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En 1803, Berthollet descubre que ciertas reacciones químicas son reversibles, llegando un momento en el que las velocidades de las reacciones directa e inversa se igualan, manteniéndose invariables las concentraciones de reactivos y productos (equilibrio).
También conocida como ley de Guldberg y Waage, establece que la velocidad de una reacción es directamente proporcional al producto de las concentraciones de los reactivos.
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Como en el equilibrio las velocidades de las reacciones directa e inversa son iguales, esto implica que existe una relación constante entre concentraciones de reactivos y productos.
Como en el equilibrio las concentraciones de reactivos y productos se mantienen constantes, podemos calcular una constante de equilibrio $K_\mathrm c$, que será invariable a una cierta $T$.
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Para poder saber si una reacción ha llegado a su equilibrio, se puede calcular el llamado cociente de reacción, $Q_\mathrm r$:
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donde las concentraciones no tienen por qué ser en el equilibrio, a diferencia de con $K_\mathrm c$.
El grado de disociación, $\alpha$, se define como el cociente entre la cantidad de sustancia disociada y la cantidad de sustancia inicial:
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Suele expresarse en tanto por ciento (%).
En reacciones en las cuales intervienen gases, se puede expresar la constante de equilibrio en función de las presiones parciales de cada gas en la mezcla en equilibrio:
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donde $\Delta n = n_\text{final} - n_\text{inicial}$ es la variación de moles gaseosos.
¿Tiene(n) unidades la(s) constante(s) de equilibrio? Averígualo en este excelente artículo de Ana Quílez-Díaz y Juan Quílez-Pardo.
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Cuando un sistema en equilibrio es perturbado, éste evoluciona a un nuevo equilibrio, contrarrestando parcialmente la perturbación introducida.
De acuerdo a la ley de Boyle-Mariotte, la presión y el volumen son inversamente proporcionales: a mayor presión menor volumen y viceversa $\rightarrow pV = \text{constante}$.
El amoniaco, NH3, se produce industrialmente a partir de nitrógeno e hidrógeno gaseosos mediante el proceso de Haber-Bosch, un proceso de fijación artificial de nitrógeno.
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En el proceso se hace reaccionar nitrógeno atmosférico, N2(g), con hidrógeno, H2(g), obtenido a partir de metano (gas natural), estableciéndose un equilibrio exotérmico dado por la ecuación:
cuya constante de equilibrio viene dada por:
$$ K_\mathrm p = \frac{(p_{\mathrm{NH_3}})^2}{p_{\mathrm{N_2}}(p_{\mathrm{H_2}})^3} $$donde $p$ representa la presión parcial de cada una de las sustancias.
La reacción natural es muy lenta debido sobretodo a la estabilidad de los enlaces triples del nitrógeno, por lo que se utiliza un catalizador de hierro (Fe3+) para acelerarla.
Notar que la adición de este catalizador no afecta al equilibrio ni a la cantidad de amoniaco que se produce.
Al ser exotérmica, según el principio de Le Châtelier, las bajas temperaturas favorecen la formación de amoniaco, pero a su vez ralentizan la reacción, por lo que se llega a un compromiso utilizando temperaturas de entre 400 °C y 450 °C.
Al haber menos moles gasesos en los productos (2, frente a 4 en los reactivos), de acuerdo al principio de Le Châtelier, un aumento de presión desplazará el equilibrio hacia los productos, favoreciendo la producción de amoniaco.
Por otro lado, utilizar altas presiones tiene un coste muy elevado, por lo que de nuevo se llega a un compromiso, en este caso de unas 200 atm.
Cambio | [N2] | [H2] | [NH3] |
---|---|---|---|
Aumento de temperatura | aumenta | aumenta | disminuye |
Aumento de presión | disminuye | disminuye | aumenta |
Adición de N2 | aumenta | disminuye | aumenta |
Adición de H2O | constante | constante | constante |
Adición de catalizador | constante | constante | constante |
Puedes conocer más detalles sobre el proceso de Haber-Bosch viendo lo que ocurre en una planta química:
o conociendo la importancia del proceso para la economía y la alimentación:
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Son reacciones en las que se forma un producto insoluble (que no se disuelve). Esto típicamente ocurre con sustancias iónicas cuyos iones tienden a permanecer unidos al ponerse en disolución, formando un precipitado.
Cuando un compuesto químico coexiste en estado sólido y disuelto, se establece un equilibrio de solubilidad entre él y sus iones:
donde C representa un catión, A un anión y $n$ y $m$ sus respectivos índices estequiométricos.
Llamamos solubilidad, $s$, a la máxima cantidad de soluto que puede disolverse a una temperatura dada en un disolvente. Se suele expresar en gramos de soluto por cada 100 mL de disolvente.
Un equilibrio de solubilidad se caracteriza por un producto de solubilidad, $K_\mathrm s$, que hace las veces de constante de equilibrio:
donde [ ] representa concentraciones molares salvo que se indique lo contrario.
A partir de la estequiometría, es posible establecer la relación entre el producto de solubilidad y la solubilidad:
Como en los equilibrios homogéneos, podemos comparar el cociente (producto) de reacción con el producto de solubilidad para determinar si se formará precipitado:
El efecto del ion común es una consecuencia del principio de Le Châtelier y consiste en la disminución de la solubilidad de un precipitado iónico por la adición a la disolución de un compuesto soluble con un ion en común con el precipitado, aumentando su concentración y desplazando el equilibrio hacia la izquierda.
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La solubilidad de muchas sales (sólidas) disueltas en agua aumenta con la temperatura. Algunas, como el Ce2(SO4)3, se vuelven menos solubles al aumentar la temperatura, debido a que su disolución en agua es exotérmica.
La solubilidad suele disminuir al aumentar la temperatura.
La solubilidad suele aumentar con la temperatura.
El SO3(g) se disocia a 127 °C mediante un proceso endotérmico, en SO2(g) y O2(g), estableciéndose un equilibrio. En un recipiente de 20 L a 127 °C se introducen 4.0 mol de SO3 produciéndose una disociación del 30 %.
a) Calcule las concentraciones molares de cada gas en el equilibrio.
Escribimos el equilibrio de disociación ajustado en función del número de moles iniciales y del grado de disociación $\alpha$:
donde $n = 4\thinspace\mathrm{mol}$ y $\alpha = 0.3$.
Calculamos las concentraciones de cada gas:
\begin{align*} [\mathrm{SO_3}] & = \frac{4\thinspace\mathrm{mol}\cdot (1-0.3)}{20\thinspace\mathrm L} = 0.14\thinspace\mathrm{M} \\ [\mathrm{SO_2}] & = \frac{4\thinspace\mathrm{mol}\cdot 0.3}{20\thinspace\mathrm L} = 0.06\thinspace\mathrm{M} \\ [\mathrm{O_2}] & = \frac{1/2\cdot 4\thinspace\mathrm{mol}\cdot 0.3}{20\thinspace\mathrm L} = 0.03\thinspace\mathrm{M} \end{align*}
b) Calcule la presión total y parcial de cada gas.
A partir de la ecuación de los gases ideales, $p = cRT$: \begin{align*} p_{\mathrm{SO_3}} &= 0.14\thinspace\mathrm{mol/L}\cdot 0.082\thinspace\mathrm{atm\thinspace L\thinspace mol^{-1}\thinspace K^{-1}}\cdot 400.15\thinspace \mathrm{K} \\ &= 4.6\thinspace\mathrm{atm} \\ p_{\mathrm{SO_2}} &= 0.06\thinspace\mathrm{mol/L}\cdot 0.082\thinspace\mathrm{atm\thinspace L\thinspace mol^{-1}\thinspace K^{-1}}\cdot 400.15\thinspace \mathrm{K} \\ &= 2\thinspace\mathrm{atm} \\ p_{\mathrm{O_2}} &= 0.03\thinspace\mathrm{mol/L}\cdot 0.082\thinspace\mathrm{atm\thinspace L\thinspace mol^{-1}\thinspace K^{-1}}\cdot 400.15\thinspace \mathrm{K} \\ &= 1\thinspace\mathrm{atm} \end{align*}
De acuerdo a la ley de las presiones parciales de Dalton, la presión total es:
$$ p_\mathrm t = p_{\mathrm{SO_3}} + p_{\mathrm{SO_2}} + p_{\mathrm{O_2}} = 4.6 + 2.0 + 1.0 = 7.6\thinspace\mathrm{atm} $$c) Calcule el valor de las constantes $K_\mathrm c$ y $K_\mathrm p$ a 127 °C.
La expresión de la constante $K_\mathrm c$ es:
$$ K_\mathrm c = \frac{\mathrm{[SO_2]^2}\mathrm{[O_2]}}{\mathrm{[SO_3]^2}} $$Sustituyendo valores:
$$ K_\mathrm c = \frac{(0.06)^2\cdot 0.03}{(0.14)^2} = 5.5\times 10^{-3} $$La expresión de la constante $K_\mathrm p$ es:
$$ K_\mathrm p = \frac{(p_{\mathrm{SO_2}})^2p_{\mathrm{O_2}}}{(p_{\mathrm{SO_3}})^2} $$Sustituyendo valores:
$$ K_\mathrm p = \frac{(2.0)^2\cdot 1.0}{(4.6)^2} = 0.19, $$cumpliéndose que $K_\mathrm p = K_\mathrm c\left(RT\right)^{\Delta n_\text{gaseosos}}$.
d) Si estando la mezcla en equilibrio se reduce el volumen del sistema (sin que resulte afectada la temperatura), ¿favorecerá la disociación del SO3?
De acuerdo a la ley de Boyle-Mariotte, al reducir el volumen hasta un tercio de su valor inicial, la presión se triplica.
De acuerdo al principio de Le Châtelier, el sistema se desplazará hacia donde haya menos moles gaseosos, es decir, hacia la izquierda, formando más SO3 y desfavoreciendo por tanto su disociación.
📥 Pincha aquí y sigue estas instrucciones:
El proceso, en principio, solo funciona con Google Chrome.