Informe 3 Qui II 1ro

Equilibrio Químico y Principio de Lechat Lechatelier elier

FIGMM

Introducción

Muchas reacciones químicas tienen lugar disminuyendo la concentración (o la masa) de las sustancias reaccionantes y terminan cuando prácticamente, se ha consumido la sustancia limitante de la reacción. Estas reacciones se denominan irreve irreversi rsible bles. s. Sin Sin embarg embargo, o, muy recu recuen entem tement ente, e, la reacc reacción ión !se !se paral parali"a i"a!! permaneciendo en equilibrio una me"cla de productos de reacción y reactivos no consu consumid midos. os. Se dice dice enton entonces ces,, que que el proce proceso so es reve reversi rsible ble y que que hay hay una una evolu evolució ción n en ambos ambos senti sentidos dos hasta hasta alcan alcan"ar "ar dicho dicho equi equilib librio rio,, en el cual cual la velocidad de la reacción directa es igual a la de la reacción inversa. #ay reacciones muy lentas y que aparentemente aparentemente no ocurren, pero las elegidas en esta esta prác práctic tica, a, trans transcu curre rren n en tiempo tiempos s muy pequ peque$ e$os os y pued pueden en obser observar varse se inmediatamente los eectos que el cambio de concentración en los reactivos o productos, o de la temperatura, tienen sobre el equilibrio alcan"ado. El comportamiento observado responde a un principio general que ue establecido en %&&' independiente y simultáneamente por . rauny #. *e +hatelier. El teto tal y como ue enunciado por *e +hatelier establece que "una reacción química

que que es desp despla laza zada da del del equi equili libr brio io por por un ca camb mbio io de las las cond condic icio ione ness (concentración, temperatura, presión, volumen) evoluciona hacia un nuevo esta es tado do de equi equili libr brio io en la dire direcc cció ión n en la que, que, al meno menoss parc parcia ialm lmen ente te,, compense el cambio experimentado".

Universidad Nacional de Ineniería

Equilibrio Químico y Principio de Lechat Lechatelier elier

FIGMM

Objetivos

o

o

o

o

-ar a conocer como una reacción química responde a cualquier aporte o disminución disminución de las sustancias que conorman dicha reacción y la tendencia a buscar su estabilidad química temporal. Estudiar las reacciones reversibles y la posibilidad de controlar la etensión de las mismas. +onocer +onocer los actores que inluyen en una reacción reacción cuando se encuentra encuentra en el equilibrio químico, como el aumento o disminución de las concentraciones de los productos o reactivos. Saber que dichos actores se eplican mediante el principio de *echatelier.


Equilibrio Químico y Principio de Lechatelier

FIGMM

Fundamento teórico

EQU!#$ QU%&$ 'E&$ Es una condición termodinámica alcan"ada por un sistema cuando dentro de /l esta ocurriendo simultáneamente dos reacciones opuestas y con la misma velocidad de reacción. 0l alcan"ar esta condición permanecen constates las propiedades del sistema como1 concentración, presión, entalpia, temperatura, etc. 2na ve" que el equilibrio se establece las concentraciones de reactantes y productos no cambian, esto no signiica que de3en de reaccionar por el contrario el equilibrio es un sistema din*mico porque los reactantes están continuamente reaccionando para generar productos, y estos 4ltimos para volver a generar los reactantes. Solo que /stos dos procesos se llevan a cabo a la misma velocidad. Sea la reacción reversible1

El sistema en equilibrio se reconoce usualmente así1



FIGMM

!+ &$-+-E &/ -onde c se deine como el producto de las concentraciones en el equilibrio (moles por litro) de los productos, cada una elevada a la potencia que corresponde a su coeiciente en la ecuación a3ustada, dividido por el producto de las concentraciones en el equilibrio de los reactivos, cada una elevada a la potencia que corresponde a su coeiciente en la ecuación a3ustada. K c  

>C ?c � >D ?d =

> A?a � >B ?b

para concentraciones en el equilibrio. *a constante 5 c cambia con la temperatura.

Sólo se incluyen las especies gaseosas y6o en disolución. *as especies en estado sólido o líquido tienen concentración constante y por tanto, se integran en la constante de equilibrio.

&$-+-E 'E EQU!#$ E E-+'$ 0$%$12E$ 1+E$$ (3)/ En las reacciones en que intervengan 4ases es más sencillo medir presiones parciales que concentraciones1

7 se observa la constancia de 5 p viene deinida por1

K P

=

pCc �pDd p Aa �pDd

8elación entre 5p y 5c 9emos, pues, que 5 : puede depender de la temperatura siempre que haya un cambio en el numero de moles de gases

pcc 5 p'd & c (#-)c 5 ' d (#-)d p 6 7777 6 7777777777 6 p+a 5 pb + a (#-)a 5  b (#-)b

KP = KC �(RT )

n

En donde n ; incremento en n< de moles de gases (n productos = nreactivos)



FIGMM

3#&3$ 'E !E &0+-E!E# 8Un cambio o perturbación en cualquiera de las variables que determinan el estado de equilibrio químico produce un desplazamiento del equilibrio en el sentido de contrarrestar o minimizar el e9ecto causado por la perturbación:.

+&-$#E QUE %$'&+ E! EQU!#$/ Eisten diversos actores capaces de modiicar el estado de equilibrio en un proceso químico, como son1 la temperatura, la presión (aectando al volumen) y las concentraciones. *a inluencia de estos tres actores se puede predecir, de una manera cualitativa por el :rincipio de *e+hatelier, que dice lo siguiente1 Si en una reacción química en equilibrio se modiican la presión, la temperatura o la concentración de alguna de las especies reaccionantes, la reacción evolucionará en uno u otro sentido hasta alcan"ar un nuevo estado de equilibrio. Este principio es equivalente al principio de la conservación de la energía.

EE&-$ 'E !+ -E%3E#+-U#+/ Es la 4nica variable que, además de inluir en el equilibrio, modiica el valor de su constante. Si una ve" alcan"ado el equilibrio se aumenta la temperatura, el sistema se opone a ese aumento de energía caloríica despla"ándose en el sentido que absorba calor es decir, hacia el sentido que marca la reacción endot/rmica. 0quí debemos recordar que en las reacciones químicas eisten dos tipos de variación con la temperatura1 

Exot;rmica1 aquella que libera o desprende calor.



Endot;rmica1 aquella que absorbe el calor.

Es importante hacer notar que a ba3as temperaturas, la reacción requiere más tiempo, debido a que ba3as temperaturas reducen la movilidad de las partículas involucradas. :ara contrarrestar este eecto se utili"a un catalizador para acelerar la reacción.



FIGMM

8especto a los catali"adores, se ha determinado que estos no tienen ning4n eecto sobre la concentración de los reaccionantes y de los productos en equilibrio. Esto se debe a que si un catali"ador acelera la reacción directa tambi/n hace lo mismo con la reacción inversa, de modo que si ambas reacciones se aceleran en la misma proporción, no se produce ninguna alteración del equilibrio.



EE&-$ 'E !+ 3#E</

Si aumenta la presión la reacción se despla"ará hacia donde eista menor n4mero de moles gaseosos, para así contrarrestar el eecto de disminución de volumen, y viceversa. *ógicamente, en el caso de que las cantidades de moles gaseosos sean iguales para cada lado de la ecuación, no se producirán cambios, es decir que el equilibro no se despla"ará. @ambi/n se puede aumentar la presión del sistema sin aectar el equilibrio agregando un gas noble. 

EE&-$ 'E !+ &$&E-#+&$E/

2n aumento en la concentración de uno de los reactivos hace que el equilibrio se desplace hacia la ormación de productos, y a la inversa en el caso de que se disminuya dicha concentración. 7 un aumento en la concentración de los productos hace que el equilibrio se desplace hacia la ormación de reactivos, y viceversa en el caso de que se disminuya.

