Facultad de Ingeniera Industrial Qumica General

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INTRODUCCION

El equilibrio es un estado en el que no se observan cambios durante el tiempo transcurrido. Cuando una reaccin qumica llega al estado de equilibrio, las concentraciones de reactivos y productos permanecen constantes en el tiempo, sin que se produzcan cambios visibles en el sistema. Sin embargo, a nivel molecular existe una gran actividad debido a que las molculas de reactivos siguen formando molculas de productos, y estas a su vez reaccionan para formar molculas de reactivos. El objetivo es el estudio de tales procesos dinmicos. Aqui se describen diferentes tipos de reacciones en equilibrio, el significado de la constante de equilibrio y su relacin con la constante de velocidad, asi como los factores que pueden modificar un sistema en equilibrio.

Pocas reacciones qumicas proceden en una misma direccin. La mayora son irreversibles, al menos en cierto grado. Al inicio de un proceso reversible, la reaccin procede hacia la formacin de productos. Tan pronto como se forman algunas molculas del producto, comienza el proceso inverso: estas: molculas reaccionan y forman molculas de reactivo. El equilibrio qumico se alcanza cuando las velocidades de las reacciones directa e inversa se igualan y las concentraciones de los reactivos y productos permanecen constantes.

El equilibrio qumico es un proceso dinmico. Se puede comparar con el movimiento de los esquiadores en un centro de esqu repleto de personas, donde el nmero de esquiadores que suben a la montaa por el telefrico es igual al nmero de esquiadores que bajan deslizndose. Aunque hay un acarreo constante de esquiadores, la cantidad de personas que hay en el clima y la que esta en la base de la ladera no cambia.I. PRINCIPIOS TEORICOSQu es un equilibrio qumico?Existen muchas reacciones qumicas en las que los productos obtenidos en ellas son tan estables en las condiciones del proceso, que no ofrecen prcticamente tendencia alguna a reaccionar nuevamente entre si para regenerar los reactivos de los que proceden. As, la reaccinNaCl + AgNO3 NaNO3 + AgCles un proceso que continua hasta que precipite todo el AgCl, momento en el cual finaliza la reaccin qumica.A este tipo de reacciones qumicas se le denomina irreversible.Existen muchas reacciones qumicas en las que no sucede esto. En ellas los productos son capaces de reaccionar entre si para regenerar los reactivos. As, en la reaccinN2 + 3H2 2NH3El NH3 se descompone en H2 y N2. A este tipo de reaccin qumica se le denomina reversible.Al comienzo de una reaccin qumica reversible, como las concentraciones de los reactivos son mayores que las de los productos, la velocidad directa (Vd.) ser tambin mayor en el sentido de izquierda a derecha, es decir, de reactivos a productos; pero a medida que vaya avanzando el proceso y existan concentracin considerables de productos, ir aumentando, a su vez, la reaccin en sentido contrario, de derecha a izquierda, es decir, de productos a reactivos. Llegar un momento en que ambas velocidades se igualen, formndose tantas molculas como se destruyen por unidad de tiempo, y por consiguiente, no varan las concentraciones de las sustancias que intervienen. Cuando se cumple esta circunstancia se dice que existe equilibrio qumico.El hecho de conseguir el equilibrio no supone en modo alguno que ya no exista reacciones entre las sustancias. Las dos reacciones, tanto la directa como la inversa, siguen producindose, pero con igual velocidad en los dos sentidos. El equilibrio qumico n es un equilibrio esttico, sino dinmico. En el equilibrio las condiciones macroscpicas del sistema no variarn, aunque la reaccin no se detenga a nivel molecular.De otra forma dicha, es una reaccin que nunca llega a completarse, pues se produce simultneamente en ambos sentidos (los reactivos forman productos, y a su vez, stos forman de nuevo reactivos). Constante de equilibrio (Kc) Ley de accin de masaSea una reaccin qumica reversible, homognea y que sucede en una etapa, A + B C + DLa Vd. = K [A] [B] y la Vi= K [C] [D].Cuando se alcanza el equilibrio se cumple que:Vd. = Vi es decir K [A] [B] = K [C] [D]

Expresin que nos indica que en toda reaccin qumica reversible que transcurra en una sola etapa y en fase homognea, una vez en equilibrio, es constante el cociente entre el producto de las concentraciones de productos de la reaccin y el producto de las concentraciones de los reactivos.

Esta constante Kc, se denomina constante de equilibrio referido a concentraciones, depende de la temperatura del proceso.Para una reaccin general:

a A + b B + .... c C + d D + ...)

se define la constante de equilibrio (KC) de la siguiente manera:

Que es la expresin matemtica de la llamada ley de accin de masas, establecida por Guldberg y Waage, que dice: Para cualquier reaccin qumica reversible en equilibrio qumico a una T dada se cumple que el producto de las concentraciones molares de los productos de reaccin, dividido entre el producto de las concentraciones molares de los reactivos, elevados al coeficiente estequiomtrico, es una constante, denominada constante de equilibrio.Se denomina constante de equilibrio, porque se observa que dicho valor es constante (dentro un mismo equilibrio) si se parte de cualquier concentracin inicial de reactivo o producto. Significado del valor de Kc La Kc es caracterstica de cada reaccin vara con la temperatura siendo las concentraciones medidas en el equilibrio (no confundir con las concentraciones inciales de reactivos y productos)

El valor de KC, dada su expresin, depende de cmo se ajuste la reaccin

El valor numrico de dicha constante es la expresin concisa de la tendencia de los reaccionantes a convertirse en productos. As, un valor alto de K indica que el equilibrio esta muy desplazado hacia la formacin de los productos, Un valor pequeo de K indica que la reaccin directa apenas se realiza, siendo predominante la inversa. El valor de la constante puede variar entre lmites bastante grandes:ATENCIN!: Slo se incluyen las especies gaseosas y/o en disolucin. Las especies en estado slido o lquido tienen concentracin constante, y por tanto, se integran en la constante de equilibrio.Ejemplo:Tengamos el equilibrio: 2 SO2(g) + O2(g) 2 SO3(g). Se hacen cinco experimentos en los que se introducen diferentes concentraciones inciales de ambos reactivos (SO2 y O2). Se produce la reaccin y una vez alcanzado el equilibrio se miden las concentraciones tanto de reactivos como de productos observndose los siguientes datos:Concentraciones al inicio (mol/l)Concentraciones en el equilibrio (mol/l)

[SO2][O2][SO3][SO2][O2][SO3]Kc

Exp 10,2000,2000,0300,1150,170279,2

Exp 20,1500,4000,0140,3320,135280,1

Exp 30,2000,0530,0260,143280,0

Exp 40,7000,1320,0660,568280,5

Exp 50,1500,4000,2500,0370,3430,363280,6

Kc se obtiene aplicando la expresin:

Y como se ve es prcticamente constante. Cociente de reaccin (Q)Se define una nueva magnitud, cociente de reaccin, Q, que tiene la misma expresin que Kc, pero donde las concentraciones no son las del equilibrio. As, en una reaccin cualquiera: a A + b B c C + d D se llama cociente de reaccin a:

Tiene la misma frmula que la KC pero a diferencia de sta, las concentraciones no tienen porqu ser las del equilibrio.1. Si Q = Kc entonces el sistema est en equilibrio.1. Si Q < Kc el sistema evolucionar hacia la derecha, es decir, aumentarn las concentraciones de los productos y disminuirn las de los reactivos hasta que Q se iguale con KC.1. Si Q > Kc el sistema evolucionar hacia la izquierda, es decir, aumentarn las concentraciones de los reactivos y disminuirn las de los productos hasta que Q se iguale con KC. Constante de equilibrio Kx.Podemos expresar la constante de equilibrio en funcin de las fracciones molares.La ley de Dalton para gases ideales dice:

, donde Xi es la fraccin molar

Donde:

,es la constante de equilibrio referida a fracciones molares.Entonces queda Kp = Kx Pn que es la relacin entre Kp y Kx Relacin directa e inversaSi A(g) + B(g) C(g) + D (g)

Kc del proceso directo es:

