Calculos Básicos Químicos

UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS ESCUELA DE ESTUDIOS GENERALES ÁREA DE INGENIERIA CÁLCULOS BÁSICOS EN QUÍMICA S12: EQUILIBRIO QUÍMICO

Mg. Gerardo De Lama Carrillo 2018 - II

EQUILIBRIO QUÍMICO

CÁLCULOS BASICOS EN QUÍMICA

Equilibrio químico Ley de acción de las masas. Cálculo de las concentraciones en el equilibrio

EQUILIBRIO QUÍMICO

Competencias Resuelve problemas de cálculo de concentraciones en equilibrio químico.

Logro de sesión Al finalizar la sesión, resuelve problemas de cálculo de concentraciones en equilibrio químico.

EQUILIBRIO QUÍMICO

EQUILIBRIO QUÍMICO

aA(g) + bB(g) ⇌ cC(g) + dD(g) c

Kc =

d

[C] [D] [A]a [B]b

Kp =

PcC x PdD PaA x PbB

• Kc = Constante de Equilibrio en función de las concentraciones molares. • Kp = Constante de Equilibrio en función de las presiones parciales de los gases. • PA, PB, PC, PD = Presiones parciales de los gases en equilibrio (Unidad: Atm.) • [A], [B], [C], [D] = Concentraciones molares de las sustancias en equilibrio (Unidad: mol/L).

EQUILIBRIO QUÍMICO

EQUILIBRIO QUÍMICO

EQUILIBRIO QUÍMICO

EQUILIBRIO QUÍMICO

EQUILIBRIO QUÍMICO

EQUILIBRIO QUÍMICO

Kc =

KC =

[CO]2 [O2]

Kp =

[CO2]2

P2CO2

[O3]2

P2O3

Kp =

[O2]3 KC =

Kc =

KC =

P2CO x PO2

[COCl2] [CO] [Cl2]

P3O2 Kp =

PCOCl2 PCO x PCl2

[H+] [HCOO-] [HCOOH] [O2]

Kp =

PO2

EQUILIBRIO QUÍMICO Variaciones en el equilibrio N2(g) + 3H2(g) ⇌ 2NH3(g) + Calor 4 mol

2 mol

Perturbación externa Oposición del sistema

Sentido de la reacción

Se adiciona cierta cantidad N2(g)

El sistema consume parte de N2(g)

→

Se retira H2(g)

El sistema produce H2(g)

←

Se retira parte de NH3(g) El sistema produce NH3(g) Aumenta la presion de El volumen del reactor los gases (produce aumenta (la presion de mayor número de moles los gases disminuye) gaseosos) Se enfria el sistema (se El sistema produce calor reira calor)

→

Consecuencias Se consume H2(g) Se produce NH3(g) Se consume NH3(g) Se produce N2(g) Se consumen H2(g) y N2(g) Se consume NH3(g)

←

Se producen H2(g) y N2(g) Se consumen H2(g)

→

y N2(g) Se produce NH3(g)

EQUILIBRIO QUÍMICO

Ejercicio 1: En la disociación del acido acético CH3COOH al alcanzar el equilibrio, se encontró una concentración de 3,99 M para el CH3COOH, 8,36x10-3 M para el CH3COO- y 8,36x10-3 M para el H+. calcular la Keq para esta reacción.

Solución:

EQUILIBRIO QUÍMICO

Ejercicio 1: En la disociación del acido acético CH3COOH al alcanzar el equilibrio, se encontró una concentración de 3,99 M para el CH3COOH, 8,36x10-3 M para el CH3COO- y 8,36x10-3 M para el H+. calcular la Keq para esta reacción. Solución: CH3COOH ⇌ CH3COO- + H+ 3,99 M 8,36x10-3 M 8,36x10-3 M Keq =

[CH3COO-] [H+] [CH3COOH]

Keq =

[8,36X10-3] [8,36X10-3] [3,99]

Keq= 1,75x10-5 Keq < 1, Favorece a los reactivos Keq > 1, Favorece a los Productos

EQUILIBRIO QUÍMICO

Ejercicio 2:

Se tiene un recipiente de 12 L en el que se deja reaccionar gas hidrogeno y gas azufre para obtener sulfuro de hidrogeno, al final de la reacción se encuentra 2,35 mol de H2, 1,35x10-5 mol de S2 y 8,7 mol de H2S. calcular la Keq para esta reacción. Solución:

EQUILIBRIO QUÍMICO

Ejercicio 2:

Se tiene un recipiente de 12 L en el que se deja reaccionar gas hidrogeno y gas azufre para obtener sulfuro de hidrogeno, al final de la reacción se encuentra 2,35 mol de H2, 1,35x10-5 mol de S2 y 8,7 mol de H2S. calcular la Keq para esta reacción. Solución: 2H2(g) + S2(g) ⇌ 2,35 mol 1,35x10-5 mol M=

mol L

2,35 mol 12 L

Keq =

Keq =

1,35x10-5 mol 12 L

2H2S(g) 8,7 mol 8,7 mol 12 L

[H2S]2 [H2]2 [S2] [0,,725]2 [0,196]2 [1,125X10-6]

Keq= 1,216x107

EQUILIBRIO QUÍMICO

Ejercicio 3:

A una temperatura de 1000 ºC, se colocan 5 kg de CaCO3(s) en un recipiente de 100 L herméticamente cerrado y se deja alcanzar el equilibrio. Se sabe que a dicha temperatura, el valor de Kp es 4,21. Determina la masa de CaCO3(s) que permanece sin reaccionar una vez alcanzado el equilibrio. Solución:

CaCO3(s)

⇄

CaO(s) + CO2(g)

EQUILIBRIO QUÍMICO

Solución:

⇄

CaCO3(s) Como Kp = PCO2 PV = n RT

CaO(s) + CO2(g)

PCO2 = 4,21 n=

4,21 atm x 100L 0,082 (L.atm/mol.K) x 1273 K

n = 4,033 mol de CO2 formadas nCaCO3 =

5000 g = 50 mol CaCO3 100 g/mol

Moles de CaCO3 sin reaccionar = 50 – 4,033 = 45,97 mol de CaCO3 Masa de CaCO3 que permanece en el equilibrio: mCaCO3 = 45,97 mol x 100 g = 4596,7 g CaCO3 mol 4,6 kg de CaCO3 sin reaccionar

EQUILIBRIO QUÍMICO

Ejercicio 4: A 1000 K, la Keq es 2,39 en la siguiente reacción: SO2Cl2(g) ⇌ SO2(g) + Cl2(g) En una mezcla en equilibrio de los tres gases las presiones parciales de SO2Cl2 y SO2 son 3,31 atm y 1,59 atm respectivamente. ¿Cuál es la presión del Cl2 en la mezcla de equilibrio? Solución:

EQUILIBRIO QUÍMICO

Ejercicio 4: A 1000 K, la Keq es 2,39 en la siguiente reacción: SO2Cl2(g) ⇌ SO2(g) + Cl2(g) En una mezcla en equilibrio de los tres gases las presiones parciales de SO2Cl2 y SO2 son 3,31 atm y 1,59 atm respectivamente. ¿Cuál es la presión del Cl2 en la mezcla de equilibrio? Solución:

SO2Cl2(g) 3,31 atm Keq = PCl2 =

PCl2 =

⇌

SO2(g) + Cl2(g) 1,59 atm X atm

PSO2 PCl2 PSO2Cl2 Keq PSO2Cl2 PSO2 2,39 x 3,31 atm 1,59 atm

PCl2= 4,98 atm

EQUILIBRIO QUÍMICO

Ejercicio 5: Para la reacción: N2(g) + 2H2O(g) ⇄ 2NO(g) + 2H2(g) Kp es de 1,54x10-3 a una determinada temperatura. Si en un recipiente cerrado hay nitrógeno, vapor de agua, óxido de nitrógeno (II) e hidrógeno con las siguientes presiones parciales a esa temperatura: PN2 = 0,165 atm, PH2O = 0,990 atm, PNO = 0,225 atm, PH2 = 0,075 atm Determine si el sistema ha llegado al equilibrio y si no es así indique qué sucederá para alcanzarlo.

Solución:

EQUILIBRIO QUÍMICO

Ejercicio 5: Para la reacción: N2(g) + 2H2O(g) ⇄ 2NO(g) + 2H2(g) Kp es de 1,54x10-3 a una determinada temperatura. Si en un recipiente cerrado hay nitrógeno, vapor de agua, óxido de nitrógeno (II) e hidrógeno con las siguientes presiones parciales a esa temperatura: PN2 = 0,165 atm, PH2O = 0,990 atm, PNO = 0,225 atm, PH2 = 0,075 atm Determine si el sistema ha llegado al equilibrio y si no es así indique qué sucederá para alcanzarlo.

Solución: Para saber si el sistema está en equilibrio hallaremos el cociente de reacción y lo compararemos con el valor de la constante de equilibrio a esa temperatura. Usaremos el cociente de reacción escrito en función de las presiones parciales: 2

= 1,76 x 10-3 > 1,54 x 10-3 Q>Kp, por lo que el sistema no ha alcanzado el equilibrio. Para llegar a él, el sistema debe evolucionar hacia la izquierda: es decir el H2 y el NO reaccionan para formar N2 y H2O.

EQUILIBRIO QUÍMICO

Ejercicio 6: Para la reacción: 2NOCl(g) ⇄ 2NO(g) + Cl2(g), el valor de Kc es 2,0·10-10 a 25ºC. Calcular la concentración de equilibrio de cada componente en un recipiente de 2 litros si se parte de con 0,4 mol de NOCl. Solución:

EQUILIBRIO QUÍMICO

Ejercicio 6: Para la reacción: 2NOCl(g) ⇄ 2NO(g) + Cl2(g), el valor de Kc es 2,0·10-10 a 25ºC. Calcular la concentración de equilibrio de cada componente en un recipiente de 2 litros si se parte de con 0,4 mol de NOCl. Solución: Concentración inicial de NOCl = 0,4mol/2litros= 0,2 M

2NOCl(g) ⇄ 2NO(g) + Cl2(g), Inicial Cambio Equilibrio

0,2 M x 0,2-x

0 x x

0 0,5x 0,5x

x = 2,52x10-4 Las concentraciones en el equilibrio serán: [NOCl] = 0,2- 2,52x10-4 ~ 0,2 M, [NO] = 2,52x10-4M, [Cl2] = 1,26 M

Nota: para la resolución numérica hay que tener en cuenta que como la constante de equilibrio es muy pequeña, podemos despreciar x frente a 0,2 y facilitar así la resolución.

EQUILIBRIO QUÍMICO Ejercicio 7:

Se llena un matraz de 1,0 L con 1,0 mol de H2 y 2,0 mol de I2 a 448 ºC., la Keq a esta temperatura es 50,5 ¿Cuáles son las presiones parciales en el equilibrio de H2, I2 y HI? Solución:

EQUILIBRIO QUÍMICO Ejercicio 7:

Se llena un matraz de 1,0 L con 1,0 mol de H2 y 2,0 mol de I2 a 448 ºC., la Keq a esta temperatura es 50,5 ¿Cuáles son las presiones parciales en el equilibrio de H2, I2 y HI? Solución:

EQUILIBRIO QUÍMICO

Solución: Continuación H2(g) + Inicio 59,19 atm Cambio -X Equilibrio (59,19-X) Keq =

50,5 =

I2(g) ⇌ 118,4 atm -X (118,4-X)

2HI(g) ) 0 atm 2X (2X)

P2HI PH2 PI2

(2X)2 (59,19-X) (118,4-X)

4X2 50,5 = 7,01x103 + X2 – 59,19X

X1 = 137,56 X2 = 55,34 Si es (-) se elimina Se prueba: PH2 = 59,19-137,56 PH2 = -78 atm No Existe presión (-)

4X2 = 50,5X2 - 8,97x102X + 3,64x105 46,5X2 - 8,97x103X + 3,64x105 = 0

PI2 = 59,19 – 55,34 = 4,22 atm PH2 = 118,4 – 55,34 = 63,06 atm PHI = 2 x 55,34 = 110,64 atm

EQUILIBRIO QUÍMICO

Ejercicio 8:

Se sabe que a 750 °C, el valor de Kc es 0,771 para la siguiente reacción: H2(g) + CO2(g)

⇄

H2O(g) + CO(g)

Si colocamos 0,0100 moles de H2 y 0,0150 moles de CO2 en un recipiente de 2 L a 750 °C, Calcular las concentraciones de cada una de las especies en el equilibrio. Solución: Determinamos las concentraciones iniciales:

EQUILIBRIO QUÍMICO

Solución:

H2(g) + CO2(g) Inicial Cambio Equilibrio

⇄

0,0050 0,0075 x x (0,005-x) (0,075-x)

H2O(g) + CO(g) 0 x x

0 x x

(0,0000375 - 0,0125 x + x2) 0,771 = x2 0,229 x2 + 0,0096375 x - 0,0000289 = 0 x1 = 0,002811 M; x2 = – 0,04490 M [H2] = 0,0050 – x = 0,0022 M [CO2] = 0,0075 – x = 0,0047 M [H2O] = [CO] = x = 0,002811 M

