EQUILIBRIO

DEPARTAMENTO DE QUIMICA, INGENIERIA Y TECNOLOGIA

QUIMICA GENERAL II

EQUILIBRIO QUIMICO

Ms. ABEL INGA DIAZ

2012UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTROFACULTAD DE INGENIERIA QUIMICAEQUILIBRIOA nivel molecular impera el cambio. Continuamente chocan unas molculas con otras, si la colisin tiene suficiente energa y las especies presentes son qumicamente afines, ocurre una reaccin y se forman uno o ms productos.Si nosotros pensamos, que cuando se consumen los reactivos la reaccin ha terminado, que no hay ms transformaciones a nivel molecular, estaremos equivocados.

Pasado un tiempo al aumentar la cantidad de molculas de productos los choques entre ellas se vuelven ms probables, ocurre entonces una reaccin en sentido inverso, se forman nuevamente los reactivos originales.Cuando finalmente la mezcla de reaccin deja de cambiar, lo que sucede es que el trnsito de reactivos a productos tiene en ese momento la misma velocidad que el trnsito de productos a reactivos. Se ha alcanzado el equilibrio qumico.

En ciertas reacciones qumicas se observa que los reactivos no llegan a consumirse totalmente.

Con frecuencia las reacciones qumicas se detienen antes de completarse. Tales reacciones son reversibles.

Es decir, los reactivos originales forman productos, pero entonces los productos reaccionan nuevamente con ellos mismos para dar los reactivos originales.

Ocurren dos reacciones opuestas y el resultado eventual, es una mezcla de reactivos y productos en concentraciones definidas, ms que una simple mezcla de productos.

Al igual que la fuente de agua, el equilibrio qumico se caracteriza por dos procesos opuestos que se llevan a cabo con la misma velocidad.

El equilibrio qumico es un proceso dinmico, en el que microscpicamente hay un cambio (los reactivos se transforman en productos a la misma velocidad que los productos se transforman en reactivos) que macroscpicamente, es indetectable (las concentraciones de las especies en la mezcla de reaccin no varan). Para alcanzar el equilibrio, ni los reactivos ni los productos escapan del sistema.El tetraxido de dinitrgeno, N2O4, es una sustancia incolora que se descompone cuando se calienta para dar dixido de nitrgeno, NO2, una sustancia de color caf.

Si calentamos N2O2(g) por encima de la temperatura ambiente, se descompone a NO2(g), el cual puede ser detectado por la intensidad creciente del color caf:

N2O4(g) NO2(g) + NO2(g) reaccin directa

Una vez producido el NO2(g) puede reaccionar para volver a formar N2O4(g):

NO2(g) + NO2(g) N2O4(g) reaccin inversaEstas reacciones son elementales, entonces sus ecuaciones de velocidad sern:

Reaccin directa: vd = kb[N2O4]

Reaccin inversa: vi = ki[NO2]2

EQUILIBRIO: ARGUMENTO TERMODINAMICOPara una reaccin en condiciones no estndar:G=G0+RT InQcuando se alcanza el equilibrio termodinmico la energa libre deja de cambiar:G=0Q=kEntonces:G0=-RT Ink

K es la constante de equilibrio termodinmico, para reacciones que involucran slo gases, las actividades de los gases se expresan en trminos de presiones parciales, en atmsferas, y la constante de equilibrio se denomina kp, mientras que para las reacciones en soluciones lquidas, las actividades de os solutos se expresan en molaridades y la constante de equilibrio se denomina Kc.

La constante de equilibrio para una determinada reaccin o proceso depende de:

La estequiometria de la reaccin qumica, no de su mecanismo.

Las concentraciones en el equilibrio, de las especies participantes.

La temperatura de reaccin, si cambia la temperatura, cambia el valor de la constante de equilibrio.

Equilibrio Homogneo

En general los valores de Kp ,Kc y Kx son diferentes entre s.

En el caso excepcional que n=0, se cumple que: Kp=Kc=Kx

Se considera que las constantes de equilibrio son cantidades adimensionales.Equilibrio Heterogneo

En consecuencia; para la reaccin dada, sus constantes de equilibrio seran:Kp=PCO2Kc=[CO2]eqEl valor de K no depende de las cantidades de CaCO3(s) y CaO(s) presentes, siempre y cuando algo de cada uno de ellos se encuentre en el equilibrio, como se puede observar en el grfico:

A pesar de que los slidos y lquidos puros no aparecen en la expresin de la constante, stos deben estar presentes para que se establezca el equilibrio.Prediccin del Sentido de la Reaccin

Para determinar en qu direccin la reaccin neta, para alcanzar el equilibrio, se comparan los valores de Q y K, dando lugar a tres posibles situaciones:Q > Kpara alcanzar el equilibrio, los productos deben transformarse en reactivos, de modo que el sistema procede de derecha a izquierda (los productos se consumen y se forman reactivos).Q = Kel sistema est en equilibrio.Q < Kpara alcanzar el equilibrio, los reactivos deben transformarse en productos, de modo que el sistema procede de izquierda a derecha (los reactivos se consumen y se forman productos).

En el siguiente ejemplo, suponga que ponemos una mezcla de 2,00 moles de H2 1,00 mol de N2 2,00 moles de NH3 en un recipiente de un litro a 472 C. Determine si el N2 y el H2 reaccionarn para formar ms NH3 segn la siguiente reaccin:

N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g)Kc(472 C)=0,105Principio de Le ChatelierEl equilibrio qumico representa un balance entre las reacciones directa e inversa. Las variaciones en las condiciones experimentales pueden alterar el balance y desplazar la posicin de equilibrio haciendo que se forme mayor o menor cantidad del producto deseado.La variacin de uno de varios de los siguientes factores pueden alterar la condicin de equilibrio:TemperaturaPresinVolumenConcentracin de reactantes o productosEl principio de Le Chatelier establece que si un sistema en equilibrio se somete a un cambio de condiciones, se desplazar hacia una nueva posicin de equilibrio de modo que se cancela parcialmente el efecto del cambio.Variacin de la Concentracin

Cuando aumenta la concentracin de una sustancia en equilibrio que se encuentra en un sistema en equilibrio: el sistema se desplazar para utilizar parcialmente la sustancia que se adicion.

La disminucin ocasionar que el sistema se desplace para reemplazar parcialmente la sustancia que se removi.variacin de la Presin

Si aumenta la presin de un sistema gaseoso en equilibrio, el sistema se desplaza hacia donde hay menor nmero de moles.

Si la presin de un sistema gaseoso en equilibrio disminuye, el sistema se desplaza hacia donde hay mayor nmero de moles.Variacin de la Temperatura

Si se incrementa la temperatura, se favorece el sentido endotrmico de la reaccin.Una disminucin de la temperatura, favorece el sentido exotrmico de la reaccin.Variacin del Volumen

Para reacciones en las cuales existen un cambio en el nmero de molculas gaseosas:Una disminucin del volumen favorece el sentido de la reaccin que produce menos molculas.Un incremento del volumen favorece el sentido de la reaccin que produce ms molculas.Por ejemplo, para la siguiente reaccin:CO(g) + 3H2(g) CH4(g) + H2O(g)Efecto del Catalizador

Un catalizador incrementa la rapidez con la que se alcanza el equilibrio, pero no modifica la composicin de la mezcla, por lo tanto, no afecta el valor de la constante de equilibrio.

La hipoxia, "mal de pund" o "soroche"Subir a una montaa o viajar al Cuzco (3300 msnm) puede producir el denominado soroche (deficiencia de oxgeno en los tejidos, cuyos sntomas son mareos, vmitos y cansancio). La razn es que a esas alturas la concentracin de O2 en la atmsfera es menor, lo que origina que baje su concentracin en la sangre.El equilibrio hemoglobina-oxgeno:

Hb(ac) + O2(ac) HbO2(ac)

Se altera por esta disminucin, pues al mantenerse constante , una disminucin de [O2] implica una menor concentracin de hemoglobina oxigenada. Para suplir esta deficiencia, el cuerpo aumenta la produccin de hemoglobina, [Hb], y de esta manera se vence el soroche en unos das.Los habitantes de las ciudades altas llegan a tener 50% ms hemoglobina que los que viven a nivel del mar.

El Proceso HaberDe las pocas reacciones qumicas que los seres humanos han aprendido a llevar a cabo y controlar para sus propios fines, la sntesis del amonaco a partir del nitrgeno atmosfrico es una de las ms importantes.En 1912, el qumico alemn Fritz Haber desarroll un proceso y Karl Bosch el equipo necesario para la produccin industrial del amonaco. El proceso Haber proporciona un ejemplo histricamente interesante del complejo impacto de la qumica en nuestras vidas.Al inicio de la Primera Guerra Mundial en 1914, el bloqueo naval aliado a Sudamrica cort el suministro de los compuestos nitrogenados necesarios para fabricar explosivos. Alemania, que dependa de los depsitos de nitratos de Chile, se vio en serias dificultades.El proceso Haber permiti a Alemania continuar produciendo explosivos, y los expertos estiman que la Primera Guerra Mundial habra terminado varios aos antes, de no haberse producido este hecho.

De estos desafortunados inicios, como un factor importante en las guerras internacionales, el proceso Haber se ha convertido en la principal fuente mundial de amonaco, que permiti fabricar fertilizantes, que aumentaron el rendimiento de los cultivos y salv de morir de hambre a millones de personas.

Por esta y otras importantes investigaciones se le otorg a Fritz Haber, el Premio Nobel de Qumica en 1918.

Sin embargo, irnicamente, quien apoyara con entusiasmo patritico los esfuerzos blicos de su pas, fue expulsado de Alemania en 1933 por ser judo.

El proceso Haber consiste en mezclar N2(g) y H2(g) en un tanque de alta presin en presencia de un catalizador a una elevada temperatura. En estas condiciones, los dos gases reaccionan para formar amonaco:

N2(g) + 3H2(g)2NH3(g)

En cierto punto la reaccin parece detenerse, y los tres componentes de la mezcla estn presentes en forma simultnea, la reaccin ha alcanzado el equilibrio. Las cantidades relativas de N2(g), H2(g) y NH3(g) no dependen de la cantidad de catalizador existente, pero s de las cantidades relativas de N2(g) y H2(g) al inicio de la reaccin.Por otra parte, si se pone slo amonaco en el tanque de alta presin, en las mismas condiciones de reaccin, se obtiene al cabo de un tiempo, nuevamente una mezcla de N2(g), H2(g) y NH3(g) en equilibrio.

En el equilibrio, las concentraciones relativas de N2(g), H2(g) y NH3(g) son las mismas, sin que importe si la mezcla inicial tiene una proporcin molar 3:1 de H2(g) y N2(g) o si era NH3(g) puro.

La condicin de equilibrio se puede alcanzar desde uno u otro sentido.La formacin de NH3 es exotrmica:

N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g)H= - 92,6kJ

Como la velocidad de la reaccin es extremadamente lenta (a presin y temperatura constante, la velocidad de reaccin es prcticamente cero), sin embargo Kc es mucho mayor que para que una reaccin resulte una operacin prctica a escala industrial, debe ocurrir a una velocidad apreciable y tener un alto rendimiento del producto deseado.

Despus de probar diferentes condiciones de reaccin, Fritz Haber descubri que el hierro en un pequeo porcentaje de xidos de potasio y aluminio catalizan la reaccin a ms o menos C. Las presiones tpicas de operacin estn alrededor de 500 atm.Clculo de las Concentraciones en el EquilibrioSi se conoce la constante de equilibrio para una reaccin determinada, se pueden calcular las concentraciones de la mezcla en equilibrio a partir de las concentraciones iniciales.Para la reaccin:H2(g) + CO2(g)H2O(g) + CO(g)Kc es 0,771 a 750C. Si colocamos 0,0100 moles de H2 y 0,0100 moles de CO2 en un recipiente de 2 L a 750 C, podemos calcular las concentraciones de cada especie en el equilibrio:

Para determinar las concentraciones en el equilibrio debemos tener en cuenta los siguientes pasos:

Determinar las concentraciones iniciales.

Hacer el cambio estequiomtrico: expresar las concentraciones de equilibrio de todas las especies en trminos de las concentraciones iniciales y una sola variable X que representa el cambio de concentracin.

Escribir la expresin de la constante de equilibrio en trminos de las concentraciones de equilibrio.

Si se conoce el valor de la constante de equilibrio, despejar y obtener el valor de X.Calcular las concentraciones de equilibrio.

El grado de reaccin indica en qu proporcin se convirti un reactivo en producto: que tambin puede expresarse en trminos de porcentaje de reaccin: 100 Tener en cuenta que:

Con frecuencia se llega a expresiones cuadrticas para X:Si uno de los valores de X es negativo, se descartaSi los datos son positivos, elegir el que sea menor que las concentraciones iniciales.

Si el valor de K es del orden de 10-5 o menor que este, se puede aproximar el valor de ([ ]0-X)=[ ]0ACIDO Y BASES

Algunas frutas como la naranja contienen cido ctrico.El cido lctico est contenido en la leche.De otro lado, la palabra lcali proviene del rabe al-qaliy, cuyo significado es ceniza de las plantas. En un principio el nombre se aplic al carbonato de potasio, K2CO3, que es uno de los productos de la combustin de las plantas. Los trminos lcali y base no son tan conocidos, aunque muchos de los productos de limpieza que se usan a diario, sean bases, como los limpiadores con amonio, o la sosa custica que se utiliza para destapar tuberas obstruidas.Los cidos tienen sabor agrio, producen efervescencia al ponerse en contacto con algunos metales como el zinc, cambian el color de ciertos extractos vegetales que se conocen como indicadores y pierden todas esas caractersticas cuando reaccionan con las bases.

