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5. Equilibrio químico

5. Equilibrio químico. Contenidos. Equilibrio químico Concepto Condición de equilibro químico Energía libre de Gibbs de reacción Cociente de reacción Constante de equilibrio termodinámica La constante de equilibrio Significado del valor numérico de K Relación entre K y la estequiometría

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Presentation Transcript

  1. 5. Equilibrio químico Química (1S, Grado Biología) UAM 5. Equilibrio químico

  2. Contenidos Equilibrio químico Concepto Condición de equilibro químico Energía libre de Gibbs de reacción Cociente de reacción Constante de equilibrio termodinámica La constante de equilibrio Significado del valor numérico de K Relación entre K y la estequiometría Evolución hacia el equilibrio Equilibrios homogéneos: disoluciones, gases Equilibrios heterogéneos Dependencia de la temperatura Ecuación de Van’t Hoff Perturbaciones del equilibrio Principio de Le Châtelier Efectos de los cambios de concentración Efectos de los cambios de volumen o presión Efectos de la temperatura Cálculos de equilibrios Química (1S, Grado Biología) UAM 5. Equilibrio químico

  3. Bibliografía recomendada • Petrucci: Química General, 8ª edición. R. H. Petrucci, W. S. Harwood, F. G. Herring, (Prentice Hall, Madrid, 2003). • Secciones 16.1, 16.3, 16.4, 16.5, 16.6, 16.7, 20.6 Química (1S, Grado Biología) UAM 5. Equilibrio químico

  4. Equilibrio químico Química (1S, Grado Biología) UAM 5. Equilibrio químico

  5. Equilibrio químico • A escala macroscópica: • Las concentraciones de todos los reactivos y los productos de una reacción permaneces estables con el tiempo (equilibrio termodinámico) • A escala microscópica o molecular: • Las reacciones globales directa e inversa se están produciendo constantemente y en igual medida (equilibrio dinámico) [Lectura: Petrucci 16.1] Química (1S, Grado Biología) UAM 5. Equilibrio químico

  6. Equilibrio químico 60ºC puntos iniciales puntos de equilibrio (conc. iniciales, M) (conc. de equilibrio, M) ¿Qué tienen en común estos tres puntos de equilibrio? exper. [CO] [H2] [CH3OH] [CO]eq [H2]eq [CH3OH]eq 1 0,1000 0,1000 0 0,0911 0,0822 0,00892 2 0 0 0,1000 0,0753 0,151 0,0247 3 0,1000 0,1000 0,1000 0,138 0,176 0,0620 exp. 2 exp. 1 equilibrio químico equilibrio químico equilibrio químico conc. molar conc. molar conc. molar exp. 3 tiempo tiempo tiempo Química (1S, Grado Biología) UAM 5. Equilibrio químico

  7. Equilibrio químico • Punto de equilibrio de una reacción a una T dada: • caracterizado por unas concentraciones de reactivos y productos, que permanecen constantes en el tiempo • Las concentraciones de equilibrio no son únicas • Existen muchos puntos de equilibrio de una reacción a una T dada • Cada punto inicial conduce a un punto de equilibrio • ¿Qué tienen en común todos los puntos de equilibrio de una reacción a una T dada? [Lectura: Petrucci 16.1] Química (1S, Grado Biología) UAM 5. Equilibrio químico

  8. Condición de equilibrio químico Química (1S, Grado Biología) UAM 5. Equilibrio químico

  9. Energía libre de Gibbs de reacción cociente de reacción termodinámico estándar de la mezcla de reacción reactivos y productos en condiciones estándar reactivos y productos en un punto de la reacción (no estándar) depende de las concentraciones reales de reactivos y productos en el punto de la reacción en que se esté un número a una T dada [Lectura: Petrucci 20.6] Química (1S, Grado Biología) UAM 5. Equilibrio químico

