Equilibrio Quimico e Ionico

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  • Qumica GeneralPetrucci Harwood Herring 8 Edicin 2003 Prentice-HallEQUILIBRIO QUMICO Principios de Qumica Atkins Jones 3er Edicin 2006Editorial Mdica PanamericanaQumica La ciencia central Brown LeMay Bursten 9 Edicin 2004Pearson Educacin

  • CONTENIDOSReversibilidad de las reacciones. Equilibrio dinmico y la ley de accin de masas.Expresin de la constante de equilibrio, K.Relaciones entre las constante de equilibrio.Significado del valor numrico de una constante de equilibrio. Direccin de una reaccin. Principio de Le Chatelier. - Adicin y extraccin de reactivos.- Compresin de una mezcla de reaccin.- Temperatura y equilibrio.- Catalizadores.

  • EQUILIBRIO DINMICOPresin de vaporSolucin saturada

  • Un sistema est en equilibrio dinmico cuando dos procesos opuestos tienen lugar a la misma velocidad. H2O (l) H2O (g)I2 (H2O) I2 (CCl4)CO (g) + 2H2 (g) CH3OH (g)

  • Las reacciones qumicas alcanzan un estado de equilibrio dinmico en el cual las velocidades de reaccin directa e inversa son iguales y no hay cambio neto en la composicin. EQUILIBRIO QUMICOLos criterios que identifican un equilibrio qumico son: Tienen lugar tanto la reaccin directa como su inversa.Lo hacen a velocidades iguales (no hay cambio neto). Consideremos la reaccin que tuvo lugar cuando Haber calent nitrgeno e hidrgeno bajo presin en presencia de cantidades pequeas de hierro:N2 (g) + 3 H2 (g) 2 NH3 (g)2 NH3 (g) N2 (g) + 3 H2 (g)N2 (g) + 3 H2 (g) 2 NH3 (g)

  • EXPRESIN DE LA CONSTANTE DE EQUILIBRIO

    Datos de equilibrio y constante de equilibrio para la reaccin: 2 SO2 (g) + O2 (g) 2 SO3 (g)PSO2 (bar)PO2 (bar)PSO3 (bar)P (bar)K5,49 x 10-23,24 x 10-22,21 x 10-48,75 x 10-25,00 x 10-43,16 x 10-31,83 x 10-29,49 x 10-62,15 x 10-24,93 x 10-49,15 x 10-39,15 x 10-31,96 x 10-51,83 x 10-25,02 x 10-47,90 x 10-27,32 x 10-24,75 x 10-40,1534,93 x 10-40,1200,1651,08 x 10-30,2864,89 x 10-4

  • En 1864 los noruegos Cato Guldberg (matemtico) y Peter Waage (qumico) descubrieron la relacin matemtica que resume la composicin de una mezcla de reaccin en equilibrio. Pi = presin parcial de equilibrio del gas.P = 1 bar, la presin estndar.Para simplicar la notacin escribiremosConstante de equilibrioCada presin parcial est elevada a una potencia igual al coeficiente estequiomtrico en la ecuacin qumica balanceada para la reaccin.

  • Guldberg y Waage (1864) postularon la ley de accin de masas que expresa la relacin entre las concentraciones (expresadas como presiones parciales en el caso de gases y como molaridades en el de soluciones) de los reactivos y productos presentes en el equilibrio en cualquier reaccin. Para la ecuacin general:a A + b B c C + d DSegn la ley de accin de masas la siguiente ecuacin expresa la condicin de equilibrio cuando todos los reactivos y productos estn en fase gaseosa: Si los reactivos y productos estn en solucin

  • Para una reaccin donde reactivos y productos estn en solucin K debera escribirse en trminos de la relacin adimensional de [J]/c (c concentracin estndar = 1M), es prctica comn escribir la K en funcin slo de [J] e interpretarla como la molaridad sin unidades. Se encontr en forma emprca y est justificado termodinmicamente que los slidos o lquidos puros no deben aparecer en K. Ejemplo: CaCO3 (s) CaO (s) + CO2 (g)

    Kp = PCO2

  • Podemos resumir de manera emprica estas reglas introduciendo el concepto de actividad, aj, de una sustancia J: Para un gas ideal, aj = Pj/P, simplicada en ecuaciones a aj = Pj. Para un soluto en una solucin ideal, aj = [J]j/c, simplificada en ecuaciones a aj = [J]j.Para un slido o lquido puro, aj = 1.

    En trminos de actividades la constante de equilibrio para cualquier reaccin es:

    Constante de equilibrio termodinmica.

  • RELACIN ENTRE Kc Y Kp KP = Kc(RT)nKc = KP(RT) -n n = n productos n reactantes

  • Los equilibrios pueden ser homogneos cuando reactivos y productos estn en la misma fase. Por ejemplo: 2 SO2 (g) + O2 (g) 2 SO3 (g)

    Mientras que, el equilibrio en sistemas que tienen ms de una fase se denomina heterogneo. Por ejemplo: CaCO3 (s) CaO (s) + CO2 (g)Equilibrio para la reaccin: CaCO3 (s) CaO (s) + CO2 (g): (a) La decomposicin del CaCO3 (s) produce unos pocos grnulos de CaO (s), junto con CO2 (g). (b) A la misma temperatura, la introduccin de ms CaCO3 (s) y/o ms CaO (s) no modifica la presin parcial del CO2 (g), que mantiene el mismo valor de (a).

