EJERCICIOS DE APLICACIÓN DEL EQUILIBRIO QUÍMICO
Los Problemas de aplicación del Equilibrio químico se basan en el Cálculo de la Constante de Equilibrio (Ke), ya que su valor tiene un significado particular según el resultado obtenido.
SIGNIFICADO DEL VALOR DE LA CONSTANTE DE EQUILIBRIO
Valor de KE > 1: Cuando el resultado de la Constante de equilibrio es mayor que 1 indica que la concentración de los productos es mayor que las concentraciones de los reactivos, y es lógico puesto que éste resultado se obtiene del cociente: [productos] / [reactivos]
Industrialmente se busca obtener este resultado, con el fin de optimizar la formación de Productos. Entonces se tiene un proceso rentable en la elaboración de los productos.
Valor de KE = 1: Cuando el resultado de la Constante de equilibrio oscila o es igual a 1 significa que la proporción de reactivos y productos es similar, sin que se favorezca la producción de ninguno de los dos.
Industrialmente, si se obtiene un valor cercano a 1, el proceso no es rentable, puesto que no se obtiene una buena producción de los Productos, ni tampoco de los reactivos.
Valor de KE < 1: Cuando el resultado de la Constante de equilibrio es meno a 1 indica que la concentración de los reactivos es mayor que las concentraciones de los productos.
Industrialmente se tiene un proceso desfavorable en la formación de Productos, pues predomina la formación de los Reactivos.
Dependiendo de cuál sea la prioridad del Proceso, se pueden modificar ciertos factores para obtener más Productos o más Reactivos, según sea el caso. Estos factores los veremos más adelante.
Ejercicio-1
En un recipiente que se encuentra a una Temperatura de 750 °C, se tiene en equilibrio Hidrógeno, Azufre y Sulfuro de Hidrógeno, según la siguiente Reacción:
2 H2 (g) + S2 (g) <======> 2 H2S (g)
Experimentalmente se determinaron que las concentraciones en equilibrio de las sustancias son:[H2] = 7,6 x 10⁻²mol/litro ; [S2] = 1,6 x 10⁻²mol/litro y [H2S] = 9,3 x 10⁻²mol/litro
a) Halle la Constante de equilibrio del sistema, y b) Explique el significado del valor obtenido
Solución del Problema
Lo primero que hacemos hallar la Expresión de la constante de equilibrio para ésta Reacción:
2 H2 (g) + S2 (g) <======> 2 H2S (g)
Ke = [H2S]² / [H2]² x [S2]
Ahora sustituímos los valores de las concentraciones en equilibrio de las sustancias en la ecuación:
Ke = [9,3 x 10⁻²]² / [7,6 x 10⁻²]² x [1,6 x 10⁻²]
Resolviendo, nos queda:
a) Ke = 93,58
b) Significado del valor de Ke: Valor de KE > 1: Cuando el resultado de la Constante de equilibrio es mayor que 1 indica que la concentración de los productos es mayor que las concentraciones de los reactivos, es decir, se obtiene un proceso muy rentable para la Elaboración del Sulfuro de Hidrógeno.
Otro ejercicio, sin darles directamente las concentraciones de las sustancias, pero les doy los moles.
Ejercicio-2
En un recipiente de 8 litros ya una Temperatura de 650 °C, 1,37 moles de Hidrógeno, 2,66 moles de Azufre y 1,70 moles de Sulfuro de Hidrógeno se encuentran en equilibrio. según la siguiente Reacción: 2 H2 (g) + S2 (g) <======> 2 H2S (g)
a) Halle la Constante de equilibrio del sistema.
Solución del Problema
2 H2 (g) + S2 (g) <======> 2 H2S (g)
Ke = [H2S]² / [H2]² x [S2]
En este caso, no tenemos la información directa de las concentraciones de las sustancia en equilibrio, pero sí sabemos el número de moles de las mismas, entonces las podemos calcular mediante la formula de Molaridad: La concentración Molar de una sustancia se obtiene dividiendo el número de moles del la sustancia (n) entre el volumen de la solución (en litros): M = n / V
Datos:
Volumen del Recipiente: V = 8 litros
n H2 = 1,70 moles -----> [ H2 ] = n / V = 1,37 mol / 8 litros -----> [ H2 ] = 0,171 mol/l
n S2 = 2,66 moles -----> [ H2 ] = n / V = 2,66 mol / 8 litros -----> [ H2 ] = 0,332 mol/l
n H2S = 1,37 moles -----> [ H2 ] = n / V = 1,37 mol / 8 litros -----> [ H2 ] = 0,210 mol/l
Ahora sustituímos los valores de las concentraciones en equilibrio de las sustancias en la ecuación:
Ke = [0,21]² / [0,171]² x [0,332]
Resolviendo, nos queda:
a) Ke = 4,54
Muy bien.... Ahora resolveremos un Ejercicio más complejo... donde emplearemos análisis del proceso traducidos a cálculos matemáticos...
