltiples: Las reacciones estudiadas hasta ahora son relativamente simples. Sin embargo, existen sistemas en equilibrio mas complicados en los que las molculas de producto de un equilibrio participan en un segundo proceso de equilibrio:

Donde esto representara:

Podemos obtener esta misma expresin al multiplicar las constantes :

Por tanto:

Reglas para escribir las expresiones de las constantes de equilibrio:1. Las concentraciones de las especies reactivas en fase condensada se expresan en mol/L o en atm. se relaciona con mediante una ecuacin simple:

Es decir:

2. Las concentraciones de slidos puros, lquidos puros (en equilibrios heterogneos) y los disolventes (equilibrios homogneos) no aparecen en las expresiones de la constante de equilibrio.3. La constante de equilibrio () es una cantidad a dimensional.4. Al sealar un valor para la constante de equilibrio, necesitamos especificar la ecuacin balanceada y la temperatura.5. Si una reaccin representa la suma de dos o ms reacciones, la constante de equilibrio para la reaccin global esta dada por el producto de las constantes de equilibrio de las reacciones individuales.

Relacin entre cintica y constante de equilibrio.La magnitud de K, que se define en la ecuacin:

Es constante a la temperatura dada y no depende de las variaciones de cada una de las concentraciones de equilibrio. En resumen, desde el punto de vista de la cintica qumica, podemos observar que la constante de equilibrio de una reaccin se expresa como una relacin de las constantes de rapidez de las reacciones entre un sentido y otro. Este anlisis explica por que la constante de equilibrio es una constante y porque su valor cambia con la temperatura.Representacin:

Se iguala:

Debido a que son constantes a una temperatura dada, su coeficiente tambin es una constante, la cual es igual a la constante de equilibrio ,

Problemas:1.- La constante de equilibrio (Kc) para la reaccin:

Es: 4.17x 1 a 25C. Cul es la constante de equilibrio a la misma temperatura? Para la siguiente reaccin:

Entonces:

Para:

2.- En un experimento a 230C se encontr que las concentraciones de equilibrio de las especies reactivas son: [NO]= 0.0542 M, [O2] = 0,127 M y [NO2] = 15.5 MCalcule la constante de equilibrio.Solucin: Sustituyendo: Entonces:

3. La constante de equilibrio Kp obtenida para la descomposicin del pentacloruro de fosforo en tricloruro de fosforo y di cloro molecular, es de 1.05 a 250C. Si las presiones parciales en el equilibrio de PCl5 y PCl3 son de 0.875 atm y 0.463 atm respectivamente, Cul es la presin parcial del equilibrio Cl2 a esta temperatura?Solucin:

Sustituyendo:

4. El metanol (CH3OH) se elabora industrialmente mediante la reaccin: CO + 2H2 = CH3OHLa constante de equilibrio para la reaccin es de 10.5 a 220C. Cual es el valor de Kp a esa temperatura?Solucin:

T= 273+220= 493

Entonces:

5. Escriba la expresin de las constantes de equilibrio Kc y Kp que corresponde a:

Solucin:

Y

6. Escriba la expresin de las constantes de equilibrio Kc y Kp que corresponde a:

Solucin: De manera que no hay gases, solo se puede representar mediante Kc:

7. Escriba la expresin de las constantes de equilibrio Kc y Kp que corresponde a: Resolucin:Dado que P4 por ser solido y Pcl3 por ser lquido no tienen expresin en constante de equilibrio, Kc estar dado mediante 6Cl2:

Y

8. Calcule Kp y Kc para CaO3 CaO + CO2La presin de CO2 es de 0.236 atm a 800C.Solucin:

= 0.236Aplicamos:

T= 800 + 273 = 1073 K = 1Sustituimos:

9. Escriba la expresin de la constante de equilibrio para:N2 + 3H2 2NH3Solucin:

10. Escriba la expresin de la constante de equilibrio para: N2 + 3/2H2 NH3Solucin:

10. Escriba la expresin de la constante de equilibrio para:1/3 N2 + H2 2/3 NH3 Solucin:

11. Escriba las expresiones de constante de equilibrio Kp de:2NaHCO3 Na2CO3 + CO2 +H2O

12. Escriba las expresiones de constante de equilibrio Kp de:2CaSO4 2CaO + 2SO2 + O 2Resolucin:

13. Escriba las expresiones de las constantes de equilibrio para Kc o Kp si es el caso, ambas:2CO2 2CO + O2Resolucin:

14. Escriba las expresiones de las constantes de equilibrio para Kc o Kp si es el caso, ambas:3 O2 2 O3Resolucin:

15. Escriba las expresiones de las constantes de equilibrio para Kc o Kp si es el caso, ambas:CO + CL2 COCl2Resolucin:

16. Escriba las expresiones de las constantes de equilibrio para Kc o Kp si es el caso, ambas:H20 + C CO + H2Resolucin:

17. Escriba las expresiones de las constantes de equilibrio para Kc o Kp si es el caso, ambas:HCOOH H + HCOOResolucin: