Equilibrio químico  Concepto de equilibrio químico: Es un estado en el cual no se observan cambios conforme pasa el tiempo. CONDICIONES:  Sistema cerrado  Reacción reversible CARACTERÍSTICAS:  La velocidad directa igual a la velocidad indirecta.  Las propiedades físicas permanecen constantes.  Las concentraciones (o las presiones parciales, si es un sistema gaseoso) de las especies de reactantes y de productos son constantes.

Equilibrio Químico





Conceptos Variables que afectan el equilibrio Cociente de reacción Relación K-Kp

Equilibrio Químico I parte

Equilibrio químico

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Equilibrio químico

 Por convención, se considera reactantes las sustancias escritas al lado izquierdo de las flechas de equilibrio y producto las que están al lado derecho.  Al inicio de un proceso reversible, la reacción procede hacia la formación de productos (velocidad directa). Al formarse el producto comienza el proceso inverso, las moléculas reaccionan y forman reactantes (velocidad indirecta).  El equilibrio químico de un sistema se logra observar cuando las propiedades macroscópicas son constantes. Equilibrio Químico I parte

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• La observación de las propiedades macroscópicas de una reacción, permiten indicar la presencia de un equilibrio químico. • Tales propiedades podrían ser:  Color  Presión  Radioactividad  Concentración  Densidad, entre otros 3

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Equilibrio químico

Ley de acción de masas

Ley de acción de masas ( propuesta por Guldberg y Waage en 1864)  Establece que para una reacción reversible en equilibrio a una temperatura constante, la relación de las concentraciones de reactantes y productos se expresan en términos de una constante de equilibrio.  La relación de las concentraciones ( o presiones parciales) en el equilibrio de las especies participantes da como resultado una constante.

 Un sistema reversible no asegura que está en equilibrio químico a no ser que cumpla con las características del mismo.  En el equilibrio, las concentraciones (o presiones parciales) de los especies permanecen constantes.  El equilibrio químico es un equilibrio dinámico al darse una gran actividad, a nivel molecular se da la conversión de reactantes a productos y viceversa. La velocidad directa es igual a la velocidad indirecta.  No confundir entre velocidad de reacción y equilibrio químico.

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CONSTANTE DE EQUILIBRIO QUIMICO

 La constante de equilibrio depende del sistema químico y de la temperatura de dicho sistema.

Estudios experimentales muestran que para cualquier reacción:

aA + bB

 La constante de equilibrio, es un valor numérico que representa la relación de concentraciones productos y reactantes en equilibrio.

cC+ dD

 Donde a, b, c y d son los coeficientes estequiométricos, la expresión de la constante de equilibrio a una temperatura dada será igual a

 Para este curso, emplearemos la siguiente nomenclatura para las diferentes expresiones de constantes (en el libro de texto aparece otra).

Ke = [C]c [D]d / [A]a [B]b esta ecuación es la expresión matemática de la ley de acción de masas. Equilibrio Químico I parte

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Constante de equilibrio

Constante de equilibrio •

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Constante de equilibrio

Constante de Equilibrio

 Consideraciones para expresar la constante de equilibrio

 Dependiendo del sistema evaluado se presentan diferentes constantes:
Ke: incluye todas las especies.
K : sólo aquellas especies cuya concentración pueda variar (acuosas y gaseosas).  Kp: para los gases, expresa presiones parciales en equilibrio.
Kps: constante del producto de solubilidad.
Kw: constante de ionización del agua.
Ka: constante de ionización de los ácidos o constante de acidez
Kb: constante de ionización de las bases o constante de basicidad.

 La ecuación debe estar balanceada.  Las concentraciones o presiones parciales de los productos aparecen en el numerador.  Las concentraciones o presiones parciales de los reactantes aparecen en el denominador.  La expresión de la constante depende de la forma en que se haya escrito la ecuación química que describe el sistema en equilibrio.


Las constantes marcadas se expresan en términos de concentraciones molares.

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Constante de Equilibrio

CARACTERISTICAS DE LA CONSTANTE DE EQUILIBRIO QUIMICO

 Los valores de constante de equilibrio tienen una aplicación práctica en reacciones reversibles.

1. Para la reacción reversible en equilibrio químico: N2O4 (g) 2 NO2(g) El valor de K = 0,00463

 Estas reacciones se simbolizan con una doble flecha

2 NO2(g)

•

 Existen reacciones que son irreversibles Ejemplos:quemar papel, cocinar un huevo entre otros

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Constante de Equilibrio

CARACTERISTICAS DE LA CONSTANTE DE EQUILIBRIO QUIMICO

N2O4(g)

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Si se escribe en dirección opuesta por ej: 2 NO2 (g) N2O4 (g) El valor de K’ = 1/ K, K’ = 216

 La expresión de K depende de la forma en que está escrita la ecuación química. 11

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N2O4 (g)

Constante de Equilibrio

2NO2 (g)

CARACTERISTICAS DE LA CONSTANTE DE EQUILIBRIO QUIMICO

3.

Las concentraciones de las especies que participan en la reacción deben de ser expresadas en concentración mol/litro o en atmósferas.

Tiempo

Al principio con NO2

Concentración

equilibrio

Concentración

equilibrio

El valor de K depende de la forma en que se balancea la ecuación química 1/2 N2O4 (g) NO2 (g) K’ =[ NO2] / [N2O4] 1/2 luego K’ será igual a K’ = K1/2

Concentración

2.

Tiempo

Al principio con N2O4

equilibrio

Tiempo

Al principio con NO2 & N2O4 Tomado del Chang,R.Química. Cap.14

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Tiempo

Tiempo

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Magnitud de la constante de equilibrio

Concentración

Concentración

Concentración

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Tiempo

MAGNITUD DE LA CONSTANTE DE EQUILIBRIO Indica si la reacción en equilibrio es favorable a los reactantes o los productos.

constante

 Si es mucho mayor que 1, el equilibrio se desplazará hacia la formación de productos.  Si es mucho menor que 1 el equilibrio se desplazará hacia los reactantes. 

Cualquier número superior a 10 se considera que es mucho mayor que 1 y cualquier número menor que 0,1 es mucho menor que 1.

Tomado del Chang,R.Química. Cap.14

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Magnitud de la constante de equilibrio

Magnitud de la constante de equilibrio

La magnitud de la constante de equilibrio indica la extensión de la reacción. Por ejemplo:

2 O3(g)

3 O2(g)

K = 2,54 x

 En el otro extremo, se tienen reacciones con valores de K muy pequeños, por ejemplo:

Cl2(g)

1012

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K = 1,4 x 10-38

Una mezcla en equilibrio de estos gases tendrá siempre una mayor concentración de cloro molecular. Para una [Cl2] = 0,76 molar, la concentración del cloro atómico será [Cl ] = 1 x 10-19 mol/l

significa que en equilibrio, la cantidad de ozono(O3) es mínima comparada con la del oxígeno. Para una concentración de oxígeno igual a 0,1 molar la cantidad de ozono será [ O3] = 1,98 x 10-8 mol/l

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Cl(g) + Cl(g)

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Efecto de las variables sobre el equilibrio

Cambios en la concentración  Si un sistema en equilibrio es sometido a una condición externa que lo modifica, éste se ajustará de forma que neutralice los efectos dicha modificación.

EQUILIBRIO QUÍMICO

Variables que afectan el equilibrio químico

 Si a un sistema que está en equilibrio se le añade más reactante o producto, el sistema se desplazará hasta restablecer el equilibrio consumiendo parte de lo agregado.

 CONCENTRACIÓN  PRESIÓN-VOLUMEN  TEMPERATURA

 Caso contrario al extraer un reactante o un producto, el sistema se desplazará para reponer dicha sustancia y reestablecer el equilibrio. Equilibrio Químico I parte

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Efecto de las variables sobre el equilibrio

Efecto de las variables sobre el equilibrio

Cambios en la concentración

Cambios en la concentración

FeSCN2+(ac) Rojo

Fe3+(ac) + SCN-(ac) amarillo pálido incoloro

(FeSCN)2+(ac)

•

Para esta reacción en equilibrio, se pueden dar las siguientes situaciones:

•

Adicionar más NaSCN, ésto provoca un aumento de la concentración del ión tiocianato, el sistema se desplazará hacia la producción de reactantes, disminuyendo la concentración de productos.

Adición de Fe 3+

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Efecto de las variables sobre el equilibrio

Efecto de las variables sobre el equilibrio

Cambios en la concentración

Cambios en la concentración

FeSCN2+(ac) Rojo

Fe3+(ac) +

SCN-(ac)

amarillo pálido

SCN-(ac)

Rojo amarillo pálido incoloro • Al adicionar ión hierro (III), el equilibrio nuevamente se desplaza hacia reactantes para disminuir la concentración de productos y reestablecer el equilibrio.

Adición de NaSCN

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Fe3+(ac) +

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En todos estos casos se ha alcanzado un nuevo equilibrio, la relación de concentraciones de los reactantes y productos se mantiene constante. Lo único que ha variado es la posición del equilibrio.

incoloro

• Al adicionar FeSCN2+ el equilibrio se desplaza hacia la producción de productos, disminuyendo la concentración de reactantes para de nuevo el equilibrio.

Adición FeSCN2+

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Efecto de las variables sobre el equilibrio

Efecto de las variables sobre el equilibrio

Cambios en presión-volumen

Cambios en presión-volumen

•

Los líquidos y sólidos generalmente no son afectados por cambios de presión y volumen.

Presión

Presión

Presión

 Sin embargo los gases experimentan fuertes cambios en sus concentraciones al cambiar estas dos variables.  Para la reacción, N2O4(g) 2 NO2(g) el cambio de presión o volumen provoca grandes cambios en la posición de equilibrio. Equilibrio Químico I parte

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N2O4(g) Incoloro

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2 NO2(g) Café-rojizo

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Efecto de las variables sobre el equilibrio

Efecto de las variables sobre el equilibrio

Cambios en presión-volumen

Cambios en presión-volumen

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sms

 El valor de la constante de equilibrio permanece mientras no cambie la TEMPERATURA.

 Un aumento de presión con disminución de volumen hace que el equilibrio se desplace hacia donde haya menor número de moles gaseosos.

 En el caso de la compresión de gases por cambios de volumen o presión lo que varía es la posición del equilibrio.

 Una disminución de presión con aumento de volumen hace que el equilibrio se desplace hacia donde haya mayor número de moles gaseosos.

 El equilibrio se desplaza para compensar sobre el sistema.

 Para un sistema en equilibrio donde el número de moles gaseosos de reactante y productos son iguales, un cambio en la presión o de volumen no afecta la posición del equilibrio.

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el efecto

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Efecto de las variables sobre el equilibrio

Efecto de las variables sobre el equilibrio

Cambios en presión-volumen

Cambios de temperatura En los dos casos anteriores, los cambios de concentración y de presión-volumen provocaron un desplazamiento de la posición del equilibrio sin alterar el valor de la constante de equilibrio.

 Un aumento en la presión del sistema no implica necesariamente un cambio de volumen, esto sucede si usamos un gas inerte al sistema.  La presencia de un gas inerte que no reacciona con el sistema no afecta la posición de equilibrio.

 Un cambio de temperatura sí varía el valor de la constante de equilibrio.

 Los cambios de presión-volumen y concentración lo que varían es la posición del equilibrio.

 La constante de equilibrio es un valor termodinámico que varía con la temperatura.  En este caso, es necesario conocer la naturaleza termodinámica de la reacción: Reacciones exotérmicas y endotérmicas.

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Efecto de las variables sobre el equilibrio

Efecto de las variables sobre el equilibrio

Cambios de temperatura

Cambios de temperatura

Para la reacción: N2O4(g)

Bulbo sometido a alta temperatura (café-rojizo fuerte)

2 NO2(g) ∆Hº = 58 kJ

Al calentar este sistema a presión y volumen constante, cambia su equilibrio formando más productos Esta reacción se podría escribir : Energía + N2O4(g) 2 NO2(g) Equilibrio Químico I parte

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N2O4(g)

2NO2(g)

incoloro

café rojizo

Bulbo sometido a baja temperatura (anaranjado pálido) 31

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Efecto de las variables sobre el equilibrio

Efecto de las variables sobre el equilibrio

Cambios de temperatura

Adición de un catalítico

• La razón del cambio de color es debida a la variación en el valor de la constante de equilibrio.

• La adición de un catalítico aumenta la velocidad de un reacción.

 A diferencia de los factores de cambio de concentración y presión (volumen), donde no varía la constante de equilibrio, en el caso de variación de temperatura hay un cambio del valor de K.

 Sin embargo afecta la velocidad de reacción directa e inversa.  Por lo tanto este efecto se anula y no tiene importancia en la posición de equilibrio.

 En general un aumento de temperatura favorece las reacciones endotérmicas, caso contrario con las reacciones exotérmicas que las desfavorece.

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La adición de un catalítico (acelerador o inhibidor) no afecta al sistema en equilibrio. 33

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[NO2]2 Kc = [N2O4]

CaCO3 (s)

2 NO2 (g) Kp =

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El equilibrio heterogéneo se aplica a las reacciones en que los reactivos y productos están en diferentes fases .

El equilibrio homogéneo se aplica a las reacciones en que todas las especies reactivas están en la misma fase. N2O4 (g)

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2 PNO 2 PN2O4

Ke =

[CaO][CO2] [CaCO3]

K = [CO2] = Ke x

[CaCO3] [CaO]

CaO (s) + CO2 (g) [CaCO3] = constante [CaO] = constante Kp = PCO2

La concentración de sólidos y líquidos puros no son incluidos en la expresión para la constante de equilibrio. Tomado del Chang,R.Química. Cap.14

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Tomado del Chang,R.Química. Cap.14

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CaCO3 (s)

Relacìón K-Kp

CaO (s) + CO2 (g)

• En la mayoría de los casos K ≠ Kp • aA (g) + bB (g) cC (g) + dD (g)

Kp = K (RT)∆n ∆n = moles de productos gaseosos – moles de reactivos gaseosos = (c + d) – (a + b)

PCO 2 = Kp PCO 2 No depende de la cantidad de CaCO3 o CaO Tomado del Chang,R.Química. Cap.14

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Cociente de reacción

Predicción de la dirección de una reacción química

 En sistemas que no han alcanzado el equilibrio, se utiliza el cociente de reacción (Qe, Q, Qp). Q , Qe= [Productos]/[Reactantes] Qp= Pproductos / Preactantes  El cociente de reacción (Q) se calcula sustituyendo las concentraciones iniciales de los reactivos y productos en la expresión de la constante de equilibrio (K).  Esta relación se aplica para las otras expresiones de constantes de equilibrio con sus respectivos cocientes de reacción.

 Para determinar en qué dirección procederá la reacción para llegar al equilibrio, se comparan los valores de la constante de equilibrio y el cociente de reacción respectivos. Equilibrio Químico I parte

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Cociente de reacción  Al comparar Q vs K, si:  Q > K, la relación de concentraciones iniciales de productos es mucho mayor que la de reactantes. El sistema se desplazaría hacia los reactantes para alcanzar de nuevo el equilibrio.  Q = K, sistema en equilibrio  Q< K, la relación de concentraciones iniciales de reactantes es mucho mayor que la de productos, el sistema se desplazaría hacia los productos para lograr de nuevo el equilibrio.

Equilibrio Químico I Productos parteReactantes

Material preparado por Equilibrio de no hay cambio ITCR VChan/Escuela Química,

Reactantes

Productos

Material preparado por: Lic. Victoria Chan Revisado por: MSc. Lilliana Abarca Bibliografía:  Chang, R., Química, Mc Graw Hill, 7ma ed. 2003, México. pp. 562-578

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