Equilibrio QuímicoEquilibrio Químico

QUIMICA APLICADAQUIMICA APLICADAII22 + H + H22 2 HI 2 HI

Equilibrio QuímicoEquilibrio Químico

¿¿Cuando un Cuando un sistema está en sistema está en

equilibrio?equilibrio?

Cuando está en un estado donde no es Cuando está en un estado donde no es posible ningún cambio sin que haya posible ningún cambio sin que haya

cambios netos en el entorno.cambios netos en el entorno.

aA + bB cC + dDaA + bB cC + dD

Concentraciones en el equilibrioConcentraciones en el equilibrio

Región de concentraciones Región de concentraciones constantesconstantes

Velocidad de Reacción DirectaVelocidad de Reacción Directa

aA + bB cC + dDaA + bB cC + dDκκdd

κκii

VVdd = = κκ dd .[A] .[A] aa . [B] . [B] bb

Velocidad de Reacción InversaVelocidad de Reacción Inversa

VVii = = κκ ii .[C] .[C] cc . [D] . [D] dd

En la zona de equilibrio Vd = ViEn la zona de equilibrio Vd = Vi entoncesentonces

κκ dd .[A] .[A] aa . [B] . [B] bb = = κκ ii .[C] .[C] cc . [D] . [D] ddPor lo quePor lo que

κκ dd [C] [C] cc . [D] . [D] dd

κκ ii [A] [A] aa . [B] . [B] bb==κκ dd [C] [C] cc . [D] . [D] dd

κκ ii [A] [A] aa . [B] . [B] bb== ==KKcc

KKcc = Constante de Equilibrio = Constante de Equilibrio

En definitiva, es una clase especial de reacción química que En definitiva, es una clase especial de reacción química que

nunca llega a completarse: nunca llega a completarse: se produce simultáneamente en se produce simultáneamente en

ambos sentidosambos sentidos (los reactivos forman productos, y a su vez, (los reactivos forman productos, y a su vez,

éstos forman de nuevo reactivos). éstos forman de nuevo reactivos).

Es decir, se trata de un Es decir, se trata de un sistema dinámicosistema dinámico..

Veamos un ejemploVeamos un ejemplo

Una mezcla de Iodo (IUna mezcla de Iodo (I22) e Hidrógeno (H) e Hidrógeno (H22) forma, mediante ) forma, mediante

una reacción en equilibrio ácido Yodhídrico (HI).una reacción en equilibrio ácido Yodhídrico (HI).

II2 (g)2 (g) + H + H2 (g)2 (g) 2 HI 2 HI (g) (g) Kc Kc [H I] [H I] 2 2

[I [I22] . [H] . [H22]]==

Significado del valor de KcSignificado del valor de Kc

Tres situaciones posibles:Tres situaciones posibles:La La KK > > 1 entonces: 1 entonces: [[productosproductos]] > > [[reactivosreactivos]] Favorable para productos Favorable para productosLa La K K ≈≈ 1 entonces 1 entonces [[productosproductos]] ≈≈ [[reactivosreactivos]]..La La K K < < 1 entonces 1 entonces [[productosproductos]] < < [[reactivosreactivos]]: Desfavorable para productos.: Desfavorable para productos.

Conociendo el valor de la constante de equilibrio se puede juzgar Conociendo el valor de la constante de equilibrio se puede juzgar cualitativamente en que forma se desplaza la reacción antes de alcanzar cualitativamente en que forma se desplaza la reacción antes de alcanzar el equilibrio, es decir si la reacción es o no favorable para la obtención el equilibrio, es decir si la reacción es o no favorable para la obtención de productos.de productos.

Clases de Clases de Equilibrios

Reactivos y Reactivos y Productos en Productos en

la misma fasesla misma fases

2CO2CO(g)(g) + O + O2(g)2(g) ↔ 2CO↔ 2CO2(g)2(g)

Reactivos y Reactivos y Productos en Productos en

diferente fasesdiferente fases

Los Productos Los Productos participan en participan en

otro equilibriootro equilibrio

CaCOCaCO3(s)3(s)↔ CO↔ CO2(g)2(g) + CaO + CaO(s)(s)A ↔ BA ↔ BB ↔ CB ↔ C

HomogéneosHomogéneos MúltiplesMúltiplesHeterogéneosHeterogéneos

Kc = Kc = [CO[CO22]] Kc = K’Kc = K’11 . K” . K”22

Kc Kc [CO[CO22]]22

[CO] [CO]22 . [O . [O22]]==

Relación entre Kc y Kp

Kc [B] b

[A]a=

En función de sus presiones parciales

Kp PBb

PAa =

PA . V nA . R . T =

Supongamos la siguiente reacción aA(g) ↔ bB(g)

Si tenemos que PB . V nB . R . T =y

Reemplazando en Kp

Kp Kc (RT)Δn=

nBRT V [B]b

Kp (RT)(b-a)

nART [A]a

V

=

[

[

]

]

b

a=

Resumen de las reglas para escribir K

* Concentraciones en mol/L (Kc) o en atm (Kp)

* Sólidos puros, Líquidos puros y disolventes no aparecen en la expresión de K

* Tanto Kp como Kc son adimensionales

* Al expresar el valor de Kp o Kc, hay que especificar la ecuación balanceada y la temperatura

* Si una reacción representa la suma de varias reacciones, la constante de equilibrio para la reacción global se expresa como el producto de cada constante de equilibrio.