EQUILIBRIO QUÍMICO

Ejercicio 9: Cuando el cloruro amónico se calienta a 275ºC en un recipiente cerrado de 1,0litro, se descompone dando lugar a cloruro de hidrógeno gaseoso y amoniaco gaseoso alcanzándose el equilibrio. La constante Kp = 1,04x10-2. ¿Cuál será la masa de cloruro de amonio que queda sin descomponer cuando se alcance el equilibrio si en la vasija se introducen 0,980 g de sal sólida? Solución:

EQUILIBRIO QUÍMICO

Ejercicio 9: Cuando el cloruro amónico se calienta a 275ºC en un recipiente cerrado de 1,0litro, se descompone dando lugar a cloruro de hidrógeno gaseoso y amoniaco gaseoso alcanzándose el equilibrio. La constante Kp = 1,04x10-2. ¿Cuál será la masa de cloruro de amonio que queda sin descomponer cuando se alcance el equilibrio si en la vasija se introducen 0,980 g de sal sólida? Solución:

EQUILIBRIO QUÍMICO

Ejercicio 10: En un recipiente de volumen fijo se introduce, a 250 ºC, una cierta cantidad de pentacloruro de fósforo que se descompone:

PCl5(g) ⇄ PCl3(g) + Cl2(g) En el equilibrio existen 0,53 moles de cloro y 0,32 moles de pentacloruro de fósforo. ¿Cuál es el volumen del recipiente si Kc = 4,1x10-2 Solución:

EQUILIBRIO QUÍMICO

Ejercicio 10: En un recipiente de volumen fijo se introduce, a 250 ºC, una cierta cantidad de pentacloruro de fósforo que se descompone:

PCl5(g) ⇄ PCl3(g) + Cl2(g) En el equilibrio existen 0,53 moles de cloro y 0,32 moles de pentacloruro de fósforo. ¿Cuál es el volumen del recipiente si Kc = 4,1x10-2 Solución:

EQUILIBRIO QUÍMICO

Ejercicios En un recipiente cerrado de 32 litros de capacidad existe carbono sólido que reacciona con CO2 y forma CO. A 600 K, el sistema alcanza el equilibrio: C(s) + CO2(g) ⇄ 2 CO(g) estando presentes carbono en exceso, 1,5 moles de CO(g) y 0,5 moles de CO2(g). a. Calcular Kc b. A la misma temperatura y en la misma vasija existen 30,0g de CO2(g) cuando se introduce suficiente carbono para alcanzar el equilibrio anterior. Calcula la cantidad de cada gas en el equilibrio.

EQUILIBRIO QUÍMICO

Ejercicios A 800 K la constante de equilibrio de la reacción:

H2(g) + I2(g) ⇄ 2 HI(g) es Kp = 37,2. En un recipiente de 4 litros que contiene hidrógeno a 800 K y una presión de 0,92 atm se introducen 0,2 moles de HI. ¿Qué sucederá? a) Calcule la concentración de I2 que habrá en el recipiente cuando se alcance el estado de equilibrio. b) Calcule la presión total en el estado inicial y en el equilibrio.

EQUILIBRIO QUÍMICO

Ejercicios El óxido de nitrógeno(II) reacciona con oxígeno según la siguiente ecuación: 2 NO(g) + O2(g) ⇄ 2 NO2(g)

Se introducen 12 g de NO(g) y 16 g de O2(g en un recipiente cerrado de 3 litros en el que previamente se ha hecho el vacío. Se calienta la mezcla a 100ºC y cuando se alcanza el equilibrio a dicha temperatura la presión total en el interior del recipiente es de 8,36 atmósferas. a. Calcula el valor de Kc. b. Calcula la presión parcial de cada componente en la mezcla de equilibrio y, a partir de estas presiones parciales, calcula el valor de Kp.

EQUILIBRIO QUÍMICO

Ejercicios En un recipiente de paredes rígidas de 1,0 L se hace el vacío y después se introduce N2O4(g) hasta alcanzar una presión de 1,00 atm a l00ºC. El N2O4 se disocia parcialmente según: N2O4(g) ⇄ 2 NO2(g) Al alcanzarse el equilibrio la presión total es de 1,78 atm a 100 ºC a) Calcule la cantidad inicial de N2O4 b) Calcule las concentraciones de equilibrio de ambos compuestos, expresadas en mol/litro. Calcule también el porcentaje de disociación del N2O4 a 100 ºC c) Calcule Kp y Kc de la reacción de disociación a 100ºC.