Capítulo 15Equilibrio Químico

Equilibrium

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El Concepto de Equilibrio

El equilibrio químico ocurre cuando en unat f ió í i l ió di t lEquilibrium

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transformación química la reacción directa y lareacción inversa ocurren a la misma velocidad.

El Concepto de Equilibrioac

ión

idad

N2O4

N2O4

Con

cent

ra

Velo

ci

NO2 NO2

• Conforme la transformación química se aproximaal equilibrio, ocurren la reacción directa y lainversa.

• En el equilibrio, la reacción directa y la inversaocurren a la misma velocidad.E l ilib i l t ió d t tEquilibrium

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• En el equilibrio, la concentración de reactantes yproductos permanece constante.

Representación del Equilibriop q

Debido a que en en el equilibrio, ocurrenambas reacciones: directa e inversa,,escribimos la ecuación con dos mediasflechas.

N2O4 (g) 2 NO2 (g)

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LLaConstante deConstante de

E ilib iEquilibrioqEquilibrium

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Ley de Acción de Masasy

• Considere la siguiente ecuación de• Considere la siguiente ecuación deequilibrio general:

aA + bB cC + dD

• La condición de equilibrio se expresa dela forma:

Kc = [C]c[D]d[A]a[B]b Equilibrium

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c [A]a[B]b

Ley de Acción de Masasy

N2O4(g) 2NO2(g)

[NO ]2Kc =

[NO2]2[N2O4]

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El Equilibrio puede Alcanzarse desde Ambas Direccionesdesde Ambas Direcciones

Experimento Inicial Inicial Equilibrio Equilibrio

Como se puede observar, la relación entre [NO2]2 y[N2O4] en el equilibrio permanece constante a esta[N2O4] en el equilibrio permanece constante a estatemperatura (100 C) independientemente de lasconcentraciones iniciales de NO2 and N2O4.

Equilibrium

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El Equilibrio puede Alcanzarse desde Ambas Direccionesdesde Ambas Direcciones

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

ón n

once

ntra

ció

once

ntra

ción

Co

Co

No importa el inicio escogido para la reacción, conN2 y H2 o solo con NH3, en el equilibrio se alcanzala misma proporción entre las tres sustancias: laEquilibrium

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la misma proporción entre las tres sustancias: laconstante de equilibrio es la misma.

La Constante de Equilibrio en Términos de Presión: KTérminos de Presión: Kp

aA(g) + bB(g) cC(g) + dD(g)

Debido a que la presión es proporcional a laconcentración del gas en un sistema cerrado,g ,la constante de equilibrio también puedeescribirse de la forma:

K = (PC)c (PD)dEquilibrium

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Kp = ( C) ( D)(PA)a (PB)b

Relación entre Kc y Kp

• De la ecuación de los gases ideales sabemos Aque para un gas A:

P = RTnA P = [A]RTPA = RTV PA = [A]RT

• Aplicando este resultado para cada• Aplicando este resultado para cadasustancia en la expresión para Kp se obtiene:

Kp = Kc (RT)n

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n = (moles productos gaseosos) - (moles reactantes gaseosos)

¿Cuál es el significado de la Constante de Equilibrio: K ?Constante de Equilibrio: Keq?

Si K >>1 la reacción• Si Keq>>1, la reacciónfavorece la formación deproductos; los productos deproductos; los productos dela reacción predominan enel equilibrio.q

• Si Keq<<1, la reacciónfavorece la formación dereactivos; los reactivos de la

ió d i lEquilibrium

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reacción predominan en elequilibrio.

Trabajando con Constantes de EquilibrioEquilibrio

El valor de la constante de equilibrio para laEl valor de la constante de equilibrio para laecuación escrita en un sentido, es el inversodel valor de la constante de equilibrio para ladel valor de la constante de equilibrio para laecuación escrita en el sentido inverso.