Kc del proceso inverso es: Modificaciones del equilibrioSi un sistema se encuentra en equilibrio (Q = Kc) y se produce una perturbacin:1. Cambio en la concentracin de alguno de los reactivos o productos.1. Cambio en la presin (o volumen).1. Cambio en la temperatura.el sistema deja de estar en equilibrio y trata de volver a l. Cambio en la concentracin de alguno de los reactivos o productos. Si una vez establecido un equilibrio se vara la concentracin algn reactivo o producto el equilibrio desaparece y se tiende hacia un nuevo equilibrio. Las concentraciones iniciales de este nuevo equilibrio son las del equilibrio anterior con las variaciones que se hayan introducido.Lgicamente la constante del nuevo equilibrio es la misma, por lo que si aumenta la concentracin de algn reactivo, crecera el denominador en Q, y la manera de volver a igualarse a KC sera que disminuyera la concentracin de reactivos (en cantidades estequiometrias) y, en consecuencia, que aumentasen las concentraciones de productos, con lo que el equilibrio se desplazara hacia la derecha, es decir, se obtiene ms producto que en condiciones inciales.

De la manera, en caso de que disminuyera la concentracin de algn reactivo: disminuira el denominador en Q, y la manera de volver a igualarse a KC sera que aumentase la concentracin de reactivos (en cantidades estequiomtricas) y, en consecuencia, que disminuyesen las concentraciones de productos, con lo que el equilibrio se desplazara hacia la izquierda, es decir, se obtiene menos producto que en condiciones inciales.Anlogamente, podra argumentarse que, si aumentase la concentracin de algn producto, el equilibrio se desplazara a la izquierda, mientras que si disminuyese, se desplazara hacia la derecha. Cambio en la presin (o volumen)En cualquier equilibrio en el que haya un cambio en el nmero de moles en sustancias gaseosas entre reactivos y productos, como por ejemplo en reacciones de disociacin del tipo: A B + C, ya se vio que KC c x 2 Al aumentar p (o disminuir el volumen) aumenta la concentracin y eso lleva consigo una menor , es decir, el equilibrio se desplaza hacia la izquierda que es donde menos moles hay.Este desplazamiento del equilibrio al aumentar la presin, hacia donde menos moles de sustancias gaseosas, es vlido y generalizable para cualquier equilibrio en el que intervengan gases. Lgicamente, si la presin disminuye, el efecto es el contrario.Si el nmero de moles gaseosos total de reactivos es igual al de productos se pueden eliminar todos los volmenes en la expresin de KC, con lo que ste no afecta al equilibrio (y por tanto, tampoco la presin). CUIDADO!: El cambio de presin apenas afecta a sustancias lquidas (incluyendo disoluciones) o slidas, por lo que si en una reaccin no interviene ningn gas, estos cambios no afectarn al equilibrio. Cambio en la temperatura.Se observa que, al aumentar T, el sistema se desplaza hacia donde se consuma calor, es decir, hacia la izquierda en las reacciones exotrmicas y hacia la derecha en las endotrmicas.Si disminuye T el sistema se desplaza hacia donde se desprenda calor (derecha en las exotrmicas e izquierda en las endotrmicas). PRINCIPIO DE LE CHATELIER, VARIACIONES EN EL EQUILIBRIOExiste una regla, que permite predecir de forma cualitativa el sentido en el que se ver desplazado un equilibrio cuando se modifican las condiciones de reaccin, es el llamado Principio de Le Chatelier, que dice:Un cambio o perturbacin en cualquiera de las variables que determinan el estado de equilibrio qumico produce un desplazamiento del equilibrio en el sentido de contrarrestar o minimizar el efecto causado por la perturbacin.1. [reactivos] > 01. [reactivos] < 01. [productos] > 01. [productos] < 01. T > 0 (exotrmicas)1. T > 0 (endotrmicas)1. T < 0 (exotrmicas)1. T < 0 (endotrmicas)1. p > 0Hacia donde menos n moles de gases1. p < 0 Hacia donde ms n moles de gases. Importancia en procesos industriales.El saber qu condiciones favorecen el desplazamiento de un equilibrio hacia la formacin de un producto es de suma importancia en la industria, pues se conseguir un mayor rendimiento, en dicho proceso.Un ejemplo tpico es la sntesis de Haber en la formacin de amoniaco a partir de la reaccin N2(g) + 3 H2(g) 2 NH3(g), exotrmica. La formacin de amoniaco est favorecida por altas presiones (menos moles gaseosos de productos que de reactivos) y por una baja temperatura. Por ello esta reaccin se lleva a cabo a altsima presin y a una temperatura relativamente baja, aunque no puede ser muy baja para que la reaccin no sea muy lenta. Hay que mantener un equilibrio entre rendimiento y tiempo de reaccin.II. DETALLES EXPERIMENTALES

MATERIALES 5 Tubos de ensayo de igual dimetro y altura. Probeta de 25mL Pipeta de 5.0 y 10.0mL Vaso de precipitado de 150mL Pisceta, goteros y gradilla Regla milimetrada y etiquetas Fuente de luz blanca

REACTIVOS

Tiocianato de potasio(KSCN) 0.002M Cloruro frrico(FeCl3) 0.2M Cloruro de potasio solido Agua destilada.

* Procedimiento: DETERMINACION CUANTITATIVA DE LA CTE DE EQUILIBRIO MEDIANTE EL METODO COLORIMETRICO.

1. La concentracin de ion tiocianato de hierro (III); FeSCN+2 se determinara por una tcnica colorimtrica (igualacin de colores).

2. Una vez conocida la concentracin del ion FeSCN+2(ac) se puede calcular la concentracin de los dems componentes en el equilibrio. A partir de las concentraciones iniciales y los volmenes empleados de las soluciones de FeCl3 y KSCN se puede calcular la concentracin inicial de los iones: Fe+3 y SCN respectivamente.

3. La experiencia se plantea de manera que siempre se utilizara un exceso de ion Fe+3; as el reactivo limitante siempre ser el ion SCN -La concentracin del ion SCN ser constante.

4. La variacin de la concentracin del ion Fe+3 se observara por la diferencia en la intensidad del color rojo. la concentracin del tiocianato de hierro en equilibrio ser la misma que la concentracin inicial del SCN.

5. Es necesario suponer que la reaccin en el primer tubo llega a completarse y este ser el estndar que se tiene para determinar la concentracin del ion FeSCN+2 (ac) en los dems tubos, como la intensidad del color depende de este ion y de la profundidad del liquido, se puede igualar el color del tubo estndar con el de los tubos, extrayendo liquido del tubo estndar.

OBSERVACIONES Y CALCULOS

REVERSIBILIDAD ENTRE EL FeCl3 Y EL TIOCIANATO DE POTASIO FeCl3 + KSCN (FeSCN)Cl2 + KCl 20ml de H2O + 3 gotas de FeCl3 + 3 gotas de KSCN

1 2 3 4

Patrn Patrn Patrn Patrn + KSCN + FeCl3 + KCl(s)

Aqu se realiza la preparacin de una solucin de cloruro frrico y tiocianato de potasio. Luego dicha solucin se divide en cuatro tubos de ensayo con una cantidad aproximadamente igual.

El tubo 1 le denominamos patrn, ya que este no va tener ninguna alteracin. Observndose que su coloracin es un rojo sangre.

Al tubo 2 se le agrega KSCN para su posterior reaccin, observndose que el equilibrio tiende a irse a la derecha a producir ms producto. Observndose que su coloracin disminuye a un rojo tenue.

Al tubo 3 se le agrega FeCl3 para su posterior reaccin, observndose que el equilibrio tiende a irse a la derecha a producir ms producto. Observndose que su coloracin es una rojo intenso.

Al tubo 4 se le agrega KCl, observndose que el equilibrio tiende a irse a la izquierda a producir ms reactantes. Observndose una coloracin rojo anaranjado.

DETERMINACION CUANTITATIVA DE LA CTE DE EQUILIBRIO MEDIANTE EL METODO COLORIMETRICO.

1 2 3 5mL de KSCN 5mL de KSCN 5mL de KSCN 0.002M 0.002M 0.002M + + + 5mL de FeCl3 5mL de FeCl3 5mL de FeCl3 0.2M 0.032M 0.0128M

En tres tubos de ensayos limpios y secos, aadir 5ml de solucin de tiocianato de potasio 0.002M a cada uno. Aada 5mL de FeCl3 0.2M al tubo 1, este ser el tubo estndar. Prepare soluciones de FeCl3 0.032M y 0.0128M, a partir de la solucin 0.2M por diluciones sucesivas. As para obtener una solucin 0.032M, se mide 4mL de la solucin 0.2M en la probeta graduada y se completa a 25mL con agua destilada (V1*M1=V2*M2), vierta los 25mL de la probeta al vaso de 150 mL limpio y seco, para mezclar bien.

De la solucin obtenida en el vaso de 150mL, medir con la pipeta 5ml y vierta al tubo 2. Luego medir 10mL y verter a la probeta graduada limpia y seca para preparar la solucin 0.0128 de FeCl3 (descartar la solucin que queda en el vaso), completar en la probeta con agua destilada hasta 25ml. Mezcle bien un vaso de 150ml. De esta solucin separe 5ml y vierta al tubo 3. Descarte lo que queda en el vaso.

Comparar el color de la solucin del tubo estndar, el tubo 1 con la del tubo 2 envueltos en papel blanco, mirando abajo a travs de los tubos que estn dirigidos a una fuente de luz blanca difusa. Extraer liquido del tubo estndar hasta que se igualen los colores, anote la altura del liquido en el tubo estndar y la del tubo comparado

El contenido que se extrae con la pipeta de 5mL del tubo estndar se vierte en el vaso de 150mL, ya que si por un mal clculo visual se podra extraer demasiado liquido, el cual se repone si es necesario hasta que se iguale la coloracin.

En igual forma se trabaja con el par de tubos: 1 y 3. Extrayendo lquido siempre del tubo estndar. Anotando las alturas de los lquidos en el momento que se igualen las intensidades del color.

IV. DISCUSION DE RESULTADOS

Al aadir 3 gotas de FeCl3 y KSCN (de color naranja e incoloro respectivamente) al vaso precipitado con 20 mL de agua destilada la solucin resultante toma un color rojo. Al dividirlo en los cuatro tubos (3) con exceso de FeCl3 (3 gotas) se puso ms rojo y en el cuarto tubo al adicionarse el KCl (cloruro de potasio) se aclar bastante parecido al color del FeCl3 pero mucho ms claro.

Al realizarse el experimento se tiene que el reactivo limitante que es el [SCN-] por eso su concentracin inicial en los 5 tubos ser la misma mientras que la concentracin del [Fe+3] cambiar. Para hallar la concentracin del in [FeSCN+2] se utilizar la igualacin de colores llamada tcnica colorimtrica.

La concentracin del [Fe+3] y del [SCN-] (tiocianato) se hallaron restando la concentracin del [FeSCN+2] a la concentracin inicial de cada uno en los respectivos tubos.

V. CONCLUSIONES

Al agregar slidos al sistema en equilibrio, este se desplaza hacia donde el lado donde hay defecto de cantidad, eso ocurre sin afectar a la constante de equilibrio.

Al aumentar sustancias, ya sea reactantes o productos, el equilibrio se desplaza hacia la izquierda o derecha, donde se encuentra el defecto.

La constante de equilibrio solo se altera cuando se afecta la temperatura en la reaccin.

La colorimetra es un mtodo no muy recomendable, debido a que depende de la buena visin del observador.

Al preparar las soluciones con las concentraciones que pedan, estas derivaban de la concentracin de la solucin patrn.

VI. RECOMENDACIONES

Numerar los tubos de ensayo, u otro material que se rija a algn orden, para as evitar confusiones y obtener resultados no deseados.

Al momento de comparar los tubos por colorimetra, debemos envolverlos en un papel blanco, dndoles forma de binoculares y colocarse frente al fluorescente.

