Tema 4 Equilibri Quimic 2 BATX

24
TEMA 4 Equilibri Químic

Transcript of Tema 4 Equilibri Quimic 2 BATX

Page 1: Tema 4 Equilibri Quimic 2 BATX

TEMA 4Equilibri Químic

Page 2: Tema 4 Equilibri Quimic 2 BATX

Tema 4 Equilibri Quimic 2

4.1 Introducció a l’equilibri químic. ◗ Hi ha reaccions de dos tipus:

• irreversibles A+B ⇒ C+D

• aquelles que “s’aturen” quan s’esgota el reactiu limitant

• reversibles A+B⇔C+D

• reaccions que mai arriben a “aturar-se” donat que es produeixen en els dos sentits (els reactius formen productes i aquests a la seva vegada tornen a formar reactius)

• Com funcionen?• En les condicions inicials, nosaltres disposem d'unes certes quantitats de reactius A i

B

• Passant un cert temps, podem observar que la reacció s'ha iniciat i els reactius es transformen en productes.

• Els productes resultants es descomponen alhora que es formen i tornen a donar un altre cop els reactius.

• Arriba un moment en què la velocitat de la reacció directa i inversa s'iguala i les concentracions de cada una de les substàncies que intervé (R o P) s’estabilitza llavors és quan s'assoleix l'equilibri.

• En aquest, encara que transcorri molt de temps, les condicions d'equilibri no varien mentre no es modifiquin les condicions externes del sistema.

Page 3: Tema 4 Equilibri Quimic 2 BATX

Tema 4 Equilibri Quimic 3

• L’equilibri per tant:

• es dinàmic (tot i que externament les concentracions siguin constants). Es a dir a l’equilibri hi ha el mateix nombre de partícules de reactius i de productes, però aquestes han anat canviant.

• A una temperatura determinada les condicions de l'estat d'equilibri són les mateixes.

• Observem algunes animacions:

• http://www.chem.iastate.edu/group/Greenbowe/sections/projectfolder/animations/no2n2o4equilV8.html

• http://www.chem.iastate.edu/group/Greenbowe/sections/projectfolder/animations/equilvpBr2V8.html

Page 4: Tema 4 Equilibri Quimic 2 BATX

Tema 4 Equilibri Quimic 4

Exemple: H2 + I2 ⇔ 2 HI

Equilibri químicC

once

ntra

cion

s (m

ol/l

)

Temps (s)

[HI]

[I2]

[H2]

Observem la variació de la concentració amb el temps

Page 5: Tema 4 Equilibri Quimic 2 BATX

Tema 4 Equilibri Quimic 5

4.2 Constant d’equilibri de concentracions (Kc)

◗ A una reacció qualsevol: a A + b B ⇔ c C + d Dla constant Kc pren el valor

• les concentracions aquí indicades són les del equilibri.

• La constant Kc depen de la temperatura

• ATENCIÓ!: Només s’indiquen a Kc les espècies gasoses i/o en disolució.

• Les espècies en estat sòlid o líquid tenen concentració constant i per tant el seu valor ja està inclós al valor de Kc

[ ] [ ]

[ ] [ ]

c d

c a b

C DK

A B

×=×

Page 6: Tema 4 Equilibri Quimic 2 BATX

Tema 4 Equilibri Quimic 6

◗ Exemple:H2(g)+ I2(g) ⇔ 2 HI (g)

◗ El valor de KC depen de cóm estigui igualada la reacció

◗ Es a dir, si la reacció anterior l’haguessim igualat ½ H2(g) + ½ I2(g) ⇔ HI(g), la constant sería l’arrel quadrada de l’anterior.

2

2 2

[ ]

[ ] [ ]c

HIK

H I=

×

Page 7: Tema 4 Equilibri Quimic 2 BATX

Tema 4 Equilibri Quimic 7

Exemple: Tenim l’equilibri 2 SO2(g) + O2(g) ⇔ 2 SO3(g). Es fan cinc experiments en els quals s’introdueixen diferents concentracions inicials dels reactius. Es produeix la reacció i un cop arribat a l’equilibri es mesuren les concentracions de Reactius i productes, obtenint les següents dades:

280,60,3630,3430,0370,250,400,15Exp 5

280,50,5680,0660,1320,70——Exp 4

280,00,1430,0260,0530,20——Exp 3

280,70,1350,3320,014—0,400,15Exp 2

279,20,1700,1550,030—0,200,20Exp 1

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

Concentr. equilibrio (mol/l)

Concentr. iniciales (mol/l)

Page 8: Tema 4 Equilibri Quimic 2 BATX

Tema 4 Equilibri Quimic 8

◗ A la reacció anterior: 2 SO2(g) + O2(g) ⇔ 2 SO3(g)

◗ KC s’obté aplicant l’expresió:

◗ i com es pot observar és pràcticament constant• - no depen de les concentracions inicials• -depèn de la Temperatura a la qual es fa la reacció.

