Constante de equilibrio químico en sistemas homogéneos

Dr. Eder Jesús Valentín Lugo Medina

UNIDAD 2. EQUILIBRIO QUÍMICO, CINÉTICA Y ELECTROQUÍMICA

INSTITUTO TECNOLÓGICO DE LOS MOCHIS

OCTUBRE, 2016

CONSTANTE DE EQUILIBRIO QUÍMICO

EN SISTEMAS HOMOGÉNEOS

Medina García Cecilia Sarai

Materia: Laboratorio Integral II

CONSTANTE DE EQUILIBRIO QUÍMICO EN SISTEMAS HOMOGÉNEOS

En las reacciones homogéneas todas las sustancias reaccionantes se encuentran en una sola fase: gaseosa, líquida o sólida. Por otra parte, si la reacción está catalizada, el catalizador también ha de estar presente en la misma fase. Aunque la velocidad de reacción puede definirse de diversas formas, en los sistemas homogéneos se emplea casi exclusivamente la medida intensiva basada en la unidad de volumen de fluido reaccionante.


El equilibrio es un estado en el que no se observa cambios durante el tiempo transcurrido. Cuando una reacción química llega al estado de equilibrio, las concentraciones de reactivos y productos permanecen constantes en el tiempo, sin que se produzca cambios visibles en el sistema. Por ello, se describen diferentes tipos de reacciones en equilibrio, el significado de la constante de equilibrio y su relación con la constante de velocidad, así como los factores que pueden modificar un sistema en equilibrio.

EQUILIBRIO QUÍMICO

El equilibrio es un estado en el que no se observan cambios durante el tiempo transcurrido. Cuando una reacción química llega al estado de equilibrio, las concentraciones de reactivos y productos permanecen constantes en el tiempo, sin que se produzcan cambios visibles en el sistema.

Sin embargo, a nivel molecular existe una gran actividad debido a que las moléculas de reactivos siguen formando moléculas de productos, y éstas a su vez reaccionan para formar moléculas de reactivos

En realidad todo equilibrio químico se encuentra regido por el principio de Le Chatelier y la ley de acción de masas.

Henry Le Chatelier en 1884 enuncia su principio que indica la dirección que seguirá un sistema en equilibrio cuando se cambian las condiciones de concentración, presión y temperatura. Al provocar cambios en la temperatura o presión de un sistema en equilibrio, éste reacciona de tal forma que contrarresta el cambio producido


La ley de acción de masas, propuesta por los químicos noruegos Cato Guldberg y Peter Waage, en 1864 establece que para una reacción reversible en equilibrio ya una temperatura constante, una relación determinada de concentraciones de reactivos y productos tiene un valor constante K (la constante de equilibrio).

Cabe señalar que, aunque las concentraciones pueden variar, el valor de K para una reacción dada permanece constante, siempre y cuando la reacción esté en equilibrio y la temperatura no cambie.


Un proceso puede generalizarse con la siguiente reacción reversible:

Donde a, b, c y d son coeficientes estequiométricos de las especies reactivas A, B, C y D. Para la reacción a una temperatura dada:

Por consiguiente, la constante de equilibrio se define mediante un cociente, cuyo numerador se obtiene multiplicando las concentraciones de equilibrio de los productos, cada una de las cuales está elevada a una potencia igual a su coeficiente estequiométrico en la ecuación balanceada.



Por ello, resulta importante mencionar los principales factores que afectan el equilibrio químico:

Efecto de la concentración

• Si se aumenta la concentración de alguna especie, el equilibrio se desplazará en forma tal que se disminuirá la concentración de la sustancia que se agregó.

Efecto de la presión• Para un sistema que comprenda solamente líquidos y sólidos

el efecto de la presión sobre el equilibrio es ligero, el cual generalmente puede ignorarse al sufrir cambios ordinarios. Sin embargo, los grandes cambios de presión pueden alterar estos equilibrios.

Efecto de la temperatura

• Las reacciones químicas se clasifican, dependiendo de si emiten o absorben calor conforme se desarrolla la reacción, en: exotérmica y endotérmicas.

Efecto del catalizador

• Sustancia que altera la velocidad de una reacción sin ser consumida. Éstos no hacen cambiar la concentración que habrá de tener las diversas especies químicas que componen un sistema reaccionante cuando éste alcance el equilibrio, solamente la velocidad.

EndotérmicaEl calentamiento de un sistema en equilibrio causa un desvío hacia la derecha con la formación de productos

y por consiguiente un aumento en el valor de la constante de equilibrio.

ExotérmicaLa aplicación de calor causará que el equilibrio de la

reacción se desvíe hacia la izquierda.


Si K <<< 1, entonces la reacción es muy reversible y se dice que se encuentra desplazada a la izquierda.

Si K = 1, es una reacción en la que se obtiene 50% de reactivos y 50% de productos.

Si K >>> 1, la reacción tiene un rendimiento alto y se dice que esta desplazada a la derecha

Por lo anterior se sugieren las siguientes relaciones:

EQUILIBRIOS HOMOGÉNEOS

El término equilibrio homogéneo se aplica a las reacciones en las que todas las especies reactivas se encuentran en la misma fase.

La constante de equilibrio, quedaría de la siguiente manera, para el sistema a continuación:

El subíndice en Kc indica que las concentraciones de las especies reactivas se expresan en molaridad o moles por litro. Las concentraciones de reactivos y productos en las reacciones de gases también se pueden expresar en términos de sus presiones parciales.

EQUILIBRIOS HOMOGÉNEOS A una temperatura constante, la presión P de un gas está en relación directa con la concentración en mol/L del gas; es decir, . Así, la constante para el proceso en equilibrio, se expresa como:

Donde PN02 Y PN20 4 son las presiones parciales de equilibrio (en atm) de N02 y N20 4, respectivamente.El subíndice en Kp indica que las concentraciones en el equilibrio están expresadas en términos de presiones.

Por lo general, Kc no es igual que Kp debido a que las presiones parciales de reactivos y productos no son iguales a sus concentraciones molares. Es posible deducir una relación simple entre Kc Y Kp como se explicará a continuación:

EQUILIBRIOS HOMOGÉNEOS Suponga el siguiente equilibrio en fase gaseosa:

Donde a y b son los coeficientes estequiométricos. La constante de equilibrio Kc está dada por:

Y la expresión para Kp es:

Donde PA Y PB son las presiones parciales de A y B. Si se supone un comportamiento de gas ideal.

Donde Ves el volumen del recipiente en litros. Asimismo:

Al sustituir estas relaciones en la expresión para Kp, se obtiene:

Ahora, tanto como tienen unidades de mol/L y se pueden sustituir por [A ] y [B], de modo que:

Dónde:

Como las presiones suelen expresarse en atm, la constante de los gases R es y la expresión que relaciona Kp y Kc es

En general, Kp ≠ Kc, excepto en el caso especial en el que Δn = 0.

EQUILIBRIOS HOMOGÉNEOS

BIBLIOGRAFÍA Bolaños Chombo, V. (2003). Química Analítica Cualitativa (Primera ed.). México:

UNAM.

Chang, R., & College, W. (2002). Química (Séptima ed.). Colombia: McGraw Hill.

Levenspiel, O. (1978). Ingeniería de las Reacciones Químicas (Segunda ed.). Barcelona, España: Reverté.

Smith, J. M. (1991). Ingeniería de la Cinética Química (Primera ed.). México: Continental.

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