  10. Cociente de reacción (termodinámico estándar) A, B, G, H: solutos y disolventes líquidos C, I: gases no aparecen: sólidos y líquidos puros Q no tiene unidades y sólo depende de las concentraciones y las presiones parciales Recordando las elecciones que se han hecho de estados estándar (Tema 3), se presentan los siguientes casos: soluto: gas: disolvente: La expresión totalmente rigurosa lleva actividades en lugar de molaridades y fugacidades en lugar de presiones parciales [Lectura: Petrucci 16.3] Química (1S, Grado Biología) UAM 5. Equilibrio químico

  11. Cociente de reacción (termodinámico estándar) Expresión tradicional A, B, G, H: solutos líquidos, concentraciones molares (sin las unidades) C, I: gases, presiones parciales en atm (sin las unidades) no aparecen: sólidos y líquidos puros, ni disolventes Q no tiene unidades y sólo depende de las concentraciones y las presiones parciales Química (1S, Grado Biología) UAM 5. Equilibrio químico

  12. Energía libre de Gibbs de reacción cociente de reacción termodinámico de la mezcla de reacción reactivos y productos en condiciones estándar reactivos y productos en un punto de la reacción (no estándar) punto inicial(mezcla de reacción inicial) punto intermedio(mezcla de reacción en un momento de su evolución hacia el equilibrio) punto de equilibrio(mezcla de reacción en el equilibrio alcanzado desde el punto inicial) Energía libre de Gibbs total de la mezcla de reacción Q en el transcurso de la reacción [Lectura: Petrucci 20.6] Química (1S, Grado Biología) UAM 5. Equilibrio químico

  13. Condición de equilibrio químico: Constante de equilibrio cociente de reacción termodinámico de la mezcla de reacción reactivos y productos en condiciones estándar reactivos y productos en un punto de la reacción (no estándar) cociente de reacción del punto de equilibrio mezcla de reacción en un punto de equilibrio Constante de equilibrio termodinámica estándar a la temperatura T [no tiene unidades] [Lectura: Petrucci 20.6] Química (1S, Grado Biología) UAM 5. Equilibrio químico

  14. Ejemplo: • a) ¿Cuánto vale la constante de equilibrio estándar de esa reacción a 298K? • b) ¿Cuál es la expresión del cociente de reacción de esa reacción? • d) ¿Cuál es la condición de equilibrio de esa reacción a 298K? (si las presiones se expresan en atm y en el cociente sólo se usan los números) (si las presiones se expresan en atm y en el cociente sólo se usan los números) Química (1S, Grado Biología) UAM 5. Equilibrio químico

  15. Ejemplo: • a) ¿Cuánto vale la constante de equilibrio estándar de esa reacción a 298K? • b) ¿Cuál es la expresión del cociente de reacción de esa reacción? • d) ¿Cuál es la condición de equilibrio de esa reacción a 298K? (si la presión parcial de O2 se expresa en atm y las concentraciones en molaridades y en el cociente sólo se usan los números, sin las unidades) (si la presión parcial de O2 se expresa en atm y las concentraciones en molaridades y en el cociente sólo se usan los números, sin las unidades) Química (1S, Grado Biología) UAM 5. Equilibrio químico

  16. La constante de equilibrio Química (1S, Grado Biología) UAM 5. Equilibrio químico

  17. Condición de equilibrio químico: Constante de equilibrio Ley de acción de masas Significado del valor numérico de K Muy pequeña: en el equilibrio los reactivos son mucho más abundantes que los productos. Muy grande: en el equilibrio los productos son mucho más abundantes que los reactivos. Intermedia: en el equilibrio hay proporciones significativas de reactivos y productos Reactivos Productos [Lectura: Petrucci 16.4] Química (1S, Grado Biología) UAM 5. Equilibrio químico

  18. Relación entre K y la estequiometria Inversión:cuando se invierte la ecuación química, se invierte el valor de K Multiplicación:cuando se multiplican los coeficientes estequiométricos, la constante de equilibrio se eleva a la potencia correspondiente Combinación: si una ecuación química es igual a la suma de otras, su K es igual al producto de las Ks de las otras [Lectura: Petrucci 16.3] Química (1S, Grado Biología) UAM 5. Equilibrio químico

