Descripción: desplazamiento del equilibrio quimico
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EQUILIBRIO QUIMICO
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EQUILIBRIO QUIMICO DE SISTEMAS HOMOGENEOS I.
OBJETIVO. Determinar la concentración del catalizador utilizado en la reacción de esterifcación. Determinar la concentración de la base utilizada en la titulación acido-base. Determinar las concentraciones iniciales de cada reactante y producto. Determinar las concentraciones en el equilibrio de cada producto y reactante. Determinar la constante de equilibrio para la reacción de esterifcación en unción de la concentración a temperatura ambiental. Determinar el cambio energía libre de gibbs estándar de la reacción a temperatura ambiental II. REVISION BI BIBLEOGRAFICA Reacción en el equili!i". el equilibrio químico es el estado en el que las actividades químicas o las concentraciones de los reactivos y los productos no tienen ningún cambio neto en el tiempo.
Relación en#!e la $a!iación %e la ene!&'a %e ene!&'a li!e ( la c"n)#an#e %e equili!i" La ley del equilibrio químico impone una condición a las sustancias que se encuentran en el sistema. Dicas sustancias reaccionarán en un sentido o en el inverso asta que las concentraciones sean adecuadas para que se cumpla la condición de equilibrio. !sto es lo mismo que decir que cuando el equilibrio se a alcanzado" no e#iste tendencia tendencia alguna para que una de las reacción $directa $directa o inversa% tengan lugar con mayor velocidad que la otra. La tendencia a que una reacción transcurra viene determinada por la energía libre del sistema. &i las condiciones son tales que se puede obtener un traba'o útil" la reacción tendrá lugar. La energía libre de un sistema depende de su estado $(" )% y de la naturaleza y de las concentraciones de las sustancias que lo componen. Las concentraciones tienen tendencia a modifcarse siempre que" con
ello" se pueda obtener un traba'o útil" o sea que la energía libre adquiera su valor mínimo. La constante de equilibrio estará pues relacionada con la energía libre. La termodinámica demuestra que la relación es* D + , - .).ln p /uanto mayor sea la disminución de energía libre $o mayor el traba'o aprovecable%" tanto mayor será el valor de " es decir" tanto más progresará la reacción acia la dereca" y viceversa. /uando le valor de p es muy grande" la reacción transcurre acia la dereca de orma prácticamente total.
e)#a%" e)#*n%a! !n química" el estado estándar de un material $sustancia pura" mezcla o solución% es un estado de reerencia utilizado para calcular sus propiedades ba'o dierentes condiciones. !n principio" la elección del estado de reerencia es arbitraria" aunque la 0nión 1nternacional de 2uímica (ura y 3plicada $10(3/% recomienda un con'unto convencional de estados estándar para su uso general. La 10(3/ recomienda usar una presión estándar de por , 456 (a. !strictamente ablando" la temperatura no es parte de la defnición de un estado estándar.
C"n)#an#e %e Equili!i" Las constantes de equilibrio re7e'an cuantitativamente a los múltiples estados de equilibrio para cada reacción. &on una medida de la mayor o menor e#tensión de las reacciones químicas. 0na vez alcanzado el equilibrio" la proporción entre los reactivos y los productos no es necesariamente de 4 a 4. !sa proporción es descrita por medio de una relación matemática mostrada a continuación* Dada una reacción gen8rica* a3 9 b: ;<-= y> 9 z? " donde A" B" Y y Z representan las especies químicas involucradas y a" b" y y z sus respectivos coefcientes estequiom8tricos. La ormula
que describe la proporción en equilibrio entre las en equilibrio entre las especies involucradas es* Los par8ntesis representan el valor de la concentración $normalmente en mol@L% de la especie que esta representada dentro de ellos Kc es
un concepto llamado constante de equilibrio de la reacción. /ada reacción de equilibrio posee su constante" la cual siempre posee el mismo valor para una misma temperatura. De un modo general" la constante de equilibrio de una reacción cualquiera es calculada dividi8ndose la multiplicación de las concentraciones de los productos $cada una elevada en su respectivo coefciente estequiom8trico% por la multiplicación de las concentraciones de los reactivos $cada uno elevado en su relativo coefciente estequiom8trico%. 0n e'emplo de esto es la ormación de trió#ido de azure $&AB% a partir del gas o#ígeno $AC% y el dió#ido de azure $&A C$g%%" que es una etapa del proceso de abricación del ácido sulúrico* C &AC$g% 9 AC$g% ;<-= C &AB$g% La constante de equilibrio de esta reacción esta dada por*
!s posible determinar e#perimentalmente el valor de la constante de equilibrio para una dada temperatura. (or e'emplo" la constante de esta reacción en temperatura de 4555 es 5"54B mol@L. 3 partir de ella" dada una cierta cantidad conocida de productos adicionados inicialmente en un sistema en esa temperatura" es posible calcular por medio de la órmula de la constante" cual será la concentración de todas las sustancias cuando el equilibrio sea alcanzado.
Va!iación %e la c"n)#an#e %e equili!i" c"n la #e+,e!a#u!a !l estudio del equilibrio químico constituye una parte undamental de la química" siendo la base para interpretar multitud de enómenos y procesos que son ob'eto de atención en distintas ramas de las ciencias e#perimentales. !n particular" la in7uencia de la temperatura es un actor determinante que e#plica la e#tensión de un determinado equilibrio químico. Las reacciones con participación de iones son muy comunes en los procesos químicos en general y en determinados procesos biológicos en particular. !ntre estas reacciones" cabe destacar la solubilidad de sales poco solubles como puede ser el caso del yodato de bario. !l m8todo propuesto se basa en el siguiente equilibrio* :a$1AB%C E FCA $s% GC 1ABH aq 9 :aC9 aq 9 FCA $l%
$4%
cuya constante de equilibrio viene dada en t8rminos de actividades como
&i tenemos en cuenta que la actividad del agua como la de la sal sólida son la unidad" podemos reducir la constante de equilibrio a
donde sp es la constante de equilibrio denominada producto de solubilidad. &i se supone una disolución muy diluida" los coefcientes de actividad serán prácticamente la unidad" por lo que puede escribirse*
(or otra parte" la dependencia de la constante de equilibrio con la temperatura puede obtenerse igualando las e#presiones*
donde son la energía libre de +ibbs" la entalpía y la entropía estándar de reacción" respectivamente. De esta orma*
-/ &egún esta ecuación" si es constante entre los límites de temperatura de traba'o" la representación de ln rente a 4@) dará una recta de pendiente y ordenada en el origen !n esta práctica determinaremos la cantidad de yodato de bario disuelto y así obtener la constante de equilibrio en unción de la temperatura. !sta uncionalidad" representada por la ecuación $I%" nos permitirá obtener el valor de la entalpía y entropía de la reacción. Jamos a determinar la cantidad de yodato disuelto por un m8todo indirecto. !ste consiste en aKadir yoduro a la disolución para provocar la siguiente reacción*
en el que se orma una cantidad de $B 1H % cuya cantidad determinaremos espectrootom8tricamente en la zona del visible $656 nm%. (ara ello se utiliza la ley de Lambert-:eer" que relaciona la absorbancia $3% con la concentración $c% de la especie absorbente mediante la ecuación*
donde 1 es el espesor de la muestra $4 cm% y ε el coefciente de absorción molar" que depende de la longitud de onda empleada" de la naturaleza de la sustancia disuelta y de la temperatura. !n el segundo miembro de la ecuación aparecen dos incógnitas" c y ε" por lo que es necesario trazar una recta de calibrado previa para obtener el coefciente de e#tinción molar del triyoduro.
III.
MATERIALES0 EQUI1OS 2 REACTIVOS3
Ma#e!iale)3 C5 viales con tapa rosca de 46-C5 mL C folas de 4L buretas de 65 mL 0na bbureta de 6-45 mL 6 embudos de vástago corto 6 portaburetas dobles de iser con un soporte universal 0na pipeta con embolo :eaMer de 455 o de C65 mL C espatulas baguetas o varillas de vodrio lunas de relo' 4C erlenmeyer 465 o C65 mL B pipetas graduadas de 4 mL B pipetas graduadas de C mL B pipetas graduadas de 6 mL 65cm de cinta engomada 0n picnómetro de 6 o 45 mL IV. 1ROCEDIMIENTO E41ERIMENTAL3 a/ preparacion de F/l apro#. BN y determinación de su densidad a temperatura ambiente* o eectuar los cálculos y preparar 4 L de F/l apro#. B N" a partir del F/l concentrado. o !tiquetar. !nrasar en una bureta de C6 o 65 mL. (esar un picnómetro de 6 o 45 mL $provisto de termómetro o no% limpio y seco. 3notar. (esar el picnómetro con agua destilada. 3notar. (esar el picnómetro con F/l apro#. B N. anotar. /alcular la densidad de F/l apro#. B N. 3veriguar en manuales o en el andbooM del ingeniero quimico la concentración que corresponde a la densidad determinada. 3notar. / (reparacion del contenido inicial de cada reactor. o pesar $minimo al 9@- 5"4 mg% el reactor de vidrio y de una capacidad mayor a 45 mL con su tapa" limpio y seco numerada" según el numero asignada a cada alumno. 3notar en el casillero correspondiente en la tabla No B o aKadir los 6 mL de F/l apro#. BN" tapar" pesar y anotar. o 3Kadir los mL del siguientes reactivo" según lo establecido en la tabla No B para cada reactivo tapar" pesar y anotar en el casillero correspondiente • • • • • • • • • • • • • • • • •