K global = K’.K”.Kn.

* Si para una reacción de izquierda a derecha se define Kp o Kc, para la reacción de derecha a izquierda será 1/Kp o 1/Kc.

Veamos un ejemplo:Veamos un ejemplo:Una mezcla de 0,5 moles de IUna mezcla de 0,5 moles de I22 y de 0,5 moles de H y de 0,5 moles de H22 son colocados en son colocados en

un recipiente de 1 L a 430 °C. Si Kc = 54,3 calcule la concentración un recipiente de 1 L a 430 °C. Si Kc = 54,3 calcule la concentración de Hde H22, I, I22 y HI en el equilibrio. y HI en el equilibrio.

II22 + H + H22 ↔ 2HI↔ 2HI

0,5 0,5 0,00,5 0,5 0,0

-x -x +2x-x -x +2x

0,5-x 0,5-x +2x0,5-x 0,5-x +2x

Kc = Kc = [HI][HI]22 // [I [I22] . [H] . [H22]]

54,3 = 54,3 = [2x][2x]22 // [0,5-x] . [0,5-x] [0,5-x] . [0,5-x]

54,3 = 54,3 = [2x][2x]22 // [0,5-x] [0,5-x]22

7,37 = 2x / 7,37 = 2x / [0,5 - x][0,5 - x] x = 0,393 Mx = 0,393 M

De esta manera:De esta manera:

VerificarVerificar

[H[H22] = (] = (0,5 – 0,393) = 0,5 – 0,393) = 0,107 M 0,107 M

[I[I22] = (] = (0,5 – 0,393) = 0,5 – 0,393) = 0,107 M0,107 M

[HI] = ([HI] = (2 . 0,393) = 2 . 0,393) = 0,786 M 0,786 M

Principio de Le ChPrincipio de Le Chââteliertelier

· Si se aplica una perturbación externa sobre un sistema en equilibrio, el sistema se ajusta hacia una nueva posición de equilibrio. · Una vez que la perturbación cesa, el sistema tiende naturalmente a volver al equilibrio inicial.

Factores que afectan el equilibrio

Cambio en la concentración

Cambio en el V y la P

Cambio en la Temperatura

Agregado de un catalizador

(1850-1936)

Cambios en la ConcentraciónCambios en la Concentración

↑↑ [R][R] [P] [P]

[R][R] ↑↑ [P] [P]

El valor de K El valor de K nono se se modificamodifica

2 H2 H2(g)2(g) + O + O2(g)2(g) ↔ 2 H↔ 2 H22OO(g)(g)

Para saber si la Para saber si la reacción alcanzó reacción alcanzó

el equilibrioel equilibrio

Si Q < KcSi Q < Kc

Si Q > KcSi Q > Kc

Si Q = KcSi Q = Kc

R PR P

Sistema en equilibrioSistema en equilibrio

R PR P

Medir la Medir la [R] y de [P][R] y de [P]

Q Q [H[H22O]O]22

[H[H22]]22 . [O . [O22]]==

Cociente de la reacciónCociente de la reacción

Cambios en el V o en la PCambios en el V o en la P

El equilibrio se El equilibrio se desplaza hacia donde desplaza hacia donde

hay menos moleshay menos moles

↓↓ V V ↑↑ P P ↑↑ [P] [P]

↑ ↑ [R][R] ↑ ↑ V V ↓↓ P P

El valor de K El valor de K nono se modificase modifica

Si Si ΔΔn = 0 : no hay n = 0 : no hay desplazamientodesplazamiento

2 H2 H2(g)2(g) + O + O2(g)2(g) ↔ 2 H↔ 2 H22OO(g)(g)

Agregado de un catalizadorAgregado de un catalizador Aumento de la VAumento de la Vdd y la V y la Vi i

en la misma magnituden la misma magnitud

El valor de K El valor de K nono se modificase modifica

No se altera la posición de No se altera la posición de equilibrio pero se llega más equilibrio pero se llega más

rápido al equilibriorápido al equilibrio

Agregado de un gas Inerte:Agregado de un gas Inerte: 2 H2 H2(g)2(g) + O + O2(g)2(g) ↔ 2 H↔ 2 H22OO(g)(g)

Aumento de la Presión total del Sistema

Disminución de la Fracción Molar de cada gas

Y como Ppx = PT . Xx

El efecto neto es que el equilibrio no se ve afectado por el agregado de un gas inerte

