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Road to IngenieríaFundamentos Químicos de la Ingeniería · tema 08

Fundamentos Químicos de la Ingeniería · tema 08

Equilibrio químico

Qué es una constante de equilibrio y qué no. Le Chatelier caso por caso, la cuadrática que hay que resolver, y por qué un catalizador no desplaza nada.

Un equilibrio químico no es que la reacción se pare: es que va igual de rápido en los dos sentidos, así que las cantidades dejan de cambiar aunque las moléculas sigan reaccionando. Esa distinción, que suena a matiz, es la que explica por qué añadir un reactivo cambia algo.

En los dos exámenes del segundo cuatrimestre transcritos hay un ejercicio de este tema en cada uno, y los dos tienen la misma forma: calcular una constante, perturbar el sistema y ver dónde queda, y razonar cinco cambios de Le Chatelier.

La constante, y lo que no es

Kc=[productos]ν[reactivos]νK_c = \frac{[\text{productos}]^{\nu}}{[\text{reactivos}]^{\nu}}

con los coeficientes de la ecuación como exponentes, y en el equilibrio. Tres reglas que se usan sin pensar y hay que tener claras:

  • Solo entran gases y disueltos. Los sólidos puros y los líquidos puros no aparecen: su concentración no cambia.
  • KcK_c depende solo de la temperatura. No de las cantidades iniciales, no del volumen, no de la presión.
  • Si la reacción se invierte, la constante es su inversa; si se multiplica por dos, la constante se eleva al cuadrado.

Y la relación con la de presiones:

Kp=Kc(RT)ΔngasK_p = K_c\,(RT)^{\Delta n_{\text{gas}}}

Cuando Δngas=0\Delta n_{\text{gas}} = 0 las dos coinciden — es el caso del gas de agua, H2O+COH2+CO2\mathrm{H_2O} + \mathrm{CO} \rightleftharpoons \mathrm{H_2} + \mathrm{CO_2}, donde hay dos moles de gas a cada lado.

El cociente de reacción, que es la misma cuenta fuera del equilibrio

QQ se escribe exactamente igual que KK, pero con las concentraciones que haya en ese momento en vez de las del equilibrio. Sirve para lo único que suele preguntarse antes de calcular nada: hacia dónde va a moverse la reacción.

Comparar el cociente de reacción con la constante dice hacia dónde avanzaUna recta con la constante de equilibrio marcada en el centro. Si el cociente de reacción es menor que la constante, hay poco producto y la reacción avanza hacia los productos, hacia la derecha. Si es mayor, hay demasiado producto y retrocede hacia los reactivos. Si es igual, el sistema ya está en equilibrio y no se mueve.Kequilibriono se mueveQ < Kfalta productoavanza hacia productosQ > Ksobra productoretrocede a reactivosmenos productosmás productos

La pregunta que responde: ¿hacia dónde va a moverse esto? No hace falta resolver ningún equilibrio para saberlo — basta calcular Q con lo que hay ahora y compararlo con K. Y la dirección es la intuitiva una vez vista: si falta producto, la reacción va a fabricarlo; si sobra, se deshace de él. Conviene hacer esta comparación antes de montar la tabla, porque dice el signo de la incógnita y evita quedarse con la raíz negativa.

Creer que añadir reactivo cambia la constante

No la cambia. Lo que cambia son las concentraciones, que se reajustan precisamente para que el cociente vuelva a valer lo mismo.

Es la confusión que más despista, porque el sistema «responde» y parece que algo se ha movido. Lo que se ha movido son las cantidades; la constante solo se mueve con la temperatura.

La comprobación que lo deja claro: en el ejercicio del fosgeno se añaden 0,02 mol de cloro y las tres concentraciones cambian, pero al recalcular el cociente sale 4,641034{,}64\cdot 10^{-3} otra vez, hasta la cuarta cifra.

Le Chatelier, caso por caso

El sistema responde oponiéndose a la perturbación. Los cinco casos que caen, y qué hace cada uno:

perturbaciónel equilibrio se desplazapor qué
añadir un reactivohacia los productospara consumir lo añadido
retirar un productohacia los productospara reponerlo
subir la presiónhacia el lado con menos moles de gasasí ocupa menos
subir la temperaturahacia donde la reacción absorbe calorel calor actúa como reactivo
añadir un catalizadorno se desplazaacelera los dos sentidos por igual

Los dos importantes son los dos del medio, porque hay que mirar la ecuación para responder.

La presión solo hace algo si el número de moles de gas cambia. En COCl2CO+Cl2\mathrm{COCl_2} \rightleftharpoons \mathrm{CO} + \mathrm{Cl_2} se pasa de 1 a 2, así que comprimir empuja hacia el fosgeno; en el gas de agua, con dos a cada lado, comprimir no hace nada.

La temperatura es la única que cambia KK, y su dirección depende del signo de ΔH\Delta H. El truco de escribirla como una sustancia más funciona siempre:

A+calorB(endoteˊrmica)AB+calor(exoteˊrmica)\mathrm{A} + \text{calor} \rightleftharpoons \mathrm{B} \quad\text{(endotérmica)} \qquad \mathrm{A} \rightleftharpoons \mathrm{B} + \text{calor} \quad\text{(exotérmica)}

y entonces subir la temperatura es «añadir calor», con la misma regla que añadir cualquier reactivo.

Pensar que un catalizador desplaza el equilibrio

Cae en los dos exámenes transcritos, y siempre entre las opciones que hay que descartar.

Un catalizador baja la barrera de energía en los dos sentidos por igual, así que multiplica las dos velocidades por el mismo factor. El equilibrio llega antes, y es exactamente el mismo.

Y la razón de fondo, que es la que conviene escribir: la constante depende de ΔG0\Delta G^{0}, que es una diferencia entre el principio y el final. Un catalizador cambia el camino, no los extremos.

Cuando hay que resolver la cuadrática

El apartado que más cuesta es siempre el mismo: se perturba el sistema y se pide dónde queda el nuevo equilibrio. El método es una tabla y una ecuación de segundo grado.

  1. Escribe las concentraciones justo después de la perturbación, antes de que reaccione nada.
  2. Decide hacia dónde se desplaza y llama xx a lo que reacciona.
  3. Escribe las tres concentraciones finales en función de xx.
  4. Sustituye en KcK_c —la de siempre, que no ha cambiado— y resuelve.

Con el fosgeno, tras añadir cloro el sistema va hacia la izquierda:

Kc=(0,0225x)(0,0425x)0,109+x=4,64103K_c = \frac{(0{,}0225-x)(0{,}0425-x)}{0{,}109+x} = 4{,}64\cdot 10^{-3}

y de las dos raíces solo una tiene sentido: la que no deja una concentración negativa.

Quedarse con la raíz que no puede ser

Una cuadrática da dos soluciones y casi siempre una es imposible. Aquí la otra raíz vale 0,0624, que restada a los 0,0225 mol de CO deja una concentración negativa.

No se descarta «porque es la grande»: se descarta comprobándola. La regla es sustituir las dos y quedarse con la que deja las tres concentraciones positivas — y, si quedan dudas, la que devuelve el KcK_c de partida.

Van’t Hoff: la constante a otra temperatura

lnK2K1=ΔH0R(1T21T1)\ln\frac{K_2}{K_1} = -\frac{\Delta H^{0}}{R}\left(\frac{1}{T_2}-\frac{1}{T_1}\right)

Sirve en las dos direcciones, y en el examen se usa en la que menos se espera: te dan dos constantes a dos temperaturas y piden la entalpía de la reacción. Con el fosgeno salen 80,5 kJ/mol, positiva — descomponer cuesta energía, como era de esperar.

Y de paso confirma el sentido de Le Chatelier: si ΔH>0\Delta H > 0, subir la temperatura aumenta KK y desplaza hacia los productos.

Cómo saber que has terminado

  • Escribir un KcK_c con sus exponentes y sin meter los sólidos.
  • Decir, sin calcular, si KpK_p y KcK_c coinciden mirando Δn\Delta n.
  • Razonar los cinco casos de Le Chatelier, y en particular saber por qué un catalizador no hace nada y cuándo la presión no hace nada.
  • Montar la tabla de un nuevo equilibrio y resolver la cuadrática, descartando la raíz imposible por comprobación y no por tamaño.
  • Y sacar una entalpía de dos constantes con van’t Hoff.

Practica lo que acabas de leer

Un Kc que sale el doble por no dividir entre el volumen

Ejemplo introductorio, para entrar de cero. Cada paso equivocado recibe su diagnóstico, no un «incorrecto».

Hacer el ejercicio →

nivel: ejemploEjemplo introductorio · Road to Ingeniería. No es de examen ni de los problemas propuestos de la asignatura.

Un Kc que sale el doble por no dividir entre el volumen

paso 1 de 3

1.er intento a pelo · al 2.º aparece la pista, al 3.º el desarrollo — la solución nunca se da al fallar: se te dice en qué te has ido y por qué.

Enunciado

En un recipiente de 2 litros, a 25 °C, se alcanza el equilibrio

N2O4(g)2NO2(g)\mathrm{N_2O_4\,(g)} \rightleftharpoons 2\,\mathrm{NO_2\,(g)}

y se miden 0,10 mol de N2O4 y 0,20 mol de NO2.

Calcular KcK_c.

Dato: R=0,0821 atmL/(molK)R = 0{,}0821\ \mathrm{atm\,L/(mol\,K)}.

La constante de equilibrio Kc.

  1. 01

    Reconocer el camino

    COMP1

    El enunciado da moles y el volumen del recipiente. ¿Qué entra en la expresión de KcK_c?

  2. 02

    La constante

    COMP2

    ¿Cuánto vale KcK_c?

    la constante, adimensional, con tres cifras decimales — vale la forma exacta: pi/4, sqrt(3)/2, (e^2-1)/2…
  3. 03

    Justificar el argumento

    COMP4

    Ordena el razonamiento. Una pieza es falsa.

    1. Ve eligiendo las piezas en orden.

¿Esto está mal? Dilo →La resolución es nuestra y puede tener fallos. El enunciado es el original.

nivel: ejemploEjemplo introductorio · Road to Ingeniería. No es de examen ni de los problemas propuestos de la asignatura.

La tabla de equilibrio, en el caso que sale con una raíz

paso 1 de 3

1.er intento a pelo · al 2.º aparece la pista, al 3.º el desarrollo — la solución nunca se da al fallar: se te dice en qué te has ido y por qué.

Enunciado

Para la reacción

H2(g)+I2(g)2HI(g)\mathrm{H_2\,(g)} + \mathrm{I_2\,(g)} \rightleftharpoons 2\,\mathrm{HI\,(g)}

la constante vale Kc=50K_c = 50 a la temperatura de trabajo.

Se parte de 1,00 mol de H2 y 1,00 mol de I2 en 1 litro, sin nada de HI. Calcular la concentración de HI en el equilibrio.

La concentración de yoduro de hidrógeno en el equilibrio.

  1. 01

    Reconocer el camino

    COMP1

    Se parte solo de reactivos. ¿Cómo se plantea el equilibrio?

  2. 02

    El HI del equilibrio

    COMP2

    ¿Cuánto vale [HI][\mathrm{HI}] en el equilibrio?

    la concentración en mol/L, con tres cifras decimales — vale la forma exacta: pi/4, sqrt(3)/2, (e^2-1)/2…
  3. 03

    Justificar el argumento

    COMP4

    Ordena el método. Una pieza es falsa.

    1. Ve eligiendo las piezas en orden.

¿Esto está mal? Dilo →La resolución es nuestra y puede tener fallos. El enunciado es el original.

nivel: practicaProblema 1 · Problemas propuestos del tema 8, Equilibrio químico · Fundamentos Químicos de la Ingeniería (25975), Escuela de Ingeniería de Gipuzkoa (UPV/EHU) · La colección publica la respuesta final; el desarrollo es nuestro.

La esterificación, y por qué aquí el volumen no aparece

paso 1 de 4

1.er intento a pelo · al 2.º aparece la pista, al 3.º el desarrollo — la solución nunca se da al fallar: se te dice en qué te has ido y por qué.

Enunciado

Al mezclar 1 mol de etanol con 1 mol de ácido acético se encuentra que una vez alcanzado el equilibrio hay 2/3 moles de agua y 2/3 moles de ester. Calcular: a) Kc, b) Si se parte de 3 moles de alcohol y 1 mol de ácido ¿Cuántos moles de ester y de ácido hay en el equilibrio?

CH3-COOH+CH3-CH2OH    CH3-COO-CH2-CH3+H2O\mathrm{CH_3\text{-}COOH} + \mathrm{CH_3\text{-}CH_2OH} \;\rightleftharpoons\; \mathrm{CH_3\text{-}COO\text{-}CH_2\text{-}CH_3} + \mathrm{H_2O}

La constante de equilibrio y los moles de éster y de ácido al partir de otra mezcla.

  1. 01

    Reconocer el camino

    COMP1

    El enunciado no dice en qué volumen ocurre la reacción. ¿Es un olvido?

  2. 02

    La constante de equilibrio

    COMP2

    Con 2/3 de mol de éster y de agua en el equilibrio, ¿cuánto vale KcK_c?

    un número entero — vale la forma exacta: pi/4, sqrt(3)/2, (e^2-1)/2…
  3. 03

    El éster al partir de tres moles de alcohol

    COMP2

    Partiendo de 3 mol de alcohol y 1 mol de ácido, ¿cuántos moles de éster hay en el equilibrio?

    un número, con dos decimales — vale la forma exacta: pi/4, sqrt(3)/2, (e^2-1)/2…
  4. 04

    Justificar el argumento

    COMP4

    Ordena el argumento. Una pieza es falsa.