&+#+&-E#=-&+/ 

 



aturaleza din*mica1 es una situación permanente mantenida por la Agualdad de las velocidades de dos reacciones químicas opuestas, es -ecir, en un estado de equilibrio no se observan cambios en el tiempo. Espontaneidad1 los sistemas evolucionan espontáneamente hacia un Estado de equilibrio. #eversibilidad1 las propiedades del estado de equilibrio son las Mismas, independientemente de la dirección desde la que se alcan"a. :uede alcan"arse partiendo de los reactivos puros o bien partiendo de *os productos. *as concentraciones de los reactivos y productos en el equilibrio no son Siempre las mismas, depende de las concentraciones y de la temperatura. Sí eiste una relación constante entre las concentraciones en el equilibrio.



FIGMM

Materiales Fe(NO3)3

NaOH


KSCN

NH4OH


K2Cr2O7

HCl


FIGMM

K2CrO4

Ba(NO3)2


FIGMM

Parte e!eri"ental Eperimento % Esta reacción involucra la reacción en equilibrio1 2 +¿ FeSCN (ac ) −¿ SCN ( ac) ↔ 3 +¿ Fe ( ac )

¿

+¿

¿

2tili"ando una ca3a :etri colocado sobre una pantalla luorescente, podemos observar los cambios de color en la concentración de los reaccionantes.

3rocedimiento/ 0dicionamos B gotas de Fe ( N O3)3 en solución. Cotamos el cambio de color, anotamos los iones presentes e BD(ac) y CBF(ac).

0dicionamos una solución de 5S+C. Andicando los iones presentes que son 5 F(ac) y S+CF(ac). -ebido al cambio de color podemos concluir la ormación de nuevas especies



FIGMM

2 +¿ FeSCN (ac ) −¿ SCN ( ac) ↔ 3 +¿ Fe ( ac )

¿

+¿

¿

0dicionamos unos cuantos cristales de 5S+C a la ca3a :etri. Cotamos la ormación de un color oscuro eS+C GD(ac).El color oscuro representaría el despla"amiento hacia la derecha.

Fe ( N O 3)3 0gregamos una gota de en solución. Cotamos que el color nuevamente se intensiica e indica un despla"amiento del equilibrio hacia la



FIGMM

derecha

8emovemos algo de e BD ormando un comple3o por la adición de cristales de Na2 HP O 4 . Cote la inmediata desaparición del color oscuro. Esto indica un despla"amiento del equilibrio hacia la i"quierda.



FIGMM

+C+*2+ACES1 o

o

-ebido al los iones S+C F y e BD nos damos cuenta que el cambio de color se debe a la ormacion de eS+C GD ,luego al agregarle mas S+C F notamos un tono un poco mas oscuro ,no muy apreciable, depues, al agregar e BD notamos un gran cambio de color ro3o oscuro (muy parecido al de la sangre) y se observo como se despla"aba por toda la solucion, de estos pasos concluimos que la reaccion se despla"o hacia la derecha. :or ultimo al agregar los cristales de Na2 HP O 4 y removerlo un poco notamos el cambio de de ro3o intenso a un tono transparente de aquí concluimos que la reaccion se despla"o a la i"quierda.

CUESTIONARIO



+¿ >. 3orque los iones K ¿( ) reacción de equilibrio.

FIGMM

−¿¿

? el

ac

N O 3( ac )

no est*n incluidos en la

:orque el ion e(S+C)GD es la 4nica especie coloreada que se orma en concentración apreciable en las condiciones de reacción de este traba3o práctico, y por lo tanto, es la 4nica especie presente que presenta absorción en la región visible del espectro electromagn/tico. :or ello, su concentración se puede medir espectrootom/tricamente. *as concentraciones de las otras especies pueden calcularse a partir de /sta mediante relaciones estequiomHtricas.