23

22 2

[ ]

[ ] [ ]C

SOK

SO O=

×

Page 9: Tema 4 Equilibri Quimic 2 BATX

Tema 4 Equilibri Quimic 9

Exercici A: Escriviu les expresions de KC pels següents equilibris químics: a) N2O4(g) ⇔ 2 NO2(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).

◗ a)

◗ b)

◗ c)

◗ d)

=2

2

2 4

[ ]

[ ]c

NOK

N O

2

22

[ ]

[ ] [ ]c

NOClK

NO Cl

= 2[ ]cK CO

= ×2 2[ ] [ ]cK CO H O

Page 10: Tema 4 Equilibri Quimic 2 BATX

Tema 4 Equilibri Quimic 10

◗ S’ha de tenir en compte que també afecten els coeficients estequiomètrics però podem aproximar que per:

◗ Kc<1 • la reacció està desplaçada cap a Reactius, la concentració de A i B és més elevada a

la de C i D

◗ Kc>1 • la reacció està desplaçada cap a Productes, la concentració de C i D és més elevada

a la de A i B.

Interpretació del valor de Kc [ ] [ ]

[ ] [ ]

c d

c a b

C DK

A B

×=×

Page 11: Tema 4 Equilibri Quimic 2 BATX

Tema 4 Equilibri Quimic 11

tiempo

KC ≈ 100

conc

entr

ació

n

tiempo

KC > 105

conc

entr

ació

n

KC < 10-2

conc

entr

ació

n

tiempo

Page 12: Tema 4 Equilibri Quimic 2 BATX

Tema 4 Equilibri Quimic 12

Com podem saber si en un moment donat estem a l’equilibri?

Calculant el quocient de concentracions Qc (la seva expresió és la mateixa de Kc, però no sabem si les concentracions es troben a l’equilibri)

Qc=Kc la reacció està a l’equilibri

Qc>Kc Hi ha més C i D del que hauria d’haver-hi es desplaçarà cap a Reactius

Qc<Kc Hi ha més A i B del que hauria d’haver-hi es desplaçarà cap a Productes

[ ] [ ]

[ ] [ ]

×=×

c d

a b

C DQ

A B

Page 13: Tema 4 Equilibri Quimic 2 BATX

Tema 4 Equilibri Quimic 13

Valor de la constant a partir d’altres constants d’equilibri

◗ Una reacció pot ser escrita com a combinació algebràica d’altres (Llei de Hess), doncs si es tracten de reaccions reversibles la seva Kc també pot ser escrita com una combinació algebraica d’altres K’c

◗ Fem els exemples del llibre pag. 85

Page 14: Tema 4 Equilibri Quimic 2 BATX

Tema 4 Equilibri Quimic 14

4.3 Constant d’equilibri (Kp)

◗ A les reaccions en que intervenen gasos és més senzill mesurar lés pressions parcials que les concentracions.

◗ Per una reacció qualsevol• a A(g) + b B (g) ⇔ c C (g) + d D(g)

◗ També es pot definir una constant de pressions Kp

c dC D

P a dA D

p pK

p p

×=

×

Page 15: Tema 4 Equilibri Quimic 2 BATX

Tema 4 Equilibri Quimic 15

◗ Intentem relacionar mitjançant la llei dels gasos ideals PV= n RT les dues constants d’una reacció on intervenen gasos

◗ P= n/V. RT= [ ]RT

◗ pcc · pD

d [C]c (RT)c · [D]d (RT)d

Kp = ———— = —————————— =Kc. (RT)∆n

◗ pAa · pB

b [A]a (RT)a · [B]b (RT)b

on ∆n = increment en nº de mols de gasos (nproductes – nreactius)

∆= × ( ) nP CK K RT

4.4 Relació entre les constants Kc i Kp

Page 16: Tema 4 Equilibri Quimic 2 BATX

Tema 4 Equilibri Quimic 16

Valors de Kc i Kp.

◗ El valor d’ambdues constants pot variar entre límits bastant grans:

◗ La reacció està molt desplaçada a productes

◗ H2(g) + Cl2(g) 2 HCl (g)Kc (298 K) = 2,5 ·1033

◗ Es tracta d’un veritable equilibri

◗ H2(g) + I2(g) 2 HI(g)Kc (698 K) = 55,0

◗ La reacció està molt desplaçada a reactius (gairebé no es formen productes)

◗ N2(g) + O2(g) 2 NO (g)Kc (298 K) = 5,3 ·10–31

Page 17: Tema 4 Equilibri Quimic 2 BATX

Tema 4 Equilibri Quimic 17

4.5 Grau de dissociació (α).

◗ S’utilitza normalment en reaccions a les quals hi ha un únic reactiu que es dissocia en dos o més.

◗ α= nreaccionen/ n inicials= [reacciona]/ [inicial]

◗ Així expressat el grau de dissociació és un tant per ú.

◗ El % de sustancia dissociada és igual a 100 · α.