  19. Evolución espontánea hacia el equilibrio punto inicial los productos dan reactivos punto de equilibrio punto de equilibrio los reactivos dan productos punto inicial [Lectura: Petrucci 16.5] Química (1S, Grado Biología) UAM 5. Equilibrio químico

  20. Equilibrios homogéneos. Disoluciones, Kc Disoluciones: • Se deben usar molaridades, sin incluir las unidades. • No aparece el disolvente. • Kc no tiene unidades Química (1S, Grado Biología) UAM 5. Equilibrio químico

  21. Equilibrios homogéneos. Gases, Kp y Kc Gases: • Se deben usar presiones en atm, sin incluir las unidades • Kp no tiene unidades Relación entre Kp y Kc si comportamiento ideal: • Kp y Kc no tienen unidades • R en atm.L.K-1mol-1; T en K; ambos sin incluir las unidades [Lectura: Petrucci 16.3] Química (1S, Grado Biología) UAM 5. Equilibrio químico

  22. A la vista de los datos experimentales de la transparencia 6 para la reacción ¿cuánto vale el cociente de reacción Qc en cada experimento en el momento inicial y tras alcanzar el equilibrio? ¿Cuánto vale Kc a la T de los experimentos? puntos iniciales puntos de equilibrio (conc. iniciales, M) (conc. de equilibrio, M) Qc Qc exper. [CO] [H2] [CH3OH] [CO]eq [H2]eq [CH3OH]eq 1 0,1000 0,1000 0 0 0,0911 0,0822 0,00892 14,5  2 0 0 0,1000 0,0753 0,151 0,0247 14,4 3 0,1000 0,1000 0,1000 100,0 0,138 0,176 0,0620 14,5 Kc=14,5 Química (1S, Grado Biología) UAM 5. Equilibrio químico

  23. Equilibrios heterogéneos • No aparecen los sólidos ni los líquidos puros [Lectura: Petrucci 16.3] Química (1S, Grado Biología) UAM 5. Equilibrio químico

  24. Dependencia de la temperatura Química (1S, Grado Biología) UAM 5. Equilibrio químico

  25. Variación de la constante de equilibrio con la temperatura: Ecuación de Van’t Hoff pendiente: Ec. de Van’t Hoff [Nótese el paralelismo con la ley de Arrhenius] Reacción endotérmica Reacción exotérmica dirección de aumento de T La constante de equilibrio aumenta al aumentar T La constante de equilibrio disminuye al aumentar T Química (1S, Grado Biología) UAM 5. Equilibrio químico

  26. Perturbaciones del equilibrio Química (1S, Grado Biología) UAM 5. Equilibrio químico

  27. Principio de Le Châtelier Es un enunciado cualitativo que se llama así porque fue introducido inicialmente como Principio por Le Châtelier, aunque hoy es una consecuencia de los Principios de la Termodinámica. Cuando un sistema en equilibrio se perturba, el sistema responde oponiéndose a la perturbación y alcanzando un nuevo punto de equilibrio [Lectura: Petrucci 16.6] Química (1S, Grado Biología) UAM 5. Equilibrio químico

  28. Efecto de los cambios de concentración Perturbación del equilibrio Respuesta del sistema Aumento de reactivos Consumo de reactivos Disminución de productos Generación de productos hasta Aumento de productos Consumo de productos Disminución de reactivos Generación de reactivos hasta [Lectura: Petrucci 16.6] Química (1S, Grado Biología) UAM 5. Equilibrio químico

  29. Efecto de los cambios de volumen o presión: observación de Le Châtelier Cambios de volumen (reacciones con gases) a T constante Ante un aumento de volumen, el sistema responde reaccionando en la dirección en la que se aumenten los moles de gas, para ocupar ese volumen. (Y lo opuesto ante una disminución.) Perturbación del equilibrio Respuesta del sistema aumento de V disminución de V Cambios de presión (reacciones con gases) a T constante Ante un aumento de presión, el sistema responde reaccionando en la dirección en la que disminuyan los moles de gas, para disminuir la presión. (Y lo opuesto ante una disminución.) Perturbación del equilibrio Respuesta del sistema aumento de P disminución de P [Lectura: Petrucci 16.6] Química (1S, Grado Biología) UAM 5. Equilibrio químico

