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INSTITUTO TECNOLÓGICO DE TOLUCA
PRÁCTICA No.10 Efecto de la temperatura en la constante de Equilibrio
Laboratorio Integral II
INGENIERÍA QUÍMICA Presenta: De Jesús Juárez José Ángel Gómora Hernández Julio César Martínez Alva Olivia Catedrático: Dr. María Sonia Martínez Gallegos Metepec, México, Marzo 2011
Práctica No. 10 Efecto de la temperatura en la constante de equilibrio INTRODUCCIÓN Al hablar de la reactividad en química, se hace referencia a la mayor o menor facilidad de un compuesto para transformarse en otra u otras sustancias. La mayoría de las reacciones en química orgánica son irreversibles, es decir, tienden a ser completas o a desaparecer las sustancias reactantes. Algunas son reversibles, es decir, están definidas por un estado de equilibrio entre reactantes y productos.
La característica de este estado es la relación de masas entre productos y reactantes, o sea, su constante de equilibrio.
Ke =
Masa de productos obtenidos Masa de reactantes que no reacciones
En las reacciones irreversibles no existen esa condición de equilibrio, sino que el sistema o el proceso del cambio químico queda definido en función de la cinética de la reacción o de su velocidad de reacción.
La temperatura afecta rotundamente la constante de equilibrio, se considera un valor invariable cuando se tiene un mismo sistema reactivo-producto a una cierta temperatura, sin embargo al incrementar o disminuir la temperatura este valor cambia completamente, por ello es debido calcular las variaciones de
con la temperatura del sistema, aun siendo el mismo
sistema reactivo-producto.
OBJETIVO Determinar experimentalmente la influencia de la temperatura sobre la constante de equilibrio.
FUNDAMENTOS
TEÓRICOS
La ecuación de Van't Hoff
muestra que cuando una reacción exotérmica ( H o es negativa), entonces
K decrece
con el
aumento de la temperatura, de acuerdo con el principio de Le Châtelier. Esto permite los cálculos de las constantes de equilibrio de las reacciones a la temperatura T 2 si la reacción es constante a T 1 es conocida y la entalpía estándar de la reacción puede asumirse como independiente de la temperatura incluso cuando cada cambio en la entalpía estándar es definida a la misma temperatura. Sin embargo, esa suposición es válida solo para pequeñas diferencias de temperatura. De hecho, los argumentos estándar de la termodinámica pueden ser usados para mostrar que
donde Cp es la capacidad calorífica a una presión constante. La constante de equilibrio es asociada al cambio en la energía de Gibbs estándar de una reacción así
donde Go es el cambio en la energía de gibbs estándar de la reacción, los gases y
T es
R es
la constante de
la temperatura absoluta.
Si la constante de equilibrio ha sido determinada y la entalpía de la reacción estándar ha sido también determinada, por un calorímetro por ejemplo, esta ecuación permite el cambio en la entropía estándar para la reacción realizada. La ecuación de Van't Hoff en termodinámica química relaciona la variación de la temperatura absoluta (T) con la variación de la constante de equilibrio (K) dado por la diferencia de entalpía (H). Esta ecuación fue propuesta inicialmente por Jacobus Henricus van 't Hoff.
Si se asume que el calor de reacción no varía con la temperatura, la resolución de esta ecuación diferencial conduce a lo siguiente:
En esta ecuación
es la constante de equilibrio a la temperatura absoluta
constante de equilibrio a la temperatura absoluta
.
y
es la variación de entalpía y
es la es
la constante de los gases. Considerando las relaciones entre la energía libre de Gibbs y la constante de equilibrio ( y
), la ecuación también se podría escribir
de la siguiente manera:
Por tanto, al representar valores de logaritmo natural de la constante de equilibrio medidos para cierto equilibrio versus el inverso de la temperatura se obtiene una línea recta, cuya pendiente negativa es igual a la variación de la entalpía dividida entre la constante de los gases, y la ordenada en el origen es igual a la variación de entropía
dividida entre la
constante de los gases. La ecuación:
es el incremento de la entalpía de reacción nos ayuda a calcular de manera directa el valor de a cualquier temperatura, partiendo de una constante ya conocida y su En donde
respectiva temperatura.