Luego aKadir los mL del siguiente reactivo" según este indicado en la tabla No B" tapar" pesar y anotar donde corresponde continuar asta completar 45 mL aKadidos. o &ellar erm8ticamente cada uno de los reactores. 3gitar diariamente durante dos minutos y de'ar en reposo a temperatura ambiente. c/ 1!e,a!ac"n %e una )"lución e)#an%a!i5a%a %e NaOH3 o (reparar 4 L de NaAF 5"6 N etiquetar. o !nrasar una bureta de C6 o 65 mL con NaAF" aplicando silicona a la llave esmirilada. o (esar C o B muestras de acido silícico alrededor de 5"4 g $ minimo al 9@- 5"4 mg%. o 3notar cada masa. Disolver casa muestra numerada en un !rlenmeyer que contengan 45 mL de agua estilada. 3Kadir C o B gotas de enoltaleína. o )itular cada una de las tres muestras con NaAF para estandarizarlo. 3notar el gasto requerido para lograr un color rosa d8bil. o /alcular la normalidad de N3AF. 3notar y etiquetar. %/ !standarización de la solución de F/l apro#. B N utilizada como catalizador. o !nrasar una microbureta de 6 o 45 mL con el F/l apro#. B N. o Oedir B muestras de 6 mL de F/l apro#. B N en un !rlenmeyer y agregar 4 o C gotas de enoltaleína. o )itular las tres muestras con el NaAF estandarizado. 3notar el gasto requerido para que aparezca un color rosa d8bil. o !ectuar los cálculos para determinar la normalidad estándar del F/l. 3notar y etiquetar. /omparar su resultado con el averiguado. o e/ Determinación del volumen de NaAF estandarizado requerido para neutralizar el catalizador $F/l puro% u el acido ac8tico $F3c% presentes en el equilibrio y solo en una alícuota de muestra de cada reactor. o (esar una probeta de 6 o 45 mL limpia y seca. 3notar. o Oedir C mL de muestra de cada reactor. (esar y anotar. o Determinar el peso de alícuota de muestra separada para titular $malicuota% o Determinar el peso de la muestra total" restando el ultimo peso de cada reactor con todo su contenido menos el peso del respectivo reactor limpio y seco $mtotal% o
Jerter los C mL de cada muestra en un !rlenmeyer" en'uagar la probeta con C porciones de apro#. 6 mL de agua destilada y aKadir 4 o C gotas de enoltaleína. o )itular con el NaAF estandarizado y anotar el gasto requerido para que aparezca un rosado d8bil. 3notar. 6/ /alcular el número de moles de acido ac8tico en el equilibrio para cada reactor* Determinar el gasto total de NaAF que corresponde a cada reactor" multiplicando el gasto de la alícuota por el actor 3@:,$malicuota%. !l resultado anotar como gasto total. /alcular el numero de moles de acido ac8tico en el equilibrio en cada reactor empleado. Numero de moles de acido ac8tico , no de moles de NaAF P no de moles de F/l &/ /alculo del no moles iniciales cada sustancia alimenta al reactor al inicio* Determinar La masa correspondiente a 6 mL de F/l estandarizado. (or dierencia de pesadas registradas en la tabla NoB. 3notar en el casillero respectivo de la tabla No . /alcular la masa de F/l puro y luego en no de moles y anotarlo. !s masa de catalizador. /alcular la masa de agua y luego su numero de moles en el F/l estandarizado y anotar y anotar en el casillero que corresponde como numerode agua presente en cada uno de los reactores. (or dierencia de pesadas determinar las masas de /FB /AAF" /CF6AF" /FB/AA./CF6AF. $tomando en consideración el porcenta'e de pureza de cada reactivo utilizado% y FC5" y luego determinar el número de moles iniciales aKadidas de ácido ac8tico" etanol" acetato de etilo y agua. &egún corresponde a cada reactor. !s conveniente recordar que para algunos reactores es necesario sumar el noFCA procedente del catalizador" para anotar el no total e moles iniciales de agua. 3notar en los casilleros respectivos de la tabla No 7/ calculo de moles de etanol" de acetato de etilo y agua en el equilibrio en cada reactor* anotar el no de moles iniciales de F/l puro $catalizador%" el no de moles de ácido ac8tico" etanol" acetato de etilo y de agua. 3notar el no de moles de ácido ac8tico en el equilibrio y que corresponde al reactor en estudio. Deducir el número de moles de ácido ac8tico que se an ormado a que an reaccionado. 3 partir de ello" relacionar o
•
•
estequimetricamente las cantidades que reaccionan y se orman" para fnalmente determinar tambi8n el número de moles de etanol" de acetato de etilo y de agua en el equilibrio. REACTOR No --------/FB /AAF 9 /CF6AF ----------/FB/AA./CF6AF 9 FCA Oasa inicial$g% QQQQQQQQQ.
