Equilibrio Químico

 

EXPRESIÓN GENERAL PARA LA CONSTANTE K_C

El equilibrio químico es un estado del sistema en el que no se observan cambios a medida que transcurre el tiempo. Así pues, si tenemos un equilibrio de la forma:

 

a A + b B= c C + d D

Se define la constante de equilibrio K_c como el producto de las concentraciones en el equilibrio de los productos elevadas a sus respectivos coeficientes estequiométricos, dividido por el producto de las concentraciones de los reactivos en el equilibrio elevadas a sus respectivos coeficientes estequiométricos, para cada temperatura.

EFECTO DE UN CAMBIO DE LAS CONDICIONES DE EQUILIBRIO.

Existen diversos factores capaces de modificar el estado de equilibrio en un proceso químico, como son la temperatura, la presión, y el efecto de la concentración. La influencia de estos tres factores se puede predecir, de una manera cualitativa por el Principio de Le Chatelier,que dice lo siguiente: si en un sistema en equilibrio se modifica alguno de los factores que influyen en el mismo ( temperatura, presión o concentración), el sistema evoluciona de forma que se desplaza en el sentido que tienda a contrarrestar dicha variación.

• Efecto de la temperatura: si una vez alcanzado el equilibrio, se aumenta la temperatura, el equilibrio se opone a dicho aumento desplazándose en el sentido en el que la reacción absorbe calor, es decir, sea endotérmica.
• Efecto de la presión: si aumenta la presión se desplazará hacia donde existan menor número de moles gaseosos, para así contrarrestar el efecto de disminución de V, y viceversa.
• Efecto de las concentraciones: un aumento de la concentración de uno de los reactivos, hace que el equilibrio se desplace hacia la formación de productos, y a la inversa en el caso de que se disminuya dicha concentración. Y un aumento en la concentración de los productos hace que el equilibrio se desplace hacia la formación de reactivos, y viceversa en el caso de que se disminuya.

K_c y K_p

Para proceder a relacionar la K_c y la K_p debemos relacionar previamente las concentraciones de las especies en equilibrio con sus presiones parciales. Según la ecuación general de los gases perfectos, la presión parcial de un gas en la mezcla vale:

 

p_i = (n_i R T) / V = C_i R T

Una vez que hemos relacionados las concentraciones con las presiones parciales de cada especie, se calcula la dependencia entre ambas concentraciones, simplemente llevando estos resultados a la constante K_c. De esta manera llegamos a la expresión:

 

K_p = K_c (R T )^An

Donde la An es la suma de los moles estequiométricos de todos los productos en estado gaseoso menos la suma de todos los moles de reactivos también gaseosos.

RELACIÓN ENTRE LA VARIACIÓN DE ENERGÍA LIBRE DE GIBBS, Y LA CONSTANTE DE EQUILIBRIO.

La variación de Energía Libre de Gibbs y la constante de equilibrio están intimamente ligadas entre sí a través de la siguiente ecuación:

 

AG = - R T Ln k_p

donde R es la constante de los gases, T la temperatura absoluta, y K_c la constante de equilibrio.

RESUMEN.

Un sistema en equilibrio dinámico, es aquel en el que la reacción directa y la inversa, ocurren a la misma velocidad. El sistema en equilibrio, puede ser descrito a través de la constante K_c. Si la constante es muy grande, la reacción directa se producirá casi exhaustivamente, mientras que la inversa no ocurre de forma apreciable. Si la constante es muy pequeña, la reacción que domina es la inversa.

Si un sistema en equilibrio, es perturbado en su posición de equilibrio, se produce o bien la reacción directa o la inversa, con objeto de restablecer el equilibrio. Se puede utilizar el Principio de Le Châtelier para predecir de qué forma evolucionará el equilibrio sometido a una perturvación.

• Una disminución del volumen; hace que se produzca la reacción de modo que decrezca, el nº de moles de gas en el sistema.
• Un aumento de la temperatura:

hace que se produzca la reacción endotermica.

La constante de equilibrio se puede relacionar con la energía Libre de Gibbs a través de la ecuación:

AG = - R T Ln K_p

PROBLEMA Nº1.

Para la reacción : Sb Cl₅= Sb Cl₃ (g) + Cl₂(g). La Kp , a la temperatura de 182 ºC , vale 9.31 10^-2. En un recipiente de 0.4 L se introducen 0.2 moles de pentacloruro y se eleva la temperatura a 182 ºC, Hasta que se establece el equilibrio anterior.Calcule:

• La concentración de las especies presentes en el equilibrio.
• La presión de la mezcla gaseosa

PROBLEMA Nº2.

Se tiene el equilibrio: A (g) + B(g) = C (g), para el cual el 0 ,indique razonadamente que le ocurrirá a una mezcla en equilibrio de los tres gases si se realizan sobre ella las siguientes operaciones:

• Aumentar la temperatura.
• Disminuir la presión.
• Añadir un gas inerte como el helio

PROBLEMA Nº3.

Se estudia el siguiente equilibrio: N₂ O₄ (g) = 2 N O₂(g), cuya Kp a 298K es 0.15.

• ¿En qué sentido evolucionará, hasta alcanzar el equilibrio, una mezcla de ambos gases cuya presión parcial sea la misma e igual a 1 atm?
• Si una vez alcanzado el equilibrio se comprime la mezcla , ¿qué le ocurrirá a la cantidad de N O₂? ¿ Cómo será la descomposición de N₂O₄, exotérmica o endotermica, si un aumento de la temperatura provoca un aumento de la concentración de N O₂?

PROBLEMA Nº4.

A 200 K una vasija de reacción de un litro de capacidad contenía una vez alcanzado el siguiente equilibrio : C O_g+ Cl2_g= CO Cl2_g, 0.6 atm de COCl2, 0.3 de CO, y 0.10 atm de Cl2.Si se añade a la vasija 0.4 atm de Cl2, manteniendo la temperatura y el volumen constantes, Calcule:

• El número de moles de CO Cl2 cuando se alcance de nuevo el equilibrio
• El valor de Kc

PROBLEMA Nº5.

En un recipiente cerrado de 200 ml en el que se ha hecho el vacío se introducen 1.28 g de yoduro de hidrógeno. Se calienta a 400 K y se alcanza el equilibrio: 2 H I (g) = I₂(g) + H₂(g). El valor de la Kp para el equilibrio a 400 ºC es 0.017. Calcule:

• El valor de la Kc para este equilibrio a 400 ºC.
• La presión total en el equilibrio
• La composición en peso de la mezcla gaseosa en el equilibrio.