Kc = = 0.212 at 100 C[NO2]2[N2O4]

N2O4 (g) 2 NO2 (g)

Kc = = 4.72 at 100 C[N2O4][NO2]2

N2O4 (g)2 NO2 (g)

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Trabajando con Constantes de EquilibrioEquilibrio

El valor de la constante de equilibrio para laEl valor de la constante de equilibrio para laecuación que ha sido multiplicada por unaconstante, es el valor de la constante deconstante, es el valor de la constante deequilibrio para la ecuación original, elevado auna potencia igual a la constante.u a pote c a gua a a co sta te

Kc = = 0.212 at 100 C[NO2]2[N O ]N2O4(g) 2 NO2(g) [N2O4]

K = = (0 212)2 at 100 C[NO2]42 N O 4 NO Equilibrium

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Kc = = (0.212)2 at 100 C[ 2][N2O4]2

2 N2O4(g) 4 NO2(g)

Trabajando con Constantes de Equilibrio

La constante de equilibrio para una ecuación

EquilibrioLa constante de equilibrio para una ecuaciónneta obtenida a partir de dos o más etapas, esel producto de las constantes de equilibrio deel producto de las constantes de equilibrio delas etapas individuales.

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EquilibriosEquilibrios HeterogéneosHeterogéneos

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La Concentración de Sólidos y Líquidos Puros es ConstanteLíquidos Puros es Constante

Si se aumenta la cantidad de un sólido olíquido puro (a temperatura constante),q p ( p ),tambien aumenta proporcionalmente elvolumen: la concentración permanecepconstante.

[A] = = nAVA

mAV

1M

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VA VA MA

La Constante de Equilibrio de Equilibrios HeterogéneosEquilibrios Heterogéneos

P l t t l t ió d ólidPor lo tanto la concentración de sólidos olíquidos puros que participan en equilibriosh t é i l lheterogéneos, no se incluyen en laexpresión de la constante de equilibrio de la

ió

PbCl2 ( ) Pb2+( ) + 2 Cl-( )

reacción.

K = [Pb2+] [Cl-]2

PbCl2 (s) Pb (aq) + 2 Cl (aq)

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Kc = [Pb2 ] [Cl ]2

La Constante de Equilibrio de Equilibrios HeterogéneosEquilibrios Heterogéneos

CaCO3 (s) CO2 (g) + CaO(s)

Kc = [CO2] Kp = pCOy

A temperatura constante, en cuanto exista CaCO3(s)

Kc [CO2] Kp pCO2y

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o CaO(s) en el sistema, la cantidad de CO2(g) sobre elsólido permanecerá constante.

Cálculos enCálculos en el Equilibrioel Equilibrio

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Un problema de Equilibrio…p qUn sistema cerrado que inicialmente contiene1 0 10 3 l/L d H d 2 0 10 3 l/L d1.0 x 10-3 mol/L de H2 and 2.0 x 10-3 mol/L deI2 a 448 C, se permite que alcance el

ilib i U áli i d l lequilibrio. Un análisis de la mezcla enequilibrio brinda una concentración para el HIi l 1 87 10 3 l/L C l l K 448 Cigual a 1.87 x 10-3 mol/L. Calcule Kc a 448 Cpara la reacción:

H2 (g) + I2 (s) 2 HI (g)Equilibrium

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2 (g) 2 (s) (g)

¿Qué conocemos?¿

[H2]/mol L-1 [I2]/mol L-1 [HI]/mol L-1

Inicial 1.0 x 10-3 2.0 x 10-3 0

CambioCambio

Equilibrio 1.87 x 10-3

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[HI] incrementa por 1.87 x 10-3 mol/L[ ] p

[H2]/mol L-1 [I2]/mol L-1 [HI]/mol L-1

Inicial 1.0 x 10-3 2.0 x 10-3 0

Cambio +1 87 x 10-3Cambio +1.87 x 10

Equilibrio 1.87 x 10-3

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La estequiometría indica que [H2] y [I2] disminuye la mitad del incremeto de [HI].