QQQQQQQ. QQQQQ
Oasa molecular $g@mol%QQQQQQ QQQQQQQQQ. QQQQ..
QQQQQ. QQQQQQ
QQQQ QQQQ.
1nicialmente $moles% QQQQQQQQQ
QQQQQQQ QQQQ..
QQQQQ..
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eaccionan $moles% QQQQQQQQ..
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&e orman $moles% QQQQQQQQ.
QQQQQQQ QQQQ..
QQQQQ...
QQQQ.
!n el equilibrio$moles% QQQQQQ QQQQQQQQ. QQQQ
QQQQQQ.
QQQQ.
i% /alculo de la constante de equilibrio $g% de cada reactor ( CH 3 COOH ) eq ( C 2 H 5 OH ) eq ¿ c ( CH 3 COOH . C 2 H 5 OH ) eq ( H 2 O ) eq
V. I.
DATOS E41ERIMENTALES 2 BIBLEOGRAFICOS0 CALCULOS 2 RESULTADOS3
DATOS0 C8LCULOS 2 RESULTADOS
TABLA NO 9:3 /RL/0LA D!L JAL0O!N D! F/l /AN/!N)3DA > D! L3 O3&3 NaAF !20!1DA&* Da#") DETALLE Oasa molecular Jolumen a preparar /oncentración
HCl BS.6 g@mol C65 mL B.5 N $mol@L%
NaOH 5.5BC g@mol 655 mL 5.6 N $mol@L%
(ureza de reactivo BI.6 T Densidad teórica 4.4V g@mL Jolumen o masa S4.IIUI mL requerida
UV.6 T ----U.V6IU g
C*lcul" %e la +a)a %el NaOH0 ,a!a ,!e,a!a! ;99 +L %e )"lución 3 ´ × V × pureza msust .= M × PM soln
msust .= 0.5 mol / L× 40.032 g / mol× 0.5 L × 98.5 msust .= 9.8579 g
TABLA NO 9<3 D!)!O1N3/1WN D! L3 /AN/!N)3/1WN D! N3AF )1)0L3DA /AN R/1DA &0//XN1/A > D!L F/l )1)0L3DA /AN !L NaAF !&)3ND31?3DA* TABLA NO 9<=A3 )itulación con NaAF del ácido succínico empleando enoltaleína como indicador* D!)3LL! O!&3 4 O!&3 C O!&3 B
m acd.succinico $g% 5.B5SB 5.CUB4 5.CUII
gasto NaAF -5.6 N $mL% 44.C 44.4 45.U
N NaAF g@L% 5.CC 5.6S 5.66C
N NaAF promedio" $eq- 5.VC g@L%
N NaOH =
m HSuc × pureza HSuc ×θeq − g / mol PM HSuc × 100 ×Gasto N aOH
$eq-
!ntonces teniendo los datos anteriores" se calcula la concentración e#acta del NaAF. (ara ello se emplea la ecuación anterior* N NaOH =
N NaOH =
m HSuc × pureza HSuc ×θeq − g / mol PM HSuc × 100 ×Gasto NaOH
0.3063 g × 99 × 2 Eq / mol 118.06 g / mol× 100 × 0.0114 L
N NaOH =0.4422 Eq − g / L
De orma análoga" se acen los cálculos para el resto de las mesas.