MATERIAL Y EQUIPO Material
Reactivos
1 vaso de precipitado de 400ml
Acetato de Etilo
1 vaso de precipitado de 100ml
NaOH 0.1 Normal
1 vaso de precipitado de 50ml 1 probeta graduada de 100ml 1 probeta graduada de 50 ml 1 baño metálico 2 matraz aforado de 100ml 1 agitador de vidrio 1 termómetro de 110°C
VARIABLES Y PARÁMETROS Variables
Parámetros
Tiempo
Concentración
Temperatura
Constante de equilibrio a una temperatura
Constante de equilibrio con la variación de
pH final
temperatura Variación de pH con el tiempo
Intervalo de tiempo Presión del sistema Volumen de la solución
METODOLOGÍA 1.- Preparar 100 ml de NaOH 1N 2.- Preparar 100 ml de CH 3CO2C5H5 1N 3.- Mezclar las soluciones en un vaso de pp. 4.- Mantener la temperatura constante de la mezcla a 50°C. Utilizando un baño metabólico 5.- En el potenciómetro medir el pH cada minuto, y suspender hasta que la lectura del pH sea constante.
6.-
Repita el procedimiento utilizando temperaturas constantes de: a) 40oC b) 30oC
7.- Compare por medio de una gráfica los resultados obtenidos e interprételos.
DIAGRAMA DE FLUJO
Preparar 100ml de cada solución
Mezclar las soluciones en un vaso de precipitado de 100ml
Mantener temperatura constante (50°C, 40°C, 30°C)
Medir el pH y registrar el valor constante
Graficar los resultados
RESULTADOS Para la solución de NaOH
Para la solución de Acetato de Etilo
Como la densidad del acetato es: .895gr/ml el volumen a utilizar es:
Los resultados obtenidos en los 3 experimentos son:
50°C
40°C
30°C
Tiempo(min)
pH
Tiempo(min)
pH
Tiempo(min)
pH
1
12.81
1
12.91
1
13.20
2
12.83
2
12.88
2
13.19
3
12.83
3
12.88
3
13.1 6
4
12.82
4
12.89
4
13.17
5
12.83
5
12.90
5
13.17
6
12.83
6
12.91
6
13.17
7
12.82
7
12.92
7
13.17
8
12.83
8
12.92
8
13.1 6
9
12.83
9
12.92
9
13.17
10
10
10
El gráfico siguiente muestra la variación de pH con la temperatura a los distintos tiempos.
13.25 13.2 13.15 13.1 13.05 p H
13
pH 30°C
12.95
pH 40°C pH 50°C
12.9 12.85 12.8 12.75 0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Tiempo
CUESTIONARIO 1.- ¿Qué factores afectan la constante de equilibrio? La presión afecta únicamente la composición al equilibrio de los reactantes y productos, la temperatura influye drásticamente en la constante pues para cada temperatura se tiene un valor diverso de constante de equilibrio aún para el mismo sistema reactivo-producto. Las concentraciones pueden alterar el valor de
(constante de equilibrio dada por la
composición al equilibrio) el cual influye directamente en el valor de
. Al tratarse de gases
la desviación con respecto al ideal afecta la constante de equilibrio pues se tendría que hacer uso de los coeficientes de fugacidad.
2.- Explique hacia donde se desplaza el equilibrio para el caso que la reacción sea endotérmica y exotérmica si hay variación de temperatura. En el caso de una reacción endotérmica, puesto que K P0 y RT2 son valores positivos, la variación de la constante de equilibrio con la temperatura tendrá un valor positivo. Si se
produce un aumento de temperatura dT>0, luego dK P0 también será positivo, lo que indica que, a presión constante, un aumento de temperatura produce un aumento de la constante de equilibrio de las reacciones endotérmicas. Al aumentar la constante de equilibrio, como en el numerador se encuentran las presiones parciales de los productos, la fracción molar de estos habrá aumentado respecto a la correspondiente a una menor temperatura, mientras que habrán disminuido las de los reactivos. Por lo tanto en una reacción endotérmica, un aumento de la temperatura a presión constante favorece la obtención de los productos. En el caso de una reacción exotérmica puesto que K P0 y RT2 son positivos, como la variación de entalpía es negativa, la variación de la constante con la temperatura será negativa. Si se produce un aumento de la temperatura dT>0, luego dK P0 será negativo, lo que indica que, a presión constante, un aumento de temperatura produce una disminución de la constante de equilibrio de las reacciones exotérmicas. Al disminuir la constante de equilibrio, las fracciones molares de los productos deben disminuir para satisfacer la nueva condición de equilibrio y consecuentemente las de los reactivos aumentar. Por lo tanto en una reacción exotérmica, un aumento de la temperatura a presión constante dificulta la obtención de los productos. 3.-
Existe una expresión matemática que relacione la manera en que afecta la
temperatura a la constante de equilibrio. Escriba cual es: Si, la ecuación de Van´t Hoff representa el valor de la constante de equilibrio a cualquier temperatura ante un valor dado de la constante a una determinada temperatura por medio de la siguiente expresión:
4.-
¿Cómo afecta la temperatura a la constante en sistemas homogéneos y
heterogéneos?