    1. Ve eligiendo las piezas en orden.

¿Esto está mal? Dilo →La resolución es nuestra y puede tener fallos. El enunciado es el original.

nivel: practicaProblema 3 · Problemas propuestos del tema 8, Equilibrio químico · Fundamentos Químicos de la Ingeniería (25975), Escuela de Ingeniería de Gipuzkoa (UPV/EHU) · La colección publica la respuesta final; el desarrollo es nuestro.

El amoniaco, y el exponente que decide si Kp sube o baja

paso 1 de 4

1.er intento a pelo · al 2.º aparece la pista, al 3.º el desarrollo — la solución nunca se da al fallar: se te dice en qué te has ido y por qué.

Enunciado

Para determinar la constante, a 700 ºC, de la reacción:

N2(g)+3H2(g)    2NH3(g)\mathrm{N_2\,(g)} + 3\,\mathrm{H_2\,(g)} \;\rightleftharpoons\; 2\,\mathrm{NH_3\,(g)}

se han mezclado 0,652 g de hidrógeno y 12,292 g de nitrógeno en un recipiente de 1 L. Se ha calculado que el sistema en el equilibrio contenía un total de 0,657 moles. Calcular las constantes de equilibrio Kc y Kp de dicha reacción, a la temperatura dada.

Las constantes Kc y Kp a 700 ºC.

  1. 01

    Reconocer el camino

    COMP1

    El único dato del equilibrio es el número total de moles. ¿Cómo se saca de ahí cuánto ha reaccionado?

  2. 02

    La constante en concentraciones

    COMP2

    Con las masas molares en números redondos —2 para el H₂ y 28 para el N₂— y el recipiente de 1 L, ¿cuánto vale KcK_c?

    un número, con dos decimales — vale la forma exacta: pi/4, sqrt(3)/2, (e^2-1)/2…
  3. 03

    La constante en presiones

    COMP2

    Pasando a presiones con R=0,0821R = 0{,}0821 y T=973T = 973 K, ¿cuánto vale KpK_p?

    un número en notación científica, como 1,08e-3 — vale la forma exacta: pi/4, sqrt(3)/2, (e^2-1)/2…
  4. 04

    Justificar el argumento

    COMP4

    Ordena el argumento. Una pieza es falsa.

    1. Ve eligiendo las piezas en orden.

¿Esto está mal? Dilo →La resolución es nuestra y puede tener fallos. El enunciado es el original.

nivel: practicaProblema 4 · Problemas propuestos del tema 8, Equilibrio químico · Fundamentos Químicos de la Ingeniería (25975), Escuela de Ingeniería de Gipuzkoa (UPV/EHU) · La colección publica la respuesta final; el desarrollo es nuestro.

La caliza, y los sólidos que no aparecen en la constante

paso 1 de 4

1.er intento a pelo · al 2.º aparece la pista, al 3.º el desarrollo — la solución nunca se da al fallar: se te dice en qué te has ido y por qué.

Enunciado

A 1000 K la Kp para la descomposición del CaCO3 (s) en CaO (s) y CO2 (g) es de 4 x 10⁻⁵ atm. Se coloca un poco de CaCO3 (s) en un recipiente de 5 L a 1000 K. Una vez establecido el equilibrio ¿Cuántos gramos de CaO (s) se han formado?

La masa de óxido de calcio formada en el equilibrio.

  1. 01

    Reconocer el camino

    COMP1

    La reacción tiene dos sólidos y un gas. ¿Cómo se escribe KpK_p?

  2. 02

    Los moles de gas

    COMP2

    Con PCO2=4×105P_{\mathrm{CO_2}} = 4 \times 10^{-5} atm en 5 L a 1000 K, ¿cuántos moles de CO₂ hay?

    un número en notación científica, como 1,08e-3 — vale la forma exacta: pi/4, sqrt(3)/2, (e^2-1)/2…
  3. 03

    Los gramos de óxido

    COMP2

    ¿Cuántos gramos de CaO se han formado? Masa molar del CaO, 56,08 g/mol.

    un número en notación científica, como 1,37e-4, en gramos — vale la forma exacta: pi/4, sqrt(3)/2, (e^2-1)/2…
  4. 04

    Justificar el argumento

    COMP4

    Ordena el argumento. Una pieza es falsa.

    1. Ve eligiendo las piezas en orden.

¿Esto está mal? Dilo →La resolución es nuestra y puede tener fallos. El enunciado es el original.

Entrena COMP1 · COMP2 · COMP4

Adaptado del Tema 8 y de los problemas propuestos de Fundamentos Químicos de la Ingeniería (25975) · Escuela de Ingeniería de Gipuzkoa, UPV/EHU