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The International Schoool La Serena Depto. Matemáticas y Ciencias Asignatura: Chemistry Curso: 11th B y C Profesora: Daniela Godoy

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APUNTE Y GUÍA DE EJERCICIOS: EQUILIBRIO QUIMICO. Objetivos: -

Comprender el principio de Le Châtelier. Aprender la relación entre equilibrio químico y energía libre de Gibbs Conocer y comprender como influye la temperatura en estos aspectos de equilibrio y energía.

Principio de Le Châtelier. Toda reacción química que alcanza el equilibrio químico no tiene un rendimiento al cien por ciento, es decir, nunca se obtendrá la mayor cantidad de productos a partir de los reactivos. Esta situación puede revertirse, es decir, es posible romper el estado de equilibrio de una reacción química, al alterar algunas de las características del sistema químico, para obtener la mayor cantidad de productos posibles, aspectos clave, por ejemplo, en la industria química y farmacéutica. En 1884, el químico francés Henry Louis Le Châtelier enunció el principio que indica que: “Si sobre un sistema en equilibrio se modifica cualquiera de los factores que influyen en una reacción química, dicho sistema evolucionará en la dirección que contrarreste el efecto que causó el cambio o ruptura del equilibrio”, refiriéndose específicamente a la temperatura, presión y concentración de las especies participantes. Efecto de la concentración Al aumentar la concentración de los reactivos (manteniendo constantes otras variables del sistema químico en equilibrio), el sistema reaccionará oponiéndose a ese aumento. El equilibrio se desplazará a la derecha favoreciendo la formación de productos y contrarrestando el efecto, hasta que de nuevo se establece el equilibrio. EJERCICIO RESUELTO Para analizar la influencia de la concentración en el equilibrio, estudiemos el siguiente ejemplo, sobre la reacción de combustión de monóxido de carbono (CO), que se presenta según la ecuación química: 2CO(g )   +    O2(g )  →  2CO2(g ) Paso 1. Para realizar el ejercicio, es necesario tener los datos. Las concentraciones que se encuentran para el equilibrio, son: [CO ]  =  0,399 mol/L [O2]  =  1,197 mol/L [C O2]  =  0,202 mol/L Se obtendrá el valor de la constante de equilibrio ( keq) Paso 2. Seleccionar la fórmula que relaciona los datos conocidos con la incógnita y resolver. Los datos nos permiten obtener el valor de la constante de equilibrio:

Paso 3. Observar atentamente el valor obtenido El valor obtenido, indica que reactantes y productos se encuentran en proporciones semejantes y que el equilibrio está desplazado hacia los reactantes, o en otras palabras, hacia la reacción inversa.

Paso 4. Calcular el cociente de reacción (Q). 1. ¿Qué sucedería si se agrega oxígeno ( O2) en concentración 1 mol/L? Al alterar la situación de equilibrio, es necesario calcular el cociente de reacción (Q), considerando el exceso de oxígeno, es decir: [O2]  =  1,197 mol/L   ( inicial )    +   1 mol/L   =   2,197 mol/L

Paso 5. Observar atentamente el valor obtenido y concluir. En síntesis, el valor de Q es menor que la keq así, para contrarrestar el efecto de agregar O2 (aumentando la concentración de los reactivos), el sistema se desplazara hacia la derecha para producir mayor cantidad de productos y restablecer el equilibrio. 2CO(g )    +    O2(g )  ⇄  2C O2(g ) Efecto de la presión En un sistema químico en el que participan sustancias en estado gaseoso, se altera el equilibrio cuando se produce una variación en la presión que lo afecta. Así, un aumento de la presión favorecerá la reacción que implique la disminución de volumen; en cambio, si la presión desciende, se favorecerá la reacción en la que los productos ocupen un volumen mayor que los reactantes. En el siguiente esquema se explica este proceso en la reacción de nitrógeno ( N2) e hidrógeno ( H2) gaseosos para formar amoníaco ( N H3), también gaseoso:

Por lo tanto, es importante considerar, que existen tres formas de alterar la presión del sistema gaseoso: a. Al agregar o quitar un componente del sistema. b. Añadir un gas inerte al sistema. Este hecho solo aumenta la presión global del sistema pero no altera el equilibrio. c. Cambiar el volumen y la temperatura del contenedor. Efecto de la temperatura Al aumentar la temperatura de un sistema químico que se encuentra en equilibrio, este se opondrá al cambio, desplazándose en el sentido que absorba calor, es decir, favoreciendo la reacción endotérmica, y viceversa, si disminuye la temperatura, se favorecerá la reacción exotérmica. Por lo tanto, el calor se puede considerar como producto de una reacción exotérmica y como reactante para una reacción endotérmica. Por ello, al adicionar calor en una reacción exotérmica esta se desplaza hacia la izquierda para consumir el calor añadido. Así mismo, cuando se calienta una reacción endotérmica, el equilibrio se desplaza hacia la derecha, para consumir el calor añadido y formar mayor cantidad de productos. En el siguiente esquema se explica este proceso.

La Energía Libre de Gibbs y el Equilibrio Químico Cuando no hay equilibrio: Hasta ahora hemos estudiado la Energía Libre de Gibbs en condiciones estándares, esto quiere decir en equilibrio, el valor de esta variación nos permite predecir si la reacción ocurrirá o no, pero en el equilibrio. Pero la mayoría de las reacciones químicas que se producen, tanto en los laboratorios como en la industria, no lo hacen en condiciones estándar.

Para poder explicar lo dicho en el párrafo anterior, vamos a suponer lo siguiente: La reacción quimica: aA (ac) + bB(ac) → cC(ac) + dD(ac)

Tan pronto se inicie la reacción la condición de equilibrio (estado estándar) deja de existir, pues los reactivos van a ir disminuyendo a medida que se irán formando los productos. Por lo tanto el cálculo de la Energía Libre de Gibbs a condición estándar ya no sería el adecuado y no podríamos predecir el sentido de la reacción. Para situaciones en donde se pierde el equilibrio (estado estándar) debemos calcular la variación de la energía Libre de Gibbs a condiciones diferentes del estándar.

Dónde:   

R es la constante de los gases expresada en términos de energía (8,314 J/K.mol) T es la temperatura de la reacción, en grados Kelvin Q es el cociente de reacción. Lineas abajo explicaremos que significa y como se determina el cociente de reacción. Observa que en la ecuación anterior: ΔG°es un valor constante, RT Ln Q, no es un valor constante; la razón es que el cociente de reacción, es función de la composición de la mezcla de reacción. En condición de Equilibrio: Una reacción se encuentra en el equilibrio, cuando en determinado momento durante la reacción, está invierte su sentido. Quiere decir que se van formando productos y en determinado momento, los productos comienzan a producir los reactantes. Esto solo ocurrirá cuando la variación de la Energía libre de Gibbs sea igual a cero ( ΔG=0), por lo tanto Q=K: Lo que nos permite establecer la siguiente ecuación:

La ecuación de Arrhenius relaciona la temperatura de un sistema en equilibrio con su constante y determina la espontaneidad de ésta como una función logarítmica. La ecuación anterior permite establecer, que el único parámetro termodinámico que modifica el valor de la constante de equilibrio para un sistema, es la TEMPERATURA. El efecto neto de la temperatura sobre un sistema en equilibrio se hace fácil de analizar si se considera a la temperatura como parte de la reacción, recordando que una reacción endotérmica consume calor (temperatura sería reactante) y una exotérmica libera calor (temperatura sería producto) Resumiendo:  En una reacción endotérmica (calor como reactante), el aumento de la temperatura del sistema, saca a la reacción del equilibrio, por tanto, éste se desplaza hacia los productos aumentando su concentración y consecuentemente aumentando el valor de la constante de equilibrio. La disminución de la temperatura en cambio, provocará el desplazamiento del equilibrio en el sentido opuesto (hacia los reactantes), lo que provoca que la concentración de reactantes aumente y que la constante de equilibrio disminuya su valor. 

En una exotérmica (calor como producto), el aumento de la temperatura en el sistema, desplaza el equilibrio hacia los reactantes, disminuyendo el valor de la constante de equilibrio. En cambio, si la temperatura disminuye, el sentido del equilibrio se orienta hacia el aumento en la concentración de productos (desplazamiento hacia la derecha). con ello la constante de equilibrio aumenta. Resumen de los efectos respecto de cambio de temperatura sobre la constante de equilibrio: