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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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5. Equilibrio químico

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5 equilibrio qu mico

5. Equilibrio químico

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


Contenidos

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


Bibliograf a recomendada

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


Equilibrio qu mico

Equilibrio químico

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


Equilibrio qu mico1

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


Equilibrio qu mico2

Equilibrio químico

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


Equilibrio qu mico3

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


Condici n de equilibrio qu mico

Condición de equilibrio químico

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


Energ a libre de gibbs de reacci n

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)

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


Cociente de reacci n termodin mico est ndar

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


Cociente de reacci n termodin mico est ndar1

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


Energ a libre de gibbs de reacci n1

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


Condici n de equilibrio qu mico constante de equilibrio

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 a la temperatura T

[no tiene unidades]

[Lectura: Petrucci 20.6]

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


5 equilibrio qu mico

  • 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


La constante de equilibrio

La constante de equilibrio

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


Condici n de equilibrio qu mico constante de equilibrio1

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


Relaci n entre k y la estequiometria

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


Evoluci n espont nea hacia el equilibrio

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


Equilibrios homog neos disoluciones k c

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


Equilibrios homog neos gases k p y k c

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


5 equilibrio qu mico

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

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Equilibrios heterog neos

Equilibrios heterogéneos

  • No aparecen los sólidos ni los líquidos puros

[Lectura: Petrucci 16.3]

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


Dependencia de la temperatura

Dependencia de la temperatura

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


Variaci n de la constante de equilibrio con la temperatura ecuaci n de van t hoff

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


Perturbaciones del equilibrio

Perturbaciones del equilibrio

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


Principio de le ch telier

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


Efecto de los cambios de concentraci n

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


Efecto de los cambios de volumen o presi n

Efecto de los cambios de volumen o presión

Cambios de volumen (reacciones con gases) a T constante

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


Efecto de los cambios de volumen o presi n1

Efecto de los cambios de volumen o presión

Cambios de presión (reacciones con gases) a T constante

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


Efecto de los cambios de volumen o presi n2

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


Efecto de los cambios de temperatura

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


Efecto de los catalizadores

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


C lculos de equilibrio

Cálculos de equilibrio

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


C lculos de equilibrio1

Cálculos de equilibrio

Concentraciones

Iniciales

Cambios

Estequiometría  una sola variable

Equilibrio

Condición de equilibrio

(positiva o negativa)

[Lectura: Petrucci 16.7]

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C lculos de equilibrio2

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


C lculos de equilibrio3

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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