Constructing Electrochemical Cells

UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLOCURSO: TERMODINMICA DE MATERIALES (2015-II)

DOCENTE: Ing. Dionicio Otiniano Mndez dionicioo@hotmail.comTEMA: EQUILIBRIO QUMICO15 10 - 2015

ESCUELA DE INGENIERA DE MATERILAESEquilibrio Qumico

Cuando un sistema est en equilibrio?Cuando est en un estado donde no es posible ningn cambio sin que haya cambios netos en el entorno.Equilibrios Gases Slid/lquidos En disolucinMecnicoTrmicoMaterialEquilibrio de fasesEquilibrio qumicoQu es un equilibrio qumico?Es una reaccin que nunca llega a completarse, pues se produce en ambos sentidos (los reactivos forman productos, y a su vez, stos forman de nuevo reactivos).

Cuando las concentraciones de cada una de las sustancias que intervienen (reactivos o productos) se estabiliza se llega al EQUILIBRIO QUMICO.El equilibrio qumico es un estado en el que no se observan cambios durante el tiempo transcurrido Equilibrio de molculas

I2 + H2 2 HIVariacin de la concentracin con el tiempo (H2 + I2 = 2 HI)Equilibrio qumicoConcentraciones (mol/l)Tiempo (s)[HI][I2][H2]Reaccin: H2 + I2 = 2 HI

Constante de equilibrio (Kc)En una reaccin cualquiera: a A + b B = c C + d Dla constante Kc tomar el valor:

para concentraciones en el equilibrioLa constante Kc cambia con la temperaturaATENCIN!: 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.

Constante de equilibrio (Kc)En la reaccin anterior:H2(g)+ I2(g) = 2 HI (g)

El valor de KC, dada su expresin, depende de cmo se ajuste la reaccin.Es decir, si la reaccin anterior la hubiramos ajustado como: H2(g) + I2(g) = HI (g), la constante valdra la raz cuadrada de la anterior.

Ejemplo: Tengamos el equilibrio: 2 SO2(g) + O2(g) = 2 SO3(g). Se hacen cinco experimentos en los que se introducen diferentes concentraciones iniciales 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:Concentr. iniciales (mol/l)Concentr. equilibrio (mol/l)[SO2][O2][SO3][SO2][O2][SO3]KcExp 10,200,200,0300,1550,170279,2Exp 20,150,400,0140,3320,135280,7Exp 30,200,0530,0260,143280,0Exp 40,700,1320,0660,568280,5Exp 50,150,400,250,0370,3430,363280,6En la reaccin anterior: 2 SO2(g) + O2(g) = 2 SO3(g)KC se obtiene aplicando la expresin:

y como se ve Kc es prcticamente constante. Concentr. iniciales (mol/l)Concentr. equilibrio (mol/l)[SO2][O2][SO3][SO2][O2][SO3]KcExp 10,2000,2000,0300,1150,170279,2Exp 20,1500,4000,0140,3320,135280,1Exp 30,2000,0530,0260,143280,0Exp 40,7000,1320,0660,568280,5Exp 50,1500,4000,2500,0370,3430,363280,6

Ejercicio A: Escribir las expresiones de KC para los siguientes equilibrios qumicos: a) N2O4(g) = 2NO2(g);b) 2 NO(g) + Cl2(g) = 2 NOCl(g);c)CaCO3(s) = CaO(s) + CO2(g); d) 2 NaHCO3(s) = Na2CO3(s) + H2O(g) + CO2(g).SIGNIFICADO QUMICO DEL VALOR DE LA CONSTANTE DE EQUILIBRIO.La constante de equilibrio de una reaccin qumica, indica en qu grado los reactivos se transforman en productos, una vez alcanzado el equilibrio. Si K es muy grande:La reaccin directa progresa hasta que prcticamente se agota alguno de los reactivos. Si K 1:En el equilibrio, las concentraciones de reactivos y productos son similares. Si K es muy pequea:La reaccin est muy desplazada hacia los reactivosApenas se forman productos.

Ejemplo: En un recipiente de 12 litros se introduce una mezcla de 4 moles de N2(g) y 12moles de H2(g); a) escribir la reaccin de equilibrio; b) si establecido ste se observa que hay 1.0 moles de NH3(g), determinar las concentraciones de N2 e H2 en el equilibrio y la constante Kc.Ejercicio B: En un recipiente de 300 ml se introducen 5 g de PCl5, establecindose el equilibrio: PCl5(g) = PCl3 (g) + Cl2(g). Sabiendo que la KC a la temperatura del experimento es 0.5, determinar el nmero de moles en equilibrio..Constante de equilibrio (Kp)En las reacciones en que intervengan gases es mas sencillo medir presiones parciales que concentraciones: a A + b B = c C + d Dy se observa la constancia de Kp viene definida por:

Constante de equilibrio (Kp)En la reaccin vista anteriormente: 2 SO2(g) + O2(g) = 2 SO3(g) p(SO3)2 Kp = p(SO2)2 p(O2) De la ecuacin general de los gases:p V = n RT se obtiene: np = R T = concentracin R T V SO32 (RT)2Kp = = Kc (RT)1 SO22 (RT)2 O2 (RT)

Constante de equilibrio (Kp) (continuacin)Vemos, pues, que KP puede depender de la temperatura siempre que haya un cambio en el n de moles de gases

pcc pDd Cc (RT)c Dd (RT)d Kp = = pAa pBb Aa (RT)a Bb (RT)b

en donde n = incremento en n de moles de gases n = (nproductos nreactivos)

Ejemplo: Calcular la constante Kp a 1050 K en la reaccin de formacin del amoniaco vista anteriormente. (KC = 1,996 102 M2) Ejercicio C : La constante de equilibrio de la reaccin: N2O4 = 2 NO2 vale 0,752 a 50C . Calcule la presin total en el equilibrio en un recipiente que se ha llenado con N2O4 a 10 atmsferas y a dicha temperatura.Datos: R = 0,082 atmLmol-1K-1.Magnitud de Kc y Kp.El valor de ambas constantes puede variar entre lmites bastante grandes:H2(g) + Cl2(g) = 2 HCl (g)Kc (298 K) = 2,5 1033La reaccin est muy desplazada a la derecha.H2(g) + I2(g) = 2 HI(g)Kc (698 K) = 55,0Se trata de un verdadero equilibrio.N2(g) + O2(g) = 2 NO (g)Kc (298 K) = 5,3 1031La reaccin est muy desplazada a la izquierda, es decir, apenas se forman productos.

Aplicaciones de la constante de equilibrioLas reacciones espontneas tienen DG < 0En el equilibrio la reaccin se para DG = 0DG = DGo + RTlnQ = DG = DGo + RTlnK = 0 y DGo = - RTlnKEl DG es una propiedad extensiva y depende de la concentracin:DG = DGo + RTlnQQ: cociente de reaccin

Desde el punto de vista termodinmicoClases de EquilibriosReactivos y Productos en la misma fases2CO(g) + O2(g) 2CO2(g)Reactivos y Productos en diferente fasesLos Productos participan en otro equilibrioCaCO3(s) CO2(g) + CaO(s)A BB CHomogneosMltiplesHeterogneosKc = [CO2]Kc = K1 . K2 [CO2]2 [CO]2 . [O2]=KCPrincipio de Le Chtelier Si se aplica una perturbacin externa sobre un sistema en equilibrio, el sistema se ajusta hacia una nueva posicin de equilibrio. Una vez que la perturbacin cesa, el sistema tiende naturalmente a volver al equilibrio inicial.Factores que afectan el equilibrioCambio en la concentracinCambio en el V y la PCambio en la TemperaturaAgregado de un catalizador

(1850-1936)25Termodinmica y equilibrioEn el equilibrio: G = 0 y Q = KG = G + R T ln QRelacin entre G y K K ln K G Comentarios >1 + - =1 0 0 10-7 entonces pH < 7 Soluciones neutras: [H+]=10-7 entonces pH =7 Soluciones bsicas: [H+] 7 H2O(l) H+(ac) + OH-(ac)28De manera anlogapOH- = - log [HO-] Soluciones cidas: [HO-] < 10-7 entonces pOH >7 Soluciones neutras: [HO-] =10-7 entonces pOH =7 Soluciones bsicas: [HO-] >10-7 entonces pOH < 7 La concentracin de iones OH- en una solucin limpiadora es de 0,0014 M. Calcula la concentracin de H+ y su pH.Veamos un ejemplo:[H+] = Kc / [OH-] = 10 -14 / 0,0014 = 7.14 x 10-12 M pH = 11,42914 = pH + pOH30Ejercicio 01:Calcule la constante de equilibrio para la reaccin:CO2 CO + 1/2O2 a 25 CEjercicio 02:Calcule la constante de equilibrio a 2200K para la reaccin:CO + 1/2O2 CO2.Ejercicio 03:Determinar Kp a 298.15 K para la reaccin:

CO(g) + H2O(l) CO2(g) + H2(g)

En el equilibrio la mezcla consta principalmente de productos o de reactantes.31Ejercicio 04:Las constantes de equilibrio para las reacciones:FeO + CO(g) = Fe + CO2(g).(1)FeO + H2(g) = Fe + H2O(g)..(2)A varias temperaturas son:

Calcule la constante de equilibrio de la reaccin:CO(g) + H2O(g) = CO2(g) + H2(g)

A las temperaturas sealadas ms arriba. CONSTATE DE EQUILIBRIOTEMPERATRA (C)6007008009001000Reaccin (1): K10.90.6730.5350.4530.396Reaccin (2): K20.3320.4220.4990.5940.668