  • Si bien, las concentraciones del carbonato de calcio y del oxido de calcio no participan de la expresin de la constante deben estar presentes en el sistema para alcanzar el equilibrio.Kc = [CO2] Kp = PCO2(RT)

  • RELACIONES ENTRE CONSTANTES DE EQUILIBRIOSi se invierte una ecuacin qumica, se invierte el valor de K.Si se multiplica la ecuacin qumica por un factor n, se debe elevar Kc a la potencia de n.

    Ecuacin qumicaConstante de equilibrioa A + b B c C + d DK1c C + d D a A + b BK2 = 1/K1 = (K1)-1na A + nb B nc C + nd DK3 = (K1)n

  • MAGNITUD DE LA CONSTANTE DE EQUILIBRIOK1Desplazado a la derechaK1Desplazado a la izquierda

    Si K es grande los productos se ven favorecidos en el equilibrio; si K es pequea, los reactivos se ven favorecidos.

  • DIRECCIN DE UNA REACCIN Dado el siguiente sistema: a A + b B c C + d D cmo saber si est en equilibrio?, si no lo est tender a formar reactivos o productos?Para contestar estas preguntas debemos calcular el cociente de reaccin Q y comparalo con Kc. El cociente de reaccin Q tiene la misma expresin que Kc pero utilizando las concentraciones en el tiempo (t.)

  • Una reaccin tiende a formar productos si Q < K y a formar reactivos si Q > K.

    Relacin entre Q y KSentido de la reaccinQ > KQ = KEquilibrioQ < K

  • Ejemplo:

    1) Suponga que se colocan 3,12 g de PCl5 en un vaso de reaccin de 500 mL y se le permite a la muestra alcanzar el equilibrio con sus productos de descomposicin PCl3 y Cl2 a 250 C, cuando K = 78,3. Las tres sustancias son gases a 250 C. (a) Cules son las concentraciones en moles por litro de todas las especies en el equilibrio? (b) Cul es el porcentaje de descomposicin del PCl5? PCl5 (g) PCl3 (g) + Cl2 (g)

  • PPCl3 PCl2 x . x x2 K = = = PPCl5 (1,29 x) (1,29 x)

    (a)

    P (atm)PCl5PCl3Cl2

    Inicial1,29------Cambio-xxxEquilibrio1,29 x x x

  • x2 + 78,3x 101,007 = 0

    -78,3 (78,3)2 4 x 101,007x = 1,27 o 79,57; 2PPCl3 = 1,27 atm.PCl2 = 1,27 atm.PPCl5 = 1,29 1,27 = 0,01 atm.

    x = 1,27(b) El porcentaje de descomposicin es igual al cambio en la presin parcial multiplicado por 100%.

    1,27 x 100% = 98,45% 1,29

  • PRINCIPIO DE LE CHTELIER El qumico francs Henry Le Chtelier (1850-1936) identific el principio general que permite predecir cmo cambia la composicin de una mezcla de reaccin en el equilibrio cuando se alteran las condiciones.Principio de Le Chtelier: cuando se aplica un cambio a un sistema en equilibrio dinmico, el equilibrio tiene a ajustarse para reducir el efecto de ese cambio.

  • ADICIN Y EXTRACCIN DE REACTIVOS O PRODUCTOSIMPORTANTE: el valor de K no cambia al alterar las concentraciones. Solo cambia el valor de Q y siempre en una forma que acerca su valor al de K. Por ejemplo:Cuando [reactivo] el cociente de reaccin Q < K, por lo tanto, la reaccin responde formando productos.Cuando [producto] Q > K, la reaccin responde formando reactivos.Cuando se aade un reactivo a una mezcla de reaccin en el equilibrio, la reaccin tiende a formar productos. Cuando se extrae un reactivo, tienden a formarse ms reactivos. Cuando se aade un producto, la reaccin tiende a formar reactivos. Cuando se extrae un producto, se forman ms productos.

  • COMPRESIN DE UNA MEZCLA DE REACCINLa compresin de una mezcla de reaccin en el equilibrio tiende a conducir la reaccin en la direccin que reduzca la cantidad de molculas en fase gaseosa; el aumento de la presin mediante la introduccin de un gas inerte no tiene efecto sobre la composicin de equilibrio. Un cambio en la presin del sistema slo afecta a las reacciones qumicas cuyos componentes se encuentran en fase gaseosa. Este factor no produce perturbaciones sobre equilibrios en solucin acuosa o con slidos presentes.

  • TEMPERATURA Y EQUILIBRIO La elevacin de la temperatura de una reaccin exotrmica favorece la formacin de reactivos; la elevacin de la temperatura de una reaccin endotrmica favorece la formacin de los productos. La temperatura es el nico factor capaz de modificar el valor numrico de K.

  • % NH3 en el equilibrio

  • Sntesis del amoniacoLas condiciones ptimas son slo para obtener la posicin de equilibrio, pero no tienen en cuenta la velocidad a la que se consigue el equilibrio.

  • Un catalizador es una sustancia que incrementa la velocidad de una reaccin qumica sin ser autoconsumida. Un catalizador acelera tanto la reaccin directa como la reaccin inversa por igual. Por lo tanto, el equilibrio no se afecta. CATALIZADORESUn catalizador no afecta a la composicin de equilibrio de una mezcla de reaccin.

  • CONTROL DE LAS EMISIONES DE NOVariacin en la constante de equilibrio para la reaccin N2 (g) + O2(g) NO(g) (H > 0) como funcin de la temperatura.Es necesario usar una escala logartmica para K porque sus valores varan sobre una escala muy larga.

  • CATALIZADORES