Ejercicio-3
En un recipiente de 1 litro de capacidad se colocan 1 mol de Trióxido de diNitrógeno, el cual se descompone a 35 °C según la siguiente reacción: N2O3(g) <======> NO(g) + NO2(g)
La Constante de Equilibrio para la reacción es 8,42 10⁻³ Calcule las concentraciones de las especies químicas en equilibrio.
Ok... en este tipo de problemas debemos analizar muy bien cuáles son los datos que nos están suministrando para poder realizar los cálculos.
Datos:
- El volumen del recipiente es 1 litro. V = 1 litro
- Me dicen que en ese recipiente "se colocan" 1 mol de N2O3, al decir: "se colocan" debo entender que esa es la cantidad inicial de esa sustancia, que en este caso es el reactivo. ninicial N2O3 = 1 mol
- También me dan el valor de la Constante de Equilibrio Ke = 8,42 10⁻³
Me piden calcular las concentraciones de todas las sustancia en el equilibrio ???
ok.... veamos cómo se resuelve esto...
Solución del Problema
N2O3(g) <======> NO(g) + NO2(g)
Ke = [NO] x [NO2] / [N2O3]
No tenemos ninguna de las concentraciones de las sustancias en equilibrio... el único dato que tengo son los moles iniciales del reactivo, entonces puedo hallar su concentración inicial:
Volumen del Recipiente: V = 1 litro
ninicial N2O3 = 1 mol -----> [ N2O3 ] = n / V = 1 mol / 1 litros -----> [ N2O3 ] = 1 mol/l
Entonces tenemos que inicialmente ( tiempo = 0 ), las concentraciones de las sustancias serían:
[ N2O3 ]i = 1 mol/l
[ NO ]i = 0 mol/l
[ NO2 ]i = 0 mol/l
(ambas son "cero" porque al inicio solo está el reactivo y aún no se ha formado el producto)
Entonces debo plantearme un sistema de variables e incógnitas que me lleven a resolver el problema, de la siguiente manera:
Análisis de las concentraciones de las sustancias al inicio: ( tiempo = 0 ) y al alcanzar el equilibrio (t = Equilibrio ):
Concentraciones de las sustancias
tiempo [N2O3] [NO] [NO2]
t= 0 (inicio) 1 0 0
t = Equilibrio (1 - X) X X
llamaremos " X " a la cantidad de N2O3 que se consume hasta alcanzar el equilibrio. Por lo tanto es la misma cantidad que se produce de NO y de NO2
Partiendo de éste análisis de concentraciones en términos matemáticos, podemos plantear una Ecuación que me permita calcular el valor de " X ", y de esa forma podré hallar lar concentraciones de las sustancias en equilibrio.
Muy bien, Entonces tenemos que en el Equilibrio (t = Equilibrio ), las concentraciones de las sustancias serían:
[ N2O3 ]e = (1 - X)
[ NO ]e = X
[ NO2 ]e = X
(ambas son " X" porque es la cantidad del reactivo que se consumió).
Ahora sustituímos los valores de las concentraciones en equilibrio de las sustancias en la ecuación:
Ke = [NO] x [NO2] / [N2O3]
Ke = [X] x [X] / [1-X]
Ke = [X]² / [1-X]
Sustituímos el valor de Ke = 8,42 10⁻³ y resolvemos:
8,42 10⁻³ x (1-X ) = X²
8,42 10⁻³ - 8,42 10⁻³ X = X²
Ordenamos los términos y vamos a obtener una ecuación de 2do grado:
X² + 8,42 10⁻³ X - 8,42 10⁻³ = 0
a² b X c = 0 : Ecuación cuadrática
Aplicando la Resolvente para la Ecuación de segundo grado quedaría:
X = -b +/- Raíz cuadrada de (b)² - 4 . a . c
2 .a
Recuerdan eso de matemática???... Espero que si...
Ok... entonces sustituímos los términos:
a = 1
b = 8,42 10⁻³
c = - 8,42 10⁻³
X = - (8,42 10⁻³) +/- Raíz cuadrada de (8,42 10⁻³)² - 4 . (1) . (- 8,42 10⁻³)
2 . (1)
Resolviendo, nos quedan dos valores:
1) X = 0,08764
2) X = - 0,096
Ahora sustituímos el valor de X en las expresiones de las concentraciones en equilibrio y de esa manera determinamos dichas concentraciones:
[ N2O3 ]e = (1 - X) -------> [ N2O3 ]e = (1 - 0,08764) = 0,91236 mol/ litro
[ NO ]e = X = 0,08764 mol/ litro
[ NO2 ]e = X = 0,08764 mol/ litro
FIN
El Próximo viernes 05 de junio a las 10 am. tendremos una clase-vía-chat-interactivo donde podré aclarar todas las dudas, así que vayan practicando para poder atenderlos con propiedad....
Un abrazo y feliz inicio de semana mis campeones!!!!!
Eso es lo que debemos hacer en éstos momentos... fortalecernos: Fortalecer nuestra fe, Fortalecer nuestros valores, Fortalecer nuestros conocimientos... en fin Fortalecernos como seres humanos, para estar renovados y preparados para el reencuentro.... Que Dios los Bendiga mis muchachos!!!
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