Page 18: Tema 4 Equilibri Quimic 2 BATX

Tema 4 Equilibri Quimic 18

4.6 Factors que modifiquen l’equilibri

◗ Si un sistema es toba en equilibri (Q = Kc) i es produeix una perturbació:

• Canvi en la concentració d’algun/s dels reactius o productes.

• Canvi en la pressió o volum

• Canvi en la temperatura.

◗ El sistema deixa d’estar en equilibri i tracta de tornar a ell, desplaçant-se en el sentit que compensi la pertorbació produïda.

◗ PRINCIPI DE LE CHATELIER:

◗ “Un canvi o pertorbació en qualsevol de les variables que determinen l’estat d’equilibri químic produeix un desplaçament de la reacció en esl sentit de contrarrestar o minimitzar l’efecte causat per la pertorbació”

Page 19: Tema 4 Equilibri Quimic 2 BATX

Tema 4 Equilibri Quimic 19

a) Canvi en la concentració d’algun dels reactius o productes.

◗ Si un cop establert l’equilibri es modifica la concentració d’algun reactiu o producte l’equilibri desapareix.

◗ Les concentracions inicials d’aquest nou equilibri són les de l’equilibri previ més les variacions que s’hagin introduït (augment o disminució de concentració)

◗ Lógicament, la constant és la mateixa , per la qual cosa:• si augmentem la [ reactius] l’equilibri tendirà a contrarrestar aquest

augment i es desplaçarà cap a productes

• Si disminuim la [ reactius] l’equilibri tendirà a contrarrestar aquesta disminució i es desplaçarà cap a reactius.

Page 20: Tema 4 Equilibri Quimic 2 BATX

Tema 4 Equilibri Quimic 20

b) Canvi en la pressió o en el volum (només per equilibris on intervinguin gasos)

◗ Si un cop establert l’equilibri en el que intervenguin gasos es modifica la pressió:

• Si augmenta la P l’equilibri tendirà a contrarrestar aquest augment desplaçant-se cap a on hi hagi menys mols de gas

• Si disminueix la P l’equilibri tendirà a contrarrestar aquesta disminució desplaçant-se cap a on hi hagi mes mols de gas

• En el cas que el nombre de mols gas sigui el mateix a reactius i a productes l’equilibri NO pot contrarrestar una alteració de la P o el V.

◗ En el cas de modificar el volum com P.V= nRT, es a dir P i V son inversament proporcionals pensarem

• Si augmenta V, la P disminuirà i podrem aplicar els criteris anteriors

• Si disminueix V, la P augmetna i podrem aplicar els criteris anteriors.

Page 21: Tema 4 Equilibri Quimic 2 BATX

Tema 4 Equilibri Quimic 21

c) Canvi en la Temperatura

◗ Si un cop establert l’equilibri es modifica la Temperatura:

• Si augmentem la T l’equilibri es desplaça en el sentit que es consumeixi aquest calor, es a dir´:

• Si la reacció és endotermica cap a productes (consumeix Q)

• Si la reacció és exotèrmica cap a reactius

• Si disminuim la T l’equilibri es desplaça en el sentit que la reacció desprengui calor, es a dir´:

• Si la reacció és exotèrmica cap a productes (es despren Q)

• Si la reacció és endotèrmica cap a reactius

Page 22: Tema 4 Equilibri Quimic 2 BATX

Tema 4 Equilibri Quimic 22

d) Efecte dels catalitzadors

• Un catalitzador és una substància que augmenta la velocitat de les reaccions.

• A nivell industrial aconseguir produïr el màxim en el mínim de temps equival a més guanys.

• Un catalitzador NO modifica l’equilibri (les concentracions o pressions seràn les mateixes) però permet que s’arribi més ràpidament al mateix.

Page 23: Tema 4 Equilibri Quimic 2 BATX

Tema 4 Equilibri Quimic 23

4.7 Relació entre la constant d’equilibri i l’energia lliure de Gibbs

• L’energia lliure de Gibbs informa sobre la exponteneïtat o no d’una reacció, si recordem:

∀ ∆G = ∆H - T∆S

∀ ∆S és l'entalpia del sistema

• T, la temperatura en ºK

∀ ∆H l'entalpia del sistema.

◗ Criteri espontaneïtat:

∀ ∆G<0 procès espontani

∀ ∆G>0 procès no espontani

Page 24: Tema 4 Equilibri Quimic 2 BATX

Tema 4 Equilibri Quimic 24

◗ L’expressió matemàtica que relaciona ∆G i Kc és la següent (no es fa la demostració matemàtica, massa complexa pel curs)

∀ ∆G = ∆Gº +RTLnK

• Com a l’equilibri ∆G=0:

∆Gº = -RTLnK

• Atenció¡¡ com ∆Gº es treballa en el S.I en J

– la R haurà de ser 8,31 J/(ºK.mol)

– El valor de K vindrà donat en el S.I (Pa o mol/m3)