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Tema - EQUILIBRIO QUÍMICO, Apuntes de Química

Apuntes de Química de Equilibrio químico 1º Bioingeniería en la UIC Sant Cugat INCLUYE: - Introducción - Factores determinantes - Ley de acción de masas - Constante de equilibrio (Kc y Kp) - Factores que afectan al equilibrio y principio de Le Chatelier - Entropía - Segunda ley de la termodinámica - Energía libre de Gibbs - Equilibrio ácido-base (Ka, Kb, efecto del ion común, ...) - Equilibrios de solubilidad (pH, efecto del ion común, ...)

Tipo: Apuntes

2020/2021

A la venta desde 08/01/2022

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EQUILIBRIO
QUIMICO
Situación
que
se
alcanza
cuando
los
rapideces
de
la
reacción
en
un
sentido
y
en
otro
se
igualan
,
y
las
[
]
de
los
reactivos
y
de
los
productos
permanecen
constantes
.
Nzoy
(g)
n
'
ZNOZ
(g)
>
No
se
interrumpen
las
conversiones
de
NZOL
,
en
NOZ
y
de
NOZ
en
N
204
,
sino
que
se
igualan
las
rapideces
de
las
reacciones
.
Participan
todas
las
sustancias
como
reactivos
y
como
productos
(
tan
rápido
como
se
forman
moléculas
de
producto
,
comienza
el
proceso
inverso
y
estas
moléculas
reaccionan
formando
reactivo
)
Equilibrio
físico
:
equilibrio
entre
dos
fases
de
una
misma
sustancia
.
H2O
(
l
)
n
'
H2O
(g)
>
Evaporación
de
H2O
en
un
recipiente
cerrado
.
Rapidez
de
reacción
:
cantidad
de
masa
transformada
en
cada
unidad
de
tiempo
(
velocidad
de
reacción
)
Factores
determinantes
1.
Estado
físico
de
los
reactivos
>
A
más
contacto
entre
las
moléculas
q
reaccionan
,
mayor
velocidad
de
reacción
:
gases
líquidos
sólidos
2.
[
Reactivos
]
>
Y
}
>
^
contacto
entre
moléculas
>
^
velocidad
3.
Presión
>
En
sólidos
y
líquidos
no
influye
sobre
la
velocidad
.
En
gases
:
"
P
>
volumen
>
^
[
]
>
^
velocidad
4.
Tem p erat u ra
>
^
T
>
^
actividad
moléculas
>
^
probabilidad
de
que
se
encuentren
cada
10°C
de
aumento
=
2
velocidad
reacción
5.
Presencia
catalizadores
>
Sustancias
que
aumentan
la
velocidad
de
la
reacción
sin
consumirse
.
6.
Luz
>
Aporta
energía
>
^
velocidad
LCY
de
acción
de
masas
La
velocidad
con
que
transcurre
una
reacción
es
directamente
proporcional
al
producto
de
las
concentraciones
de
las
sustancias
que
intervienen
en
ella
.
AA
+
BB
>
CC
V
=
K
.
[
A
]
[
B)
b
>
K
=
cte
de
proporcionalidad
(
depende
de
la
reacción
y
de
la
T
)
constante
de
EQUILIBRIO
químico
Relación
,
en
el
equilibrio
,
entre
el
producto
de
los
[
productos
]
y
el
de
los
[
reactivos
]
.
AA
+
BB
>
CC
+
DD
V
,
=
K
,
[
A
}
[
B
}
"
CC
+
DD
>
AA
+
BB
Va
=
Kz
[
C
}
°
[
D
]
'
AA
t
BB
n
'
CC
+
DD
V
,
=
Va
>
K
,
[
A
}
[
BP
=
KAIC
]
'
[
D
}
'
K
>
=
[
C)
'
[
Djd
[
C)
'
[
D
]
d
>
R
=
0,082
kz
[
A
]
[
B
]
b
=
KC
KC
=
[
A
]
[
B
]
"
Kp
=
Kc
(
RT
)
"
>
Para
una
reacción
a
una
determinada
T
,
permanece
constante
.
Pa
'
.
Ppgd
Kp
=
paa
.
PB
"
En
termodinámica
'
K
'
se
define
en
términos
de
actividades
(
proporción
de
su
concentración
,
o
presión
parcial
,
en
relación
con
un
valor
estándar
de
1M
,
o
Iatm
)
pf3
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pf5

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EQUILIBRIO QUIMICO

Situación (^) que se alcanza cuando los (^) rapideces de^ la reacción en un sentido (^) y en otro se (^) igualan, y las [^ ]^ de los reactivos (^) y de los (^) productos permanecen constantes. Nzoy (^) (g) n ' ZNOZ (^) (g) >^ No (^) se (^) interrumpen las (^) conversiones de (^) NZOL, en NOZ (^) y de NOZ (^) en N (^204) , sino (^) que se (^) igualan las (^) rapideces de las^ reacciones.

  • Participan todas las sustancias (^) como reactivos

y como^ productos^ (tan^ rápido^ como^ se^ forman^ moléculas de (^) producto, comienza el (^) proceso inverso (^) y estas moléculas reaccionan formando reactivo)

  • Equilibrio físico : equilibrio entre dos fases de (^) una misma sustancia.

H2O ( l ) n^ ' H2O (^) (g) > Evaporación de H2O (^) en un recipiente cerrado.

  • Rapidez de (^) reacción : (^) cantidad de masa transformada en cada unidad de (^) tiempo (velocidad de (^) reacción)

Factores determinantes

  1. Estado físico de los reactivos^ >^ A^ más^ contacto entre^ las moléculas^ q reaccionan, mayor velocidad

de reacción : gases líquidos sólidos

  1. [ Reactivos ] >^ Y } >^ ^ contacto entre moléculas >^ ^ velocidad
    1. Presión^ >^ En sólidos (^) y líquidos no (^) influye sobre^ la velocidad (^).

En (^) gases :^ " P >^ ✓ volumen >^ ^ [ ] >^ ^ velocidad

  1. (^) Temperatura >^

^ T > ^ actividad moléculas^ >^ ^ probabilidad de^ que se^ encuentren cada 10°C de aumento = ✗ 2 velocidad reacción

  1. (^) Presencia catalizadores >^ Sustancias (^) que aumentan la velocidad de (^) la reacción sin consumirse.
    1. Luz >^ Aporta energía >^ ^ velocidad

LCY de acción^ de^ masas

La (^) velocidad con (^) que transcurre una reacción (^) es directamente (^) proporcional al (^) producto de las concentraciones de las sustancias (^) que intervienen en ella (^). AA +^ BB >^ CC^ V =^ K^. [A]

[B) b (^) > (^) K = cte de (^) proporcionalidad (depende de la reacción (^) y de la T (^) )

constante de EQUILIBRIO químico

Relación (^) , en el (^) equilibrio, entre el (^) producto de los [ (^) productos] (^) y el de los [reactivos ]. AA +^ BB >^ CC +^ DD V, =^ K, [^ A}

  • [ B}"

CC +^ DD >^ AA +^ BB Va = Kz[C}°^ [^ D]' AA t^ BB^ n^ ' CC +^ DD V,^ = Va >^ K,[ A}• [ BP = KAIC]'^ [^ D }' K> =^ [^ C) ' [ Djd [ C)' [ D^ ]d > R = (^) 0,082 kz (^) [A]• [ B (^) ] b = (^) KC KC = [ A]• [ B ] " Kp =^ Kc^ (^ RT)^ " (^) > (^) Para una reacción (^) a una determinada T , permanece^ constante. Pa'^.^ Ppgd Kp = paa. PB"

  • En termodinámica ' K ' se define en términos de actividades (

proporción de^ su^ concentración^ , o^ presión parcial,^ en^ relación^ con^ un^ valor^ estándar^ de^ 1M^ , o^ Iatm^ )

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ESCRITURA de las expresiones (^) de las K

  • Equilibrios homogéneos : (^) todas las (^) especies reactivas (^) se encuentran en la misma fase.