5.-
Define el concepto de temperatura
La temperatura es una magnitud referida a las nociones comunes de caliente o frío. Por lo general, un objeto más "caliente" que otro puede considerarse que tiene una temperatura mayor, y si es frío, se considera que tiene una temperatura menor. En física, se define como una magnitud escalar relacionada con la energía interna de un sistema termodinámico, definida por el principio cero de la termodinámica. El concepto de temperatura está relacionado directamente con la parte de la energía interna conocida como "energía sensible" , que es la energía asociada a los movimientos de las partículas del sistema, sea en
un sentido traslacional, rotacional, o en forma de vibraciones. A medida de que sea mayor la energía sensible de un sistema, se observa que éste se encuentra más "caliente"; es decir, que su temperatura es mayor. 6.-
Mencione el principio de Le´Chatelier
Si un sistema químico en equilibrio experimenta un cambio en la concentración, temperatura, volumen o la presión parcial, entonces el equilibrio se desplaza para contrarrestar el cambio impuesto. Este principio es equivalente al principio de la conservación de la energía.
1.- Concentración: Si disminuimos la concentración de un sistema en equilibrio químico, éste se desplazará hacia el lado de la ecuación que ha sido afectado, en cambio, si se aumenta la concentración, el equilibrio se desplazará hacia el lado contrario de la adición.
2.- Temperatura: Descrito anteriormente en la pregunta 2.
3.- Presión: El aumento de la presión de todo el sistema hace que el equilibrio se desplace hacia el lado de la ecuación química que produce menos cantidad de moles gaseosos. En el proceso contrario, al disminuir la presión el equilibrio se desplaza hacia el lado que produce la mayor cantidad de moles gaseosos.
7.- ¿Cuál es el comportamiento gráfico de este efecto en la reacción? Para una reacción reversible
Para una reacción irreversible el gráfico es:
8.-
¿Cómo es la velocidad de reacción cuando se está cerca del equilibrio o lejos? ¿Se
comporta igual a diferentes temperaturas? La velocidad de reacción aumenta con la concentración, como está descrito por la ley de velocidad y explicada por la teoría de colisiones. Al incrementarse la concentración de reactante, la frecuencia de colisión también se incrementa, es decir, la velocidad de reacción disminuye a medida que el equilibrio se acerca. Este principio es aplicable a cualquier temperatura, pues entre más rápido interactúen las partículas del reactante más rápida será la formación de los productos.
CONCLUSIONES Como se puede dar cuenta el valor de la constante de equilibrio tiene una dependencia total con la temperatura, era de esperarse pues la definición matemática lo indicaba así al ser función tanto de la temperatura como de la energía libre de gibbs quien a su vez también es función de la temperatura. La constante de equilibrio puede aumentar o disminuir ante un
incremento en la temperatura, esto depende de la reacción que se esté efectuando, si es exotérmica la constante decrecerá sin embargo si es endotérmica su valor aumentará.
La reacción analizada es endotérmica por lo que se espera que la constante de equilibrio aumente a medida que va aumentando la temperatura.
Sería benéfico titular y determinar el volumen de titulante gastado para poder determinar el valor de las constantes de equilibrio y así corroborar los datos obtenidos teóricamente.
BIBLIOGRAFÍA Richard E. Balzhiser et al, Termodinámica química para ingenieros Editorial Prentice Hall, 1° edición, 1974. Pp 503-517 http://es.wikipedia.org/wiki/Constante_de_equilibrio http://es.wikipedia.org/wiki/Principio_de_Le_Ch%C3%A2telier http://joule.qfa.uam.es/beta-2.0/temario/tema7/tema7.php http://mit.ocw.universia.net/7.51/f01/pdf/fa01-lec0 6.pdf