@. &uando un cristal de

2

+¿

9ue a4re4ado, la solución se convirtió a 2 +¿ oscura como resultado de la 9ormación de m*s FeSCN ¿ (ac). &omo 3 +¿ podría 9ormarse m*s Fe ( N O ) si no ha? Fe¿ adicional del que ¿ KSCN

3 3

9ue a4re4ado. 0gregando un reactivo complementario que me sirva para ormar un comple3o que haga que la concentración de

2

+¿

¿ KSCN

disminuya y por ende mi reacción

se desarrolle de derecha a i"quierda haciendo que la concentración del

(

Fe N O 3

) aumente ello debido a que ya no tiene más 3

2

+¿

¿ K SCN

con el cual

reaccionar.

#!eri"ento N$ 2 Estudio del equilibrio del i!n cromato

3rocedimiento/ 

2tili"amos ' tubos de ensayo, en los cuales echamos I gotas de cromato de potasio ( K 2 Cr O 4 ) en dos de ellos y I gotas de dicromato de potasio

( K Cr 2

2

O7

) en los otros dos ambas J,%M.



FIGMM

Estas soluciones nos sirvieron como origen de los iones

2

−¿

¿ CrO4 (ac )

y

−¿

2

¿ Cr 2 O7 (ac )

bservaciones1 *a solución de cromato de potasio es de color anaran3ado, mientras que la solución de dicromato de potasio es de color amarillo.



*uego a G tubos de ensayo que contenían dierente solución le a$adimos %J gotas de solución de Ca# %M.

bservaciones1 o

o

Cotamos que el K 2 Cr O4 no reacciona con el Ca# y con ello se pudo comprobar que estable en un medio básico.

:ara el K 2 Cr 2 O7 si se produ3o reacción cuando se le a$adió Ca# y la solución resultante paso de ser anaran3ada a amarilla, esto quiere decir de que el dicromato de potasio es inestable en medio básico.



FIGMM

0demás el cambio de color de nuestra solución se debe a que se produce la siguiente reacción reversible1

+¿ 2−¿+ 2 H 2−¿+ 3 H O 2

3

O

⟷

¿

¿ 2 Cr O4

¿ Cr2 O 7

Esto indica que los iones se encuentran en equilibrio químico y /ste se despla"ó hacia la ormación del ión cromato, por ello nuestra solución se vuelve amarilla (el equilibrio se despla"ó hacia la derecha).



-espu/s a los dos tubos que quedaron le a$adimos %J gotas de #+l %M.

bservaciones1 o

o

Cotamos que el K 2 Cr 2 O7 no reacciona con el #+l y con ello se pudo comprobar que estable en un medio acido. @odo lo contrario sucedió con el cromato de potasio ya que si se produ3o reacción y la solución de cambio de color amarillo a anaran3ado.



FIGMM 2

o

¿ CrO4

*o que sucede es que al a$adir medio acido, el ión cromato

segundo

o

naran3a

uerte,

¿ Cr 2 O 7

¿

se

¿

−¿

2

convierte en anión dicromato

−¿

. El primero es de color amarillo y el

por

eso

cambia

de

color.

Estos dos iones se encuentran en equilibrio, el cual se despla"ará mas a la ormación del dicromato (naran3a) en medio acido o la ormación de cromato (amarillo) en medio básico. *a reacción de equilibrio es la siguiente1

−¿+ 3 H O +¿ Cr O¿ ¿ 2−¿+ 2 H O 2

2

⟷

2

7

3

¿

2Cr O 4



0$adimos Ca# %M, gota a gota, a cada uno de los tubos preparados en el pa"o (B) y tambi/n echamos #+l %M a los tubos del paso (G)

bservaciones1 :ara el caso de los tubos del pa"o (G)1 En los dos tubos se tiene soluciones con presencia de iones cromato, /stos en medio acido (#+l) se convierten a iones dicromato ya que se produce un despla"amiento del equilibrio químico. o

o

:ara el caso de los tubos de ensayo del pa"o (B)



FIGMM

En los dos tubos se tiene soluciones con presencia de iones dicromato, /stos en medio básico (Ca#) se convierten a iones cromato ya que se produce un despla"amiento del equilibrio químico.

&onclusión :odemos concluir que eectivamente como enuncia el principio de *e+hatelier, cuando una reacción se encuentra en equilibrio dinámico para este ca"o en especial los iones cromatoFdicromato. Sí, se reali"a un cambio en el sistema el equilibrio se despla"a de una manera tal que contrarresta el eecto.

