TEMA 4 Equilibri Químic

1. TEMA 4Equilibri Químic

2. 4.1 Introducció a l’equilibri químic. • Hi ha reaccions de dos tipus: • irreversibles A+B C+D • aquelles que “s’aturen” quan s’esgota el reactiu limitant • reversiblesA+BC+D • reaccions que mai arriben a “aturar-se” donat que es produeixen en els dos sentits (els reactius formen productes i aquests a la seva vegada tornen a formar reactius) • Com funcionen? • En les condicions inicials, nosaltres disposem d'unes certes quantitats de reactius A i B • Passant un cert temps, podem observar que la reacció s'ha iniciat i els reactius es transformen en productes. • Els productes resultants es descomponen alhora que es formen i tornen a donar un altre cop els reactius. • Arriba un moment en què la velocitat de la reacció directa i inversa s'iguala i les concentracions de cada una de les substàncies que intervé (R o P) s’estabilitza llavors és quan s'assoleix l'equilibri. • En aquest, encara que transcorri molt de temps, les condicions d'equilibri no varien mentre no es modifiquin les condicions externes del sistema. Tema 4 Equilibri Quimic

3. L’equilibri per tant: • es dinàmic (tot i que externament les concentracions siguin constants). Es a dir a l’equilibri hi ha el mateix nombre de partícules de reactius i de productes, però aquestes han anat canviant. • A una temperatura determinada les condicions de l'estat d'equilibri són les mateixes. • Observem algunes animacions: • http://www.chem.iastate.edu/group/Greenbowe/sections/projectfolder/animations/no2n2o4equilV8.html • http://www.chem.iastate.edu/group/Greenbowe/sections/projectfolder/animations/equilvpBr2V8.html Tema 4 Equilibri Quimic

4. Concentracions (mol/l) Equilibri químic [HI] [I2] [H2] Temps (s) Exemple: H2 + I2 2 HI Observem la variació de la concentració amb el temps Tema 4 Equilibri Quimic

5. 4.2 Constant d’equilibri de concentracions(Kc) • A una reacció qualsevol: a A + b B  c C + d Dla constant Kc pren el valor • les concentracions aquí indicades són les del equilibri. • La constant Kc depen de la temperatura • ATENCIÓ!: Només s’indiquen a Kc les espècies gasoses i/o en disolució. • Les espècies en estat sòlid o líquid tenen concentració constant i per tant el seu valor ja està inclós al valor de Kc Tema 4 Equilibri Quimic

6. Exemple:H2(g)+ I2(g) 2 HI (g) • El valor de KC depen de cóm estigui igualada la reacció • Es a dir, si la reacció anterior l’haguessim igualat ½ H2(g) + ½ I2(g) HI(g), la constant sería l’arrel quadrada de l’anterior. Tema 4 Equilibri Quimic

7. Exemple:Tenim l’equilibri 2 SO2(g) + O2(g)  2 SO3(g). Es fan cinc experiments en els quals s’introdueixen diferents concentracions inicials dels reactius. Es produeix la reacció i un cop arribat a l’equilibri es mesuren les concentracions de Reactius i productes, obtenint les següents dades: Tema 4 Equilibri Quimic

8. A la reacció anterior: 2 SO2(g) + O2(g)  2 SO3(g) • KC s’obté aplicant l’expresió: • i com es pot observar és pràcticament constant • - no depen de les concentracions inicials • -depèn de la Temperatura a la qual es fa la reacció. Tema 4 Equilibri Quimic

9. a) b) c) d) Exercici A:Escriviu les expresions de KC pels següents equilibris químics: a) N2O4(g)  2NO2(g);b) 2 NO(g) + Cl2(g)  2 NOCl(g);c)CaCO3(s)  CaO(s) + CO2(g); d) 2 NaHCO3(s)  Na2CO3(s) + H2O(g) + CO2(g). Tema 4 Equilibri Quimic

10. Interpretació del valor de Kc • S’ha de tenir en compte que també afecten els coeficients estequiomètrics però podem aproximar que per: • Kc<1 • la reacció està desplaçada cap a Reactius, la concentració de A i B és més elevada a la de C i D • Kc>1 • la reacció està desplaçada cap a Productes, la concentració de C i D és més elevada a la de A i B. Tema 4 Equilibri Quimic

11. concentración concentración KC ≈ 100 KC > 105 tiempo concentración KC < 10-2 tiempo tiempo Tema 4 Equilibri Quimic

12. Com podem saber si en un moment donat estem a l’equilibri? • Calculant el quocient de concentracions Qc (la seva expresió és la mateixa de Kc, però no sabem si les concentracions es troben a l’equilibri) • Qc=Kc la reacció està a l’equilibri • Qc>Kc Hi ha més C i D del que hauria d’haver-hi es desplaçarà cap a Reactius • Qc<Kc Hi ha més A i B del que hauria d’haver-hi es desplaçarà cap a Productes Tema 4 Equilibri Quimic

13. Valor de la constant a partir d’altres constants d’equilibri • Una reacció pot ser escrita com a combinació algebràica d’altres (Llei de Hess), doncs si es tracten de reaccions reversibles la seva Kc també pot ser escrita com una combinació algebraica d’altres K’c • Fem els exemples del llibre pag. 85 Tema 4 Equilibri Quimic

14. 4.3 Constant d’equilibri (Kp) • A les reaccions en que intervenen gasos és més senzill mesurar lés pressions parcials que les concentracions. • Per una reacció qualsevol • a A(g) + b B (g) c C (g) + d D(g) • També es pot definir una constant de pressions Kp Tema 4 Equilibri Quimic