[ NOz }Z PNOZZ NZQ, (g) n^ ' ZNOZ (^) (g) KC = [ Nzoi ,]^ I^ KP^ = Pura,

  • Equilibrios heterogéneos : (^) cuando (^) en la reacción reversible intervienen reactivos

y productos en^ distintas^ fases. Cacos (^) (S) n^ ' CaO ( S) +^ CO2 (^) (g) Kc =^ [ CO2] >^ La [sólido} (^) =p. no (^) depende de la cantidad de sustancia (^) presente.

  • Equilibrios múltiples : (^) las moléculas del (^) producto de un (^) equilibrio pueden participar en un (^) segundo

proceso en (^) equilibrio. A +^ B n^ ' C +^ D C +^ D (^) ,^ ' E +^ F A +^ B -^ ' E +^ F Kc, = [CIA] [ AJIB]^ [C][^ D]^.^ [E)[^ F^ ]^ =^ [^ E^ ][^ F^ ] ka, = [ E ][ F ] KC =^ K" ' KCZ = [ A }[ B} [ C)[ D] [ A][ B} [ CIED] Representación de (^) la K

  1. Cuando la ecuación de una reacción reversible (^) se escribe (^) en la dirección (^) opuesta, la K es el inverso de la

constante de (^) equilibrio original. NZOL, (g) n^ '^ ZNOZ^ (g) Kcr = 4,6.^ 10- ZNOZ (^) (g) = N (^204) (g) Kcz =^1 Koi =^216

  1. EL valor (^) de K también (^) depende de cómo esté balanceada la ecuación.

^ 2 N (^204) (g) n^ '^ NOZ^ (g) kc, = [ NOZ] [Nzoi, ja = (^) TKE > (^) Al (^) multiplicar la reacción (^). se [ NO 232 lleva^ la^ K^ al^ mismo^ valor. NZQ, (g) -^ ' ZNOZ (^) (g) KCZ = [Nzoc ,}

Reglas PARA^ ESCRIBIR^ LAS^ EXPRESIONES^ de^ la^ K

  1. (^) Las concentraciones se (^) pueden escribir (^) en MOI (^) L o en atm (^) ( (^) gases).^ >^ Kp =^ KCCRT ) ☐^
    1. Las^ concentraciones de (^) líquidos o sólidos^ puros (en (^) eq. heterogéneos) o de los disolventes (en (^) eq. homogén.)

no (^) aparecen en las (^) expresiones de los constantes de (^) equilibrio.

  1. Los constantes de (^) equilibrio son adimensionales.
    1. Al indicar (^) el valor (^) de la K (^) hay que especificar la ecuación balanceada (^) y la (^) temperatura.
  2. Reacción =^ suma reacciones >^ K reacción (^) global = producto K's reacciones individuales

IMFO 9-UC PROPORCIONA LA

' K '

1. La dirección que seguirá una mezcla para alcanzar el equilibrio :

Q Kc^ >^ Se^ desplaza a^ la^ derecha^ ( los reactivos^ deben^ convertirse^ en (^) productos) Q Kc^ →^ Se^ desplaza a la^ izquierda (^ los^ productos deben^ convertirse^ en reactivos) Q = Kc >^ Sistema en (^) equilibrio

  1. Cálculo de las concentraciones en el (^) equilibrio >^ A (^) partir de las concentraciones iniciales.

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  • Las (^) entropías de los elementos (^) y de los (^) compuestos siempre son 0.
    • La (^) entropía de los

gases es^ siempre^ mayor^ que La^ de^ los^ líquidos^ o^ los^ sólidos. Segunda LEY de la termodinámica

Expresa la^ conexión^ entre^ la^ entropía^ y la^ espontaneidad de^ una^ reacción^.

  • La (^) entropía del universo : ^ en un (^) proceso espontáneo ( DSuniverso = (^) DSsistema^ - DSalrededores 0 )

se mantiene constante en un (^) proceso en (^) equilibrio (^ DSuniverso^ =^ DSsistema^ -^ DSalrededores =^ O^ )

