EQUILIBRIO QUMICO Y EL PRINCIPIO DE LE CHTELIER PARA CAMBIOS

DE TEMPERATURA Y PRESIN

Qumica Inorgnica

Pablos Hernndez Snchez (IQ692289)

Asesor: Mtro. Martn Adolfo Garca

Departamento de Procesos Tecnolgicos e Industriales, Instituto Tecnolgico y de

Estudios Superiores de Occidente, Tlaquepaque, Jalisco, Mxico. CP 45604.

Recibido: mircoles 16 de Octubre del 2013.

Resumen

En este documento, se observ la obtencin de tetraxido de nitrgeno a partir de

una reaccin exotrmica entre limaduras de cobre y cido ntrico. A partir del gas

obtenido, se comprobaron algunas propiedades que expone el principio de Le Chatelier

cuando este gas alcanza su equilibrio qumico en la formacin de dixido de nitrgeno.

Estas propiedades cualitativas (como el cambio de color) se pudieron apreciar al verse

modificadas las condiciones iniciales de temperatura y presin.

A la vez, se estudiaron otras reacciones en equilibro como fue la del anin

tetraclorurocobalto (II) con agua que da lugar al catin hexaacuacobalto (II) y el anin

cloruro. Tambin se aprovecharon el cambio de color del sistema para deducir hacia

dnde se desplazaba la reaccin debido al incremento o decaimiento de la temperatura.

Abstract

In this document, we observed the obtaining of nitrogen tetroxide from an

exothermic reaction between copper filings and nitric acid. With the gas obtained, we

tested some properties of the Le Chtelier principle when gas reaches chemical

equilibrium in the formation of nitrogen dioxide. These qualitative properties (e.g. color

change) could be seen when we modified initial conditions of temperature and pressure to

check equilibrium shifts that the system did to counteract the imposed change.

Also, other reaction we were studied was the equilibrium between CoCl42- and

water that forms Co(H2O)62+ and chloride anion. We took advantage with the color

change of the system to deduce where the reaction moved due to increased temperature

or decrease.

Marco terico

El equilibrio qumico representa un estado de una reaccin donde las molculas

individuales tanto de los reactivos como de los productos, reaccionan de forma continua y

a la misma velocidad; por lo tanto, las concentraciones de reactivos y productos

permanecen constantes y no es posible apreciar cambios visibles en la misma. No

obstante, este equilibrio es tan delicado que puede perturbarse si se aplica algn cambio

en las condiciones iniciales del sistema, donde el sistema se ajustar de tal manera que

se cancele parcialmente dicha perturbacin en la medida en que el sistema alcanza una

nueva posicin de equilibrio. (Chang: 2010, pp. 638)

El principio de Le Chtelier, permite predecir hacia dnde se se desplaza una

reaccin si se introduce cualquiera de las perturbaciones antes descritas. Un sistema en

equilibrio puede estar desplazado hacia la izquierda si el medio donde se realiza la

reaccin facilita la formacin de productos por lo que, para contrarrestar este efecto, una

parte de los productos reaccionan para convertirse en reactivos; por otro lado, si un

sistema de equilibrio est desplazado hacia la derecha, el medio donde se lleva a cabo la

reaccin permite la formacin de reactivos, por lo que para contrarrestar este efecto, una

parte de los reactivos reaccionan para convertirse en productos. Este valor puede ser

visto de forma analtica y est representado con la letra Q, que corresponde al cociente de

reaccin.

Existen cuatro factores que influyen en el comportamiento de una reaccin en

equilibrio qumico segn el principio de Le Chtelier: cambios de temperatura, variaciones

en la presin del sistema, concentracin y finalmente, la introduccin de catalizadores.

Para el primer caso, la temperatura es el nico factor capaz de desplazar el coeficiente de

equilibrio ya sea de forma directa o inversa, ya que si tratamos el calor como si fuera un

reactivo qumico, entonces una elevacin de temperatura agrega calor al sistema; por el

lado contrario, una cada de temperatura retirara calor del sistema. (Chang: 2010,

pp.642) Entonces, si empleamos la misma sistemtica que usamos en los anteriores

ejemplos, el sistema se desplazara a la izquierda o hacia la derecha para compensar

este cambio.

Para analizar la anterior premisa, Prez (2006) expone que la mejor forma para

comprender el comportamiento de una reaccin en equilibrio al aumentar o disminuir la

temperatura desconociendo si es endotrmica o exotrmica es:

1. Si la reaccin directa es exotrmica y aumentamos la temperatura cuando se haya

alcanzado el equilibrio qumico, la reaccin dejar de estar en equilibrio y tendr un

desplazamiento del equilibrio hacia la izquierda (en el sentido en el que absorbe

calor).

1.1. Si la reaccin directa es exotrmica y disminuimos la temperatura en el equilibrio,

la reaccin se desplaza hacia la derecha ya que el sistema restituye parte del

calor que se elimina. (Whitten et. al: 2008, pp. 676)

2. Si la reaccin directa es endotrmica y ocurre un incremento en la temperatura, esta

accin favorecer un desplazamiento del equilibrio hacia la derecha.

2.1. Si la reaccin es endotrmica y ocurre una disminucin en su temperatura, por lo

tanto existir un desplazamiento del equilibrio hacia la derecha.

En segunda instancia, sabemos que los cambios de presin afectan muy poco la

concentracin de slidos o lquidos debido a que resulta muy complicado comprimirlos,

por lo tanto el principio de Le Chtelier en cambios de presin y/o volumen slo afecta a

los sistemas gaseosos, modificando directamente el valor de Q en reacciones donde la

cantidad de moles reactivos gaseosos difiere de la cantidad de moles producidos

gaseosos. (Whitten. et. al: 2008, pp. 674) Esta idea viene establecida en la ley de los

gases ideales , ya que como podemos observar, la presin es inversamente

proporcional al volumen del sistema, esto es, que si uno aumenta, el otro disminuir.

La siguiente tabla muestra todos los comportamientos que un sistema gaseoso

puede presentar, que aplica solamente si hay ms moles de producto gaseoso que de

reactivo gaseoso:

Tensin Q Direccin del desplazamiento

Disminucin de volumen, aumento de presin

Q>Kc Hacia una menor cantidad de moles de gas

(izquierda)

Disminucin de presin, aumento de volumen

Q

Proceso experimental

- Experimento nmero uno.

1) En el vaso de precipitado de 1L, adicionar un total de 800ml de agua de grifo y

posteriormente, calentarlo con ayuda de un mechero Bunsen hasta una temperatura

de 85C y mantenerlo estable durante toda la prctica de laboratorio. Este sistema

fungir como un bao mara, puesto que favorecer a que ste se mantenga a una

temperatura y transmita el calor en toda la superficie de un modo uniforme.

2) Por otro lado, en el segundo vaso de precipitado de 1L, se procedi a crear un sistema

fro introduciendo una gran cantidad de hielo as como de sal comercial. Debido a que

estas acciones no lograban disminuir la temperatura del sistema a la deseada (-15C),

se emple una cubeta para anexar una mayor cantidad de hielo y sal comercial, con el

fin que con la insercin del vaso de precipitado a la cubeta, se lograra ms fcil la

temperatura objetivo de esta prctica.

3) Haciendo uso del matraz Erlenmeyer de 125ml, se dispuso a crear un pequeo reactor

que consista en dicho instrumento sellado con un tapn de hule (que tena un orificio

en el centro). Enseguida, se emple un conducto de vidrio y una manguera de hule

que se conectaron al reactor.

4) Se derram una cantidad determinada de cido ntrico al matraz Erlenmeyer que para

entonces contena limaduras de cobre. Al verter el cido en el matraz se dio lugar a la

reaccin de formacin del dixido de nitrgeno que, al empezar a seguir la ruta del

conducto de vidrio y la manguera de hule, se captur en tres tubos de ensayo

grandes. Una vez llenos los tubos y ser sellados cada uno con un tapn de hule, se

prosigui a dejar fuera del laboratorio al matraz que continuaba reaccionando.

5) Se colocan un tubo en un fondo blanco, a temperatura ambiente 24C, para que en el

futuro funcionen como indicadores de los cambios que tendrn los otros 2 tubos, uno

en un bao fro a -15C y el restante en un bao a 85C.

6) Una vez observados los resultados, se intercambiaron las posiciones de los tubos de

ensaye en los baos, de fro a caliente y viceversa para observar el efecto del cambio

drstico de temperatura en el equilibrio.

- Experimento nmero dos

1) Se extrajo una cantidad determinada de dixido de nitrgeno del tubo que contena

este gas a temperatura ambiente por medio de una jeringa de 40ml. Con el fin de

realizar exitosamente futuras observaciones, se sell la aguja de dicho instrumento.

2) Se llevaron a cabo diversas pruebas al empujar o retraer el mbolo de la jeringa y se

anotaron las observaciones correspondientes.

Reaccin qumica

- Experimento nmero uno y dos

Ecuacin molecular

Ecuacin inica

Cu(s) + NO3-(ac) Cu

2+(ac) + NO3(g)

Cu(s) Cu2+

(ac) + 2e-

[e- + 2H3O+

(ac) + NO3-(ac) NO2(g) + 3H2O(l)] 2

Cu(s) + 2e- + 4H3O

+(ac) + 2NO3

-(ac) Cu

2+(ac) + 2e

- + 2NO2(g) + 6H2O(l)

Ecuacin inica neta

Cu(s) + 4H3O+

(ac) + 2NO3-(ac) Cu

2+(ac) + 2NO2(g) + 6H2O(l)

- Experimento nmero tres (realizado por el instructor)

CoCl42-

(ac) + 6H2O(l) Co(H2O)62+ + 4Cl-(ac)

Resultados

- Experimento uno 1) Indagando un poco sobre el comportamiento termoqumico de esta reaccin en

equilibrio, deducimos que esta reaccin entre el Tetraxido de Dinitrgeno (en fase

gaseosa) en equilibrio con el Dixido de Nitrgeno (en fase gaseosa) es

endotrmica y la inversa es exotrmica.

Es decir

Incoloro Caf

Al aumentar la temperatura el tubo de ensayo adopt un color caf, explicando que

al perturbarse su equilibrio qumico, la reaccin tender a desplazarse hacia la derecha.

Por otro lado, el efecto inverso de la temperatura se comprob al cambiar de bao los

tubos de ensayo, modificando el estado de equilibrio, los tubos que fueron cambiados del

bao fro al caliente sufrieron un cambio de tonalidad ms oscura, y al contrario los que

fueron cambiados al bao fro perdieron mucha de su tonalidad. Finalmente se deduce

que, a temperatura ambiente (24C), existe ms presencia de Dixido de Nitrgeno en su

estado gaseoso, lo que explicara que los tubos en su interior, originalmente tengan una

tonalidad caf.

A continuacin se presenta una fotografa que ayuda a explicar lo anterior mencionado:

Ilustracin 1 De izquierda a derecha, la coloracin que adopta el sistema a -15C, a temperatura ambiente y a 85C

Azul Rosa

- Experimento nmero dos

En primer lugar, y en concordancia con el Principio de Le Chtelier, podemos

inferir el comportamiento del sistema en la reaccin entre el Tetraxido de Nitrgeno y el

Dixido de Nitrgeno, pues observamos que los productos poseen una mayor cantidad de

moles que los reactivos; por ende, esto justifica que cuando se empuj el mbolo de la

jeringa (aumento de presin), la jeringa adoptaba un color casi incoloro con lo cual se

reforzaba la idea que el equilibrio tenda a la izquierda, es decir, a la reaccin con menos

moles ( ).

Por otro lado, al realizar la accin contraria (retraer el mbolo de la jeringa) se

obtuvo en la jeringa una tonalidad ms caf. Esto se justifica ya que como aumentbamos

el volumen del sistema, la reaccin con mayor cantidad de moles ( resultaba

beneficiada.

- Experimento nmero tres

El equilibrio de esta reaccin se vio afectado gracias a una variacin en la

temperatura, pues al sumergirse en un bao fro se torn rosa la solucin indicando que el

equilibrio cambio a favor de la reaccin exotrmica (inversa), y al colocarse en un bao

caliente cambio a naranja, por lo que la constante de equilibrio aument favoreciendo a

los productos.

Las siguientes fotografas pretenden hacer alusin a lo anterior mencionado:

Decremento de temperatura Incremento de temperatura

Conclusin

El principio de Le Chtelier presenta una gran herramienta para el investigador en

la tarea de pronosticar el comportamiento de una reaccin en equilibrio cuando sta se ve

inmersa en cualquier tipo de perturbacin, ya sea adicionando o restando reactivos,

introduciendo cambios en la temperatura, y hasta en la manipulacin de las condiciones

de volumen/presin si los reactantes o productos presentan un estado gaseoso. Como se

ha comprobado durante esta prctica, el equilibrio qumico persistir en la mayora de

las reacciones qumicas y siempre se alcanzar sea cual sea la condicin.

Un mtodo muy empleado y que en parte favoreci que se comprendiera ms este

tpico, fue el aprovechamiento de las propiedades cualitativas de las sustancias

implicadas a lo largo de los experimentos mostrados, pues esto permite conocer la

direccin con respecto hacia qu sustancia se est formando en mayor cantidad en ese

instante hasta compensar dicha perturbacin para alcanzar nuevamente el equilibrio.

A continuacin se presentan las notas de experimentacin relevantes que forman

parte de este segmento en el reporte:

1) Al modificar la temperatura en que se encuentra el sistema en equilibrio entre

el Tetraxido de Dinitrgeno y el Dixido de Nitrgeno, nos arroja que es una

reaccin endotrmica.

2) An en temperatura ambiente, la anterior reaccin se ve perturbada pues

persiste una mayor cantidad de Dixido de Nitrgeno.

3) Para obtener los resultados deseados al introducir este sistema a una nueva

forma de perturbacin (como son los cambios de volumen/presin), es

necesario contraer o retraer el mbolo de la jeringa en un lapso considerable

de tiempo, pues de lo contrario no se podr apreciar el cambio de coloracin

en el sistema.

4) Las propiedades cualitativas que poseen el anin tetraclorurocobalto (II) y el

catin hexaacuacobalto (II), permiten analizar con mayor facilidad hacia dnde

se dirige la reaccin en dado caso que se modifique la temperatura del

sistema, como tambin fue el caso del experimento nmero uno.

Bibliografa

Chang, R. (2010). Qumica. (10a Ed) Mxico: Mc Graw Hill.

Prez, C. (19 de Junio del 2006). Factores que influyen en el equilibrio qumico: el

principio de Le Chtelier. Obtenido el 12 de Octubre del 2013 en el sitio web de la

Sociedad Andaluza de Educacin Matemtica Thales, en:

http://thales.cica.es/cadiz2/ecoweb/ed0765/capitulo6.html

Whitten, K., Peck, L., Davis, R. y Stanley, G. (2008) Qumica. (8a Ed) Mxico:

Cengage Learning.

http://web.educastur.princast.es/proyectos/fisquiweb/Videos/EquilibrioQ/