[H2]/mol L-1 [I2]/mol L-1 [HI]/mol L-1

Inicial 1.0 x 10-3 2.0 x 10-3 0

Cambio -9 35 x 10-4 -9 35 x 10-4 +1 87 x 10-3Cambio 9.35 x 10 9.35 x 10 +1.87 x 10

Equilibrio 1.87 x 10-3

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Ahora se calcula la concentración de los reactivos [H ] y [I ] en el equilibrioreactivos [H2] y [I2] en el equilibrio …

[H2]/mol L-1 [I2]/mol L-1 [HI]/mol L-1

Inicial 1.0 x 10-3 2.0 x 10-3 0

Cambio -9 35 x 10-4 -9 35 x 10-4 +1 87 x 10-3Cambio 9.35 x 10 9.35 x 10 +1.87 x 10

Equilibrio 6.5 x 10-5 1.065 x 10-3 1.87 x 10-3

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…y el valor de la constante de equilibrio:y q

[HI]2Kc = [HI]2[H2] [I2][ 2] [ 2]

= (1.87 x 10-3)2= ( )

(6.5 x 10-5)(1.065 x 10-3)

= 51Equilibrium

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El Cociente de Reacción (Q)( )

• Q se obtiene mediante la mismaexpresión de la constante de equilibrio,pero para sistemas que nop p qnecesariamente se encuentran en elequilibrio.q

• Para calcular Q, se sustituyen lasconcentraciones o presiones parciales deconcentraciones o presiones parciales delos reactivos y productos, para cualquiermomento de una reacción, en la

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momento de una reacción, en laexpresión de la constante de equilibrio.

Si Q = K,

el sistema se encuentra en equilibrio.

EquilibriumQ > KQ = KQ < K

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Si Q > K,hay mucho producto la reacción ocurrehay mucho producto, la reacción ocurre

hacia la izquierda.

EquilibriumQ = KQ < K

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Q > K

Si Q < K,h h i l ióhay mucho reactivo, la reacción ocurre

hacia la derecha.

EquilibriumQ > KQ = K

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Q < K

Principio dePrincipio de Le ChâtelierLe Châtelier

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EnunciadoPrincipio de Le ChâtelierPrincipio de Le Châtelier

“Si un sistema en equilibrio esperturbado por un cambio en lap ptemperatura, presión, o concentrationde un reactivo o producto, el sistemap ,desplazará su posición de equilibrio demanera que se contrarreste el efecto deqla perturbación.”

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Efecto de la Concentración (el Proceso Haber)(el Proceso Haber)

Si se agrega hidrógenoal sistema el nitrógenoal sistema, el nitrógenose consume de talforma que ambosforma que ambosreactivos formen másamoníaco (NH3).

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Efecto de la Concentración (el Proceso Haber)(el Proceso Haber)

Con forme se extrae elamoníaco formado (enamoníaco formado (enestado líquido), sepromueve a que sep qconsuma más hidrógenoy nitrógeno para formarmás amoníaco.

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Efecto de la PresiónN2O4(g) 2NO2(g)

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Efecto de la Presión• El aumentar la presión (reducir el volumen)de un sistema gaseoso en equilibriode un sistema gaseoso en equilibrio,ocaciona que este se desplace en ladirección que permite reducir el número dedirección que permite reducir el número demoles de gas.

• El disminuir la presión (aumentar elvolumen) de un sistema gaseoso enequilibrio, ocaciona que este se desplace en

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la dirección que permite aumentar el númerode moles de gas.

Efecto de la Temperatura

Co(H2O)62+

(ac) + 4 Cl(ac) CoCl4 (ac) + 6 H2O(l)

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Efecto de la Temperatura• Cuando la temperatura de un sistema enequilibrio aumenta (o disminuye), el sistema seequilibrio aumenta (o disminuye), el sistema sedesplaza como si se adicionara (o eliminara)un reactivo para el caso de una reacciónun reactivo para el caso de una reacciónendotérmica o un producto para el caso de unareacción exotérmica.reacción exotérmica.

• El efecto de la temperatura produce unEquilibrium

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cambio en la constante de equilibrio.

Efecto de la Temperatura

• El aumentar (o disminuir) la temperatura de( ) pun sistema endotérmico, ocaciona que laconstante de equilibrio aumente (oq (disminuya).

• El aumentar (o disminuir) la temperatura deun sistema exotérmico ocaciona que laun sistema exotérmico, ocaciona que laconstante de equilibrio disminuya (oaumente)

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aumente).

Efecto de Catalizadores

Los catalizadoresincrementan lavelocidad de la

ió di treacción directa einversa.

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Efecto de Catalizadores

Cuando se utiliza uncatalizador, el equilibrio

l á á idse alcanza más rápido,sin embargo sucomposición: cantidadcomposición: cantidadde reactivos yproductos, permanecep , pinalterada

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