15. 4.4 Relació entre les constants Kc i Kp • Intentem relacionar mitjançant la llei dels gasos ideals PV= n RT les dues constants d’una reacció on intervenen gasos • P= n/V. RT= RT • pcc · pDdCc (RT)c · Dd(RT)d Kp = ———— = —————————— =Kc. (RT)n • pAa · pBbAa (RT)a ·Bb (RT)b on n = increment en nº de mols de gasos (nproductes– nreactius) Tema 4 Equilibri Quimic

16. Valors de Kc i Kp. • El valor d’ambdues constants pot variar entre límits bastant grans: • La reacció està molt desplaçada a productes • H2(g) + Cl2(g)  2 HCl(g)Kc (298 K) = 2,5 ·1033 • Es tracta d’un veritable equilibri • H2(g) + I2(g)  2 HI(g)Kc (698 K) = 55,0 • La reacció està molt desplaçada a reactius (gairebé no es formen productes) • N2(g) + O2(g)  2 NO(g)Kc (298 K) = 5,3 ·10–31 Tema 4 Equilibri Quimic

17. 4.5 Grau de dissociació (). • S’utilitza normalment en reaccions a les quals hi ha un únic reactiu que es dissocia en dos o més. • = nreaccionen/ n inicials= reacciona/ inicial • Així expressat el grau de dissociació és un tant per ú. • El % de sustancia dissociada és igual a 100 · . Tema 4 Equilibri Quimic

18. 4.6 Factors que modifiquen l’equilibri • Si un sistema es toba en equilibri (Q = Kc) i es produeix una perturbació: • Canvi en la concentració d’algun/s dels reactius o productes. • Canvi en la pressió o volum • Canvi en la temperatura. • El sistema deixa d’estar en equilibri i tracta de tornar a ell, desplaçant-se en el sentit que compensi la pertorbació produïda. • PRINCIPI DE LE CHATELIER: • “Un canvi o pertorbació en qualsevol de les variables que determinen l’estat d’equilibri químic produeix un desplaçament de la reacció en esl sentit de contrarrestar o minimitzar l’efecte causat per la pertorbació” Tema 4 Equilibri Quimic

19. a) Canvi en la concentració d’algun dels reactius o productes. • Si un cop establert l’equilibri es modifica la concentració d’algun reactiu o producte l’equilibri desapareix. • Les concentracions inicials d’aquest nou equilibri són les de l’equilibri previ més les variacions que s’hagin introduït (augment o disminució de concentració) • Lógicament, la constant és la mateixa , per la qual cosa: • si augmentem la [ reactius] l’equilibri tendirà a contrarrestar aquest augment i es desplaçarà cap a productes • Si disminuim la [ reactius] l’equilibri tendirà a contrarrestar aquesta disminució i es desplaçarà cap a reactius. Tema 4 Equilibri Quimic

20. b) Canvi en la pressió o en el volum (només per equilibris on intervinguin gasos) • Si un cop establert l’equilibri en el que intervenguin gasoses modifica la pressió: • Si augmenta la P l’equilibri tendirà a contrarrestar aquest augment desplaçant-se cap a on hi hagi menys mols de gas • Si disminueix la P l’equilibri tendirà a contrarrestar aquesta disminució desplaçant-se cap a on hi hagi mes mols de gas • En el cas que el nombre de mols gas sigui el mateix a reactius i a productes l’equilibri NO pot contrarrestar una alteració de la P o el V. • En el cas de modificar el volum com P.V= nRT, es a dir P i V son inversament proporcionals pensarem • Si augmenta V, la P disminuirà i podrem aplicar els criteris anteriors • Si disminueix V, la P augmetna i podrem aplicar els criteris anteriors. Tema 4 Equilibri Quimic

21. c) Canvi en la Temperatura • Si un cop establert l’equilibri es modifica la Temperatura: • Si augmentem la T l’equilibri es desplaça en el sentit que es consumeixi aquest calor, es a dir´: • Si la reacció és endotermica cap a productes (consumeix Q) • Si la reacció és exotèrmica cap a reactius • Si disminuim la T l’equilibri es desplaça en el sentit que la reacció desprengui calor, es a dir´: • Si la reacció és exotèrmica cap a productes (es despren Q) • Si la reacció és endotèrmica cap a reactius Tema 4 Equilibri Quimic

22. d) Efecte dels catalitzadors • Un catalitzador és una substància que augmenta la velocitat de les reaccions. • A nivell industrial aconseguir produïr el màxim en el mínim de temps equival a més guanys. • Un catalitzador NO modifica l’equilibri (les concentracions o pressions seràn les mateixes) però permet que s’arribi més ràpidament al mateix. Tema 4 Equilibri Quimic

23. 4.7Relació entre la constant d’equilibri i l’energia lliure de Gibbs • L’energia lliure de Gibbs informa sobre la exponteneïtat o no d’una reacció, si recordem: • G = H - TS • S és l'entalpia del sistema • T, la temperatura en ºK • H l'entalpia del sistema. • Criteri espontaneïtat: • G<0 procès espontani • G>0 procès no espontani Tema 4 Equilibri Quimic

24. L’expressió matemàtica que relaciona G i Kc és la següent (no es fa la demostració matemàtica, massa complexa pel curs) • G = Gº +RTLnK • Com a l’equilibri G=0: Gº = -RTLnK • Atenció¡¡ com Gº es treballa en el S.I en J • la R haurà de ser 8,31 J/(ºK.mol) • El valor de K vindrà donat en el S.I (Pa o mol/m3) Tema 4 Equilibri Quimic