Se debe observar detenidamente la diferencia de colores y al momento de sacar gotas del patrn, stas no se deben desechar, sino ms bien, debemos conservarlas en un vaso aparte para volverlas a agregar al patrn en caso de que hayamos sacado ms de las gotas necesarias para obtener el color deseado.

Al momento de realizarse las soluciones, se obtener volmenes casi exactos como los obtenidos de manera terica.

Las concentraciones deben ser como indica la gua, debido a que alguna variacin estas te llevara a un error.

VII. APENDICECUESTIONARIO:

1. Explique en qu consiste la tcnica colorimtrica.Existe una necesidad de estandarizar el color para poderlo clasificar y reproducir. El procedimiento utilizado en la medida del color consiste sustancialmente en sumar la respuesta de estmulos de colores y su normalizacin a la curva espectral de respuesta del fotorreceptor sensible al color. Como referencia, se utiliza la curva espectral codificada de la Comisin Internacional de Iluminacin, (conocida por sus siglas CIE en francs), la llamada funcin colorimtrica. Debe notarse que el color es una caracterstica subjetiva, pues solo existe en el ojo y en el cerebro del observador humano, no siendo una caracterstica propia de un objeto. Los fotorreceptores del ojo humano son los conos de la retina, de los que existen diferentes tipos, con sensibilidades diferentes a las distintas partes del espectro luminoso.El matemtico alemn Hermann Grassmann enunci unas leyes sobre la mezcla aditiva del color.[] Ellas muestran que cualquier color puede expresarse como suma de tres colores primarios, es decir, de tres colores en los cuales uno no puede obtenerse por la mezcla de los otros dos. Aplicando sus leyes, se obtiene la denominada ecuacin unitaria del color, que representada, da una forma parecida a un tringulo, el tringulo internacional de color. El rea dentro de las tres curvas que se obtienen al fin del procedimiento dan origen a tres valores: las coordinadas triestmulo X, Y y Z ligadas a las coordinadas de cromaticidad x e y por relaciones lineales. El paso de un espacio de colores a otro son datos de relaciones de transformacin de coordenadas.El tono es el estado puro del color: rojo, amarillo, azul... La saturacin de un color es su grado de pureza. Un color est ms saturado cuanto menor sea su contenido de grises o de blancos. Los colores de la naturaleza siempre son ms o menos saturados. La intensidad, o luminosidad de un color, es la caracterstica que hace que este aparezca ms claro, independientemente de su saturacin.En nuestro experimento la tcnica colorimtrica consisti en comparar el color del tubo patrn con cada uno de los colores de los otros dos tubos frente a un fluorescente; luego extraer gotas del tubo patrn hasta que los colores del tubo patrn y el tubo con el que se lo est comparando se aproximen lo ms que se pueda.

2. Cul ser la concentracin en el equilibrio del in complejo (FeSCN)+2(ac) en el tubo nmero 2?

Segn los clculos que hemos realizado en la parte experimental llegamos al siguiente resultado:

Altura del lquido en el Tubo Patrn:4.7cm

Altura del lquido en el Tubo #2:7.1cm

Hallemos x con la frmula:x = h1[SCN-](inicial) / h2x = (4.7 x 0.001) / 7.1x = 6.61 x 10-4M

[FeSCN2+] = x = 6.61 x 10-4M

3. Cul ser la concentracin en el equilibrio del in SCN- en el tubo nmero 3?Segn los clculos realizados en la parte experimental, obtuvimos:Altura del lquido en el Tubo Patrn:3.1cm

Altura del lquido en el Tubo #3:7.1cm

Hallemos x con la frmula:x = h1[SCN-](inicial) / h2x = (3.1 x 0.001) / 7.1x = 4.36 x 10-4

[SCN-] = 0.001 x = 0.001 4.36 x 10-4 = 5.64 x 10-4M

4. Qu informacin proporciona la constante de equilibrio obtenida?

Sabemos que la magnitud de la constante de equilibrio indica si una reaccin en equilibrio es favorable a los productos a los reactivos. Si K es mucho mayor que 1 (K>1), el equilibrio se desplazar a la derecha y favorecer a los productos. Por lo contrario, si K es mucho menor que 1 (K