TABLA NO 9<=B3 )itulación del F/l con NaAF estandarizado empleando enoltaleína como indicador* D!)3LL ! O!&3 4 O!&3 C O!&3 B O!&3
N F/l promedio" $eq- B.5BUS g@L% OBSERVACIONES3 1ndicador * enoltaleína /olor inicial * )ransparente /oloración en el punto de vire * osa d8bil L") c*lcul") ,a!a la #ala an#e!i"! )e 7acen c"n la )i&uien#e ecuación3 • • •
N HCl = N NaOH ×
V NaOH V HCl
N HCl =0.4482 Eq− g / L ×
13.60 mL 2.0 mL
N HCl =3.0480 Eq− g / L
De orma similar se acen los cálculos para el resto de las mesas. TABLA NO 9>3 D3)A& !Y(!1O!N)3L!& D! (!&3D3& > JALZO!N!&* REACTOR HCl = >.N CH>COOH CCOOC 4 6 B B C 46.4CC C5.BSC C4.UV U 6 S C V B 46.4C C5.5 C4.4C ; B 6 C 4 4 46.4S4 C5.BU C.S5C C6.BII B 6 I U 4 6 46.45V C5.IS5 CB.UB5 C6.6B6 S 6 U B V C C 4C.IV 4I.U4U C5.5B6 CC.BIV C 6 C C 5 B S 4I.5S6 4V.C5C C5.666 44.VBC 6 5 4 B C : 46.4II 6 C5.BUI CB.VUS 4 C.II
@ -&/
C.VV4 C6.45U 5 C.UV U C.U6I V
9 : : : < : > : : ; : : : : < 9
6 44.V54 B CS.SV I 4V.S6 B C6.IC C 4V.BCC 4V.C 4.SUI U 4.6I5 S 4.IV5 6 4.VSU C
6 6 6 6 6 6 6 6 6 6
6 4S.UUV 6 B4.UB4 B CB.VB B4.445 CB.SI V CB.4 C5.555 U 4U.II5 4U.U4S S C5.4V4 6
B C 4 B C 4
B6.B45 6 CS.6SV U C6.BI S C4.5SU 5
4 C B C
4
4 4U.C54 B C B.S 6 B C.SU V
C5.SVS 5 4 4
C5.VIS C C4.S6S 5 B C5.VIU C C
C4.5BI 6 BS.4I V CV.45 BS.4VI 6 CV.B54 5 CI.VCU S C.S4B V CC.SBB 5 C.CS5 S CC.SB B
4
CB.S5I 5
C
CB.SSU
C8LCULO DE LOS 1ESOS 2 DEL NMERO DE MOLES DE SUSTANCIAS INICILES3 a/ Calcul" %el n? %e +"le) iniciale) %e ca%a )u)#ancia ali+en#a%a al !eac#"! al inici"3 1ARA EL REACTOR N? 93 Ma)a %e ; +L %e HCl3 m HCl
C*lcul" %e la +a)a ( %el n+e!" %e +"le) %el H
3 N =
m HC l
m H 2 O= m HCl
puro +
3 N −
m H 2 O
m HCl
puro
m H 2 O=5.171 g− 0.4702 g m H 2 O= 4.7008 g
m H 2 O n H 2O = PM H 2 O
n H 2O =
4.7008 g 18.016 g / mol
n H 2O =0.2611 mol
(33 !L !3/)3N)! 54* C*lcul" %e la +a)a ( %el n+e!" %e +"le) %e ; +L %e CH>COOC
m !Cet"lo= 4.3499 g
m !Cet"lo n !Cet"lo = PM !Cet"lo
n !Cet"lo=
4.3499 g 88.064
g / mol
n !Cet"lo=0.0494 mol
1ARA EL REACTOR N? :93 C*lcul" %e la +a)a ( %el n+e!" %e +"le) %e < +L %e CH>COOH3 m H!C = mreactor conHCl + H!C −mr eactor conHCl m H!C =20.0350 g −17.9192 g m H!C =2.1158 g m H!C n H!C = PM H!C
n H!C =
2.1158 g 60.032 g / mol
n H!C =0.0352 g
C*lcul" %e la +a)a ( %el n+e!" %e +"le) %e : +L %e CH>COOC
m !Cet"lo n !Cet"lo = PM !Cet"lo
n !Cet"lo=
0.8513 g 88.064
g / mol
n !Cet"lo=0.0106 g
De esta manera se realizó los cálculos para cada reactor y los resultados se reportan en la siguiente tabla* TABLA N? 93 /RL/0LA D! LA& (!&A& > D!L NZO!A D! OAL!& D! &0&)3N/13& 1N1/13L!&3
E A .
; +L %e HCl >N
CH>COOH
C
@ -&/
@ -&/
@ -&/
4
6.4V6
n HCl ,u!"
n H
n +"le)
CH>COOC
n +"le )
H
n +"le )
C B 6 S I V U 4 5 4 4 4 C 4 B 4 4 6 4 S 4 I 4 V 4 U C 5
6.4VC U 6.BB4 B 6.CBU I 6.B46 U 6.CBB 6.S6C B 6.4I4 6.CBB 6.CC 6.4UI 6.4V 6"4UV 6.BSV 6.46 .UU 6.4 6.4UU 6.4BS 6.B4C