  30. Efecto de los cambios de volumen o presión:deducción termodinámica Cambios de volumen (reacciones con gases) a T constante Condición de equilibrio Cuando se aumenta (disminuye) el volumen, el sistema responde aumentando (disminuyendo) el número total de moles de gas, para restituir parcialmente la densidad de partículas –número de moléculas de gas por unidad de volumen-. Desplazamiento [Lectura: Petrucci 16.6] Química (1S, Grado Biología) UAM 5. Equilibrio químico

  31. Efecto de los cambios de volumen o presión:deducción termodinámica Cambios de presión (reacciones con gases) a T constante Condición de equilibrio Cuando se aumenta (disminuye) la presión, el sistema responde disminuyendo (aumentando) el número total de moles de gas, para disminuirla (aumentarla). Desplazamiento [Lectura: Petrucci 16.6] Química (1S, Grado Biología) UAM 5. Equilibrio químico

  32. Efecto de los cambios de volumen o presión Adición de gases inertes (reacciones con gases) - a P y T constantes Para mantener constante P tras añadir un gas inerte, V aumenta, y el sistema responde aumentando el número de moles de gas. (Se llega a la misma conclusión usando la expresión usada para discutir el efecto de la presión.) - a V y T constantes Al permanece V constante, no hay ningún efecto sobre el equilibrio. [Lectura: Petrucci 16.6] Química (1S, Grado Biología) UAM 5. Equilibrio químico

  33. Efecto de los cambios de temperatura Reacción endotérmica Reacción exotérmica Desplazamiento El aumento de T desplaza el equilibrio en el sentido de la reacción endotérmica. La disminución de T lo desplaza en el sentido de la reacción exotérmica [Lectura: Petrucci 16.6] Química (1S, Grado Biología) UAM 5. Equilibrio químico

  34. Efecto de los catalizadores Los catalizadores cambian las energías de activación directa e inversa, pero no cambian la energía libre de Gibbs de reacción y, por tanto, tampoco cambian la constante de equilibrio. Puesto que tampoco alteran el cociente de reacción, no influyen en la condición de equilibrio y no tienen ningún efecto sobre el mismo. Química (1S, Grado Biología) UAM 5. Equilibrio químico

  35. Cálculos de equilibrio Química (1S, Grado Biología) UAM 5. Equilibrio químico

  36. Cálculos de equilibrio Concentraciones Iniciales Estequiometría  una sola variable Cambios Equilibrio Condición de equilibrio (positiva o negativa) Un resultado positivo indicará que la reacción neta ha tenido lugar hacia la derecha. Un resultado negativo indicará que la reacción neta ha tenido lugar hacia la izquierda. [Lectura: Petrucci 16.7] Química (1S, Grado Biología) UAM 5. Equilibrio químico

  37. Cálculos de equilibrio Ejemplo: La reacción tiene a 100ºC. ¿Cuánto valdrán las concentraciones molares tras alcanzarse el equilibrio de reacción a 100ºC después de introducir 0,100 mol de N2O4 y 0,120 mol de NO2 en un recipiente de 1 litro? Concentraciones Iniciales Cambios Equilibrio Sin sentido físico Ha transcurrido de izquierda a derecha Química (1S, Grado Biología) UAM 5. Equilibrio químico

  38. Cálculos de equilibrio Ejemplo: La reacción tiene a 100ºC. ¿Cuánto valdrán las concentraciones molares tras alcanzarse el equilibrio de reacción a 100ºC después de introducir 0,100 mol de N2O4 y 0,348 mol de NO2 en un recipiente de 1 litro? Concentraciones Iniciales Cambios Equilibrio Sin sentido físico Ha transcurrido de derecha a izquierda Química (1S, Grado Biología) UAM 5. Equilibrio químico

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