Δn de productos ≠ Δn de reactivos

El valor de K El valor de K nono se modificase modifica

Ppx permanece constante

Cambios en la temperaturaCambios en la temperatura

NN22OO4(g)4(g) ↔ 2 NO↔ 2 NO2(g)2(g) ΔΔH = 58 kj/molH = 58 kj/mol

Si la temperatura Si la temperatura se modifica se modifica

El valor de K El valor de K se modificase modifica

y y ΔΔH es + (endo)H es + (endo)

y y ΔΔH es –H es – (exo) (exo)

El valor de Kc El valor de Kc ↑↑

El valor de Kc El valor de Kc ↓↓

La temperatura es la única variable que modifica el valor de KcLa temperatura es la única variable que modifica el valor de Kc

Por ejemplo, si la temperatura aumenta:Por ejemplo, si la temperatura aumenta:

Kc = k Kc = k dd/k /k ii

VVdd y la V y la Vi i se modifican se modifican

enen diferente magnituddiferente magnitud

Termodinámica y equilibrioTermodinámica y equilibrio

En el equilibrio: ΔG = 0 y Q = KΔG = ΔG° – R T ln Q

Relación entre ΔG° y K

K ln K ΔG° Comentarios

>1 + -

=1 0 0

<1 - +

Los productos predominan sobre los reactivos en el equilibrio

En el equilibrio, cuando [C]c[D]d .. = [A]a[B]b ..

(muy raro)

ΔG° = – R T ln K

- Si todos los reactivos y productos son - Si todos los reactivos y productos son gaseosos, K representa Kp.gaseosos, K representa Kp.-Si todos los reactivos y productos están Si todos los reactivos y productos están en solución, K representa Kc.en solución, K representa Kc.-Si los reactivos y productos están en Si los reactivos y productos están en solución y gaseosos, K representa Ksolución y gaseosos, K representa Kequilibrioequilibrio

Los reactivos predominan sobre los productos en el equilibrio

Equilibrios Ácido-BaseEquilibrios Ácido-Base

Propiedades ácido-base del agua::

ÁcidoÁcido: toda sustancia capaz de : toda sustancia capaz de donar protonesdonar protones o recibir electrones. o recibir electrones.

BaseBase: toda sustancia capaz de : toda sustancia capaz de recibir protonesrecibir protones o donar electrones. o donar electrones.

Electrolito débilElectrolito débilMal conductor Mal conductor

de la electricidadde la electricidad

Se comporta como una base frente a ácidosSe comporta como una base frente a ácidos

Se comporta como una ácido frente a basesSe comporta como una ácido frente a bases

Autoionización HH22OO(l)(l) ↔ H↔ H++(ac)(ac) + OH + OH--

(ac)(ac)

Si escribimos KcSi escribimos Kc

Kc = Kc = [H[H++] . [OH] . [OH--]]Kc se denomina “constante del

producto iónico”

En el agua pura y a 25°C Kc = 10-14

Kc = Kc = [10[10-7-7] . [10] . [10-7-7]]

Números muy pequeños

En 1909 propone utilizar escala logarítmica

(1868-1939)

Soren SorensenSoren Sorensen

pH = - log pH = - log [H[H++] ]

Soluciones ácidas: Soluciones ácidas: [H[H++]>10]>10-7-7 entonces pH < 7 entonces pH < 7

Soluciones neutras: Soluciones neutras: [H[H++]=10]=10-7-7 entonces pH =7 entonces pH =7

Soluciones bàsicas: Soluciones bàsicas: [H[H++]<10]<10-7-7 entonces pH > 7 entonces pH > 7

HH22OO(l)(l) ↔ H↔ H++(ac)(ac) + OH + OH--

(ac)(ac)

De manera análogaDe manera análoga

pOHpOH-- = - log = - log [HO[HO--] ]

Soluciones ácidas: Soluciones ácidas: [HO[HO--] >10] >10-7-7 entonces pOH< 7 entonces pOH< 7

Soluciones neutras: Soluciones neutras: [HO[HO--]=10]=10-7-7 entonces pOH=7 entonces pOH=7

Soluciones bàsicas: Soluciones bàsicas: [HO[HO--]<10]<10-7-7 entonces pOH> 7 entonces pOH> 7

pKc = pH + pOHpKc = pH + pOH 14 = pH + pOH»»

La concentración de iones OHLa concentración de iones OH-- en una solución limpiadora es de en una solución limpiadora es de 0,0025 M. Calcula la concentración de H0,0025 M. Calcula la concentración de H++ y su pH. y su pH.

Veamos un ejemplo:Veamos un ejemplo:

[H[H++] = Kw / [OH] = Kw / [OH--]] = 10 = 10 -14-14 / 0,0025 / 0,0025 = 4 x 10= 4 x 10-12 -12 MM

pH = 11,4pH = 11,4