#!eri"ento 3% Estudio del equilibrio del cromato de bario sólido solución saturada de iones.

BaCr O 4( s )

con una

3#$&E'%E-$/ 

+olocamos %J gotas (aproimadamente de J,Iml.) de K 2 Cr O4 J,% M en un tubo limpio, a$adimos G gotas de Ca# % M, luego a$adimos gota a gota Citrato de ario y guardamos este tubo para el paso B.

bservación1 o

Sabemos por el eperimento anterior que el cromato de potasio rente al Ca# no reacciona, pero en nuestra solución hay presencia de iones

−¿

2

cromato

¿ CrO4

, /stos iones van a reaccionar con los iones a GD del nitrato

¿

de bario (a(C B)G), seg4n la reacción1 2

+¿

BaCr O 4( s ) ¿ Ba( ac ) 2 ¿ Cr O4 ( ac ) ⟷

−¿+

+omo notamos hay precipitado de color


ormación blanco.

de

un




FIGMM

+olocamos %J gotas (aproimadamente J,I ml.) de K 2 Cr 2 O7 J,% M en un tubo limpio, a$adimos G gotas de #+l % M, y %J gotas de a(C B)G J,% M. 0notamos las conclusiones acerca de las solubilidades relativas de BaCr O 4( s ) y BaCr 2 O7 ( s) vali/ndonos de las observaciones en los pasos % y G.

bservaciones1 Sabemos por el eperimento anterior que el dicromato de potasio rente al #+l no

−¿

2

reacciona, pero en nuestra solución hay presencia de iones dicromato

¿ Cr 2 O7

,

¿ GD

/stos iones van a reaccionar con los iones a del nitrato de bario (a(C B)G), seg4n la reacción1 2

+¿

BaCr 2 O7 (s ) ¿ 2 Ba( ac ) ¿ Cr2 O7( ac ) ⟷

−¿+

Cotamos que se ormo un precipitado.





0$adimos al tubo del paso % gota a gota un cambio. 0notamos la observación.

FIGMM

HCl

% M hasta que observamos

bservación1 Cotamos que con la presencia de #+l el precipitado ormado se disolvió y la solución cambio de color amarillo a anaran3ado, esto se debió a que el equilibrio se despla"ó debido a la ormación de iones dicromato.





FIGMM

0$adimos al tubo del paso G, gota a gota NaOH observamos un cambio. 0notamos la observación.

% M hasta que

bservación1 Cotamos que con la presencia de Ca# el precipitado ormado se disolvió y la solución cambio de color anaran3ado a amarillo, esto se debió a que el equilibrio se despla"ó debido a la ormación de iones cromato.



Sugerimos una orma de invertir los cambios y reacciones que hemos observado en el paso B, y reali"amos lo mismo para el paso '.

2na manera de invertir los cambios seria haciendo todo lo contrario para cada caso ya que nos basamos en el equilibrio químico y tambi/n en el principio de *echatelier. Solamente producimos cambios en las concentraciones de los iones reaccionantes. 

+olocamos %J gotas (aproimadamente J,I ml.) de tubo limpio y la misma cantidad de gotas de anotamos.

(

Ba NO 3

K 2 Cr O4

K 2 Cr 2 O7

J,% M en un

en otro. 0$adimos unas

) J,% M a cada uno .bservamos los resultados y los 2

bservación1



FIGMM

+omo vimos anteriormente se produce la ormacion de precipitados. 8eacconan los iones cromato con los iones bario y en el otro caso los iones dicromato con los iones bario. 2

+¿

BaCr 2 O 7 (s ) ¿ 2 Ba( ac ) ¿ Cr2 O 7( ac ) ⟷

−¿+

2

+¿

BaCr O 4( s ) ¿ Ba( ac ) 2 ¿ Cr O4 ( ac ) ⟷

−¿+

Bibliografía  "ilberber#

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FIGMM

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Informe 3 Qui II 1ro

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