  • Si DS (^) universo O > (^) Proceso (^) espontáneo en la dirección contraria (^).
  • Cambios en la (^) entropía del sistema :

a A +^ BB^ CC^ +^ DD^ AS^ reacción =^ [^ c.^5 (C)^ +^ d.^ SYD)]^ -^ [^ a.^ 54A)^ +^ b.^ SYB)^ ] AS reacción =^ En^ -5°productos - En-^ Soreactivos SI^ Dn^ O^ >^ AS^ O (^ produce más^ de^ lo^ q consume) si (^) An O^ >^ DS^ O (disminuye núm.^ total^ de moléculas^ de^ gas) si An ( (^) gas) =^ O^ >^ AS (^) puede ser 0 o (^0) pero ✓ Valor

  • Cambios en la (^) entropía en los (^) alrededores :
    • Proceso exotérmico > (^) Dsairededores 0 ( ^ entropía )
  • Proceso endotérmico > (^) DSalrededores 0 ( (^) v entropía)
  • El cambio de (^) la (^) entropía depende de la (^) temperatura :

DS (^) alrededores = Éi (^) > T Y^ >^ absorción^ adición^ de^ calor^ por^ el^ sistema^ =^ poco^ efecto^ en^ DS^ alrededores ✓ T^ >^ absorción^ adición^ de^ calor^ por el^ sistema^ =^ mucho^ efecto^ en^ DS^ alrededores TERCERA LEY^ de^ la^ termodinámica^ Y^ CMTROPICI^ absoluta

  • La (^) entropía de (^) una sustancia cristalina (^) perfecta es cero a la (^) temperatura de cero absoluto COKI.
    • Al ^T > (^) T (^) entropía
  • Al ^ defectos del cristal > ^ entropía

EMERGIO LIBRE de Gibbs

DG =^ DH - TAS >^ Si^ DG O^ (se libera^ energía libre)^ >^ la^ reacción^ es^ espontánea si DG 0 ( se consume (^) energía libre^ )^ >^ NO^ es (^) espontánea (en^ la^ dirección^ opuesta sí^ ) si DG =^0 ( ni se libera ni se consume (^) energía libre) >^ reacción^ en (^) equilibrio cambios de energía libre estándar

  • Energía libre estandor de una reacción ( DGI ) : (^) cambio de (^) energia libre en una reacción (^) en condiciones estándar

(reactivos (^) en estado estándar > productos en estado^ estándar^ ) DGI =^ En^. Óproductos -^ En^.^ Círeactivos^ >^ a^ A^ +^ BB^ >^ CC^ +^ DD DGI =^ [^ c- GYC )^ +^ d. 64 D)]^ - [ a -64^ A)^ +^ b.^ GTB)}

  • Energia libre estándar de formación ( (^) AGI ) : (^) cambio de (^) energía libre (^) que se (^) presenta cuando se sintetiza 1m01 (^) de un

compuesto a (^) partir de^ sus elementos^ en^ estados^ estándar.

EMERGIO LIBRE Y^ EQUILIBRIO^ QUIMICO

AG =^ DE +^ RT. LNQ >^ R^ =^ de (^) gases ideales 1- = temperatura reacción ( K) Q =^ cociente reacción DG°^ >^ valor (^) fijo

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  • Pueden (^) pasar dos cosas :
    • DG° O > (^) DG O → (^) R. hacia derecha hasta suficientes (^) productos
    • AG° O > (^) DG O > (^) Hacia la (^) izquierda hasta (^) suficientes reactivos
  • En (^) equilibrio : (^) DG = (^) O

a =^ K^ → DG °^ +^ RT. Lnk =^ O >^ AÓ =^ - RT. Lnk EQUILIBRIO ácido^ - base TCORICIS ácido - base

  • Teoría de Arrhenius : (^) define el carácter ácido o básico (^) de una sustancia en f- (x) de los

productos de^ ionización

que origina^ cuando^ se^ disuelve.

  • Ácidos : (^) compuestos (^) químicos que al (^) disolverse en H2O (^) se ionizan (^) produciendo iones H".
  • Bases : (^) compuestos químicos (^) que al disolverse en H2O (^) se ionizan (^) produciendo iones (^) OH_.

(^) Solo sirve para sustancias^ en^ disolución^ acuosa^ , pero hay sustancias^ ácidas^ básicas^ en^ ausencia^ de^ H2O.

  • Teoría de Bronski - Lowry : - Ácido : (^) toda molécula (^) capaz de ceder (^) protones H ".
    • Base : (^) toda molécula (^) capaz de (^) captar (^) protones H".

(^) Estas (^) reacciones de cesión (^) y aceptación son reversibles. (^) Sistema (^) conjugado : (^) ácido y base^ en^ la^ que^ se^ convierte^ al^ ceder^ el^ protón,^ o^ base^ y ácido^ en^ el^ que se convierte al (^) aceptarlo. HCL +^ H2O n^ ' 1-130 "^ +^ Cl- > (^) Una misma sustancia (^) puede comportarse como Ácido Base^ Base^ Ácido conjugada conjugado^ ácido o base (^) según el medio en el (^) que se NH3 +^ H2O^ n ' NHY "^ +^ OH

encuentre (^) lej. H2O) Base (^) Ácido Ácido Base conjugado conjugada

  • Teoría de Lewis :

explica el^ carácter^ ácido^ básico^ de^ las^ sustancias^ que no^ contienen^ H^.

  • Ácidos : (^) toda sustancia (^) capaz de (^) aceptar un (^) par electrónico (^).
  • Bases : (^) toda sustancia (^) capaz de ceder un (^) par electrónico.

H"^ +^ :^ Ü. ^ H -^ >^ H (^) É H ÁC. débiles Y (^) la constante de ionización

  • La (^) mayoría de los ácidos son débiles > (^) Excepto : (^) HCL (^) , HNOS, H (^2504) ,... )

HA lac) n^ '^ H^ ' ( ac ) +^ A- ( ac ) ka = ["" "A^ ] (^) > Constante de ionización de un ácido ( Ka) :^ ^ Ka >^ ^ [ H " ] >^ ^ Fuerza del ácido [ HA] vka >^ ✓ [Ht^ }^ >^ tFuerza^ del^ ácido

  • Para resolver

problemas de^ ionización^ de^ ácidos^ débiles^ :

  1. Identificar las (^) especies (^) que puedan afectar al (^) pH ( ionización del H2O (^) , NO)
  2. (^) Expresar las^ [ (^) Jeq en función^ de La^ [Jo^ y el^ cambio^ en la^ concentración^

' X '.

  1. (^) Expresar Ka (^) en función de [ Ht]eq , [ base (^) conjugada]eq (^) y [ HA]eq , (^) y obtener ' × :
    1. Calcular las [ (^) Jeq y el (^) pH.
  • Porcentaje de ionización :

% ¡ (^) on (^).^ = Ü. 100 > % ácido^ que [ ácido]o

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Como el ión^ Ag+ se encuentra^ en los^ dos^ :^ ' [ (^) Agt] >^ Q (^) kps Para restablecer el (^) equilibrio parte del (^) Aga ( s) (^) precipitará ( (^) por el (^) ppio de le^ Chatelier ) hasta que Q^ = kps En el (^) equilibrio :^ [ (^) Ag" ] =/^ [ CE] >^ [ (^) Agt] [ d-] EL PH Y^ LA Solubilidad. MGCOH )z^ (S^ )^ - ' Mg " ( ac)^ +^ ZOH_^ (ac)^ Kps = 1,2- _ (^) "

(^) AL añadir iones OH - > " pH > (^) el (^) equilibrio se (^) desplaza a la (^) izquierda > (^) ✓ solubilidad del (^) MGIOHIZ (s)

> AL añadir iones Ht → ✓ pH > el equilibrio se desplaza a la derecha > ^ solubilidad del MGIOH )a (S)

Mg (^ OHL^ (^ s)^ n ' Mga (^ ac)^ +^ ZOH

  • ( ac )

[ lo [ Ir -^ S^ +^ S +2s [ (^) teq S 2s Kps =^ [^ MGZ " ][OH -32 = (^) 51255=453 = 1.2.70_ (^) " (^) > (^) S = 1.4.

  • (^) " (^) M

→ (^) [OH - ] = (^) 2s = 2,8-10-^ "^ M POH =^

  • log [ OH-3=3,

pH =^14

  • POH = 10,45 >

pH 70,^ ^ solubilidad MGCOH )z ( [Ht]^ [OH^

  • ] > ' [

Mg "] para mantener^ el^ equilibrio^ >^ ^ disol.MG/0HIz )