Las bases se caracterizan por tener sabor amargo, son resbalosas al tacto, cambian a otra coloracin los indicadores y de manera similar, pierden sus propiedades cuando reaccionan con los cidos.Teoras cido BaseEn la qumica moderna hay tres formas de definir los cidos y los bases, nosotros analizaremos slo dos de ellas, teniendo en cuenta su comportamiento al disolverlos en agua pura.

Teora de ArrheniusUn cido es una sustancia que cuando se disuelve en agua produce iones hidrgeno, H+.Una base es una sustancia que al disolverse en agua, produce iones hidroxilo, OH-.Por ejemplo, cuando el cloruro de hidrgeno gaseoso, HCl, se disuelve en agua se disocia en iones hidrgeno y iones cloruro:HCl(g)H2OH+(ac) + Cl-(ac)

Esta solucin es lo conocemos como cido clorhdrico, el cual es el responsable de la digestin en el estmago.

Teora de Brnsted - LowryUn cido es una sustancia (molcula o ion) que puede transferir un protn, H+, a otra sustancia.Una base es una sustancia que puede aceptar un protn

Fuerza de los cidosLa fuerza de los cidos est determinada por su capacidad para disociarse en iones en disolucin acuosa. Se dice que un cido es fuerte si est totalmente disociado y es dbil si la disociacin es parcial:

Fuerza de las BasesLos hidrxidos metlicos contienen iones OH- en sus redes cristalinas, luego todos son bases potencialmente fuertes. La fuerza de los hidrxidos est determinada la concentracin de iones OH- en al disolucin.

Si observamos la expresin de kb podemos concluir que conforme se incrementa la [OH-], aumentar el valor de kb y el de . Cuanto mayor es el valor de , la base ser menos dbil, y en consecuencia, mayor es el valor de kb.Ciertos cidos son mejores donadores de protones que otros, de igual manera, ciertas bases son mejores aceptoras de protones que otras. Si disponemos los cidos en orden de su capacidad para donar un protn, observamos algunos hechos interesantes:Cuanto ms fuerte es un cido, ms dbil es su base conjugada.

Cuanto ms fuerte es una base, ms dbil es su cido conjugado

Los cidos fuertes son aquellos que transfieren totalmente sus protones al agua, y no dejan molculas sin disociar en la solucin. Sus bases conjugadas tienen una tendencia insignificante a aceptar protones (bases sumamente dbiles).

Los cidos dbiles son los que se disocian parcialmente en solucin acuosa, y por lo tanto existe en al solucin, una mezcla de molculas y sus iones componentes. Sus bases conjugadas son bases dbiles, muestran poca capacidad para quitar protones al agua, sin embargo son comparativamente ms fuertes que los cidos de donde provienen.

cidos fuertes:Se suponen disociados al 100% en disolucin acuosa.

cidos dbiles:En el equilibrio hay una mezcla de molculas de cido no ionizado, as como de iones hidronio y de base conjugada.Autoionizacin del AguaEl agua pura es neutra; no muestra las propiedades de un cido ni de una base. Sin embargo, esta neutralidad no quiere decir que en el agua pura no existan iones H3O+ ni OH-.Recordemos que en la definicin de Bronsted-Lowry vimos que el agua puede comportarse ya sea como cido o como base, dependiendo de la especie con la que interacta:tiene tomos de hidrgeno capaces de ser cedidos a otra especie.El tomo de oxgeno tiene pares libres capaces de aceptar un protn.

Cuando al agua se le aade un cido, la concentracin de iones H3O+ se incrementa, a la vez que la concentracin de los iones OH- disminuye, de manera que el producto [H3O+] [OH-] se mantenga constante. Esto provoca que domine las propiedades cidas, o sea que la concentracin de H3O+ sea mayor que la de los iones OH-.

Por el contrario, si se aade una base al agua, es la concentracin de iones OH- la que aumenta, mientras que la de los iones H3O+ disminuye, tornndose la solucin en bsica, donde la concentracin de iones H3O+ es menor que la de los iones OH-, de manera que el producto [H3O+][OH-] se mantiene constante.A 25C, Kw=1x10-14, por lo tanto en el agua pura: [H3O+]=[OH-]=1x10-7 M

Como la escala de pH es logartmica, una diferencia de una unidad implica un cambio en la acidez de 10 veces.

El pH indica la acidez de una disolucin, mientras que la fuerza del cido est caracterizada por su porcentaje de disociacin (100 )