EQUILIBRI QUÍMIC

http://www.iestiemposmodernos.com/700appletsFQ/2btq/708.htm

REACCIONS REVERSIBLES• Moltes reaccions finalitzen quan s’esgota qualsevol dels reactius. Són reaccions irreversibles i completes. Com la reacció té lloc en una única direcció la representen amb una fletxa

2 C2H2 (g) + 5 O2 (g) → 4 CO2 (g) + 2 H2O (l)

• En altres, en canvi. els reactius originen el productes i aquests, una vegada formats poden regenerar els reactius de partida. En aquests casos la reacció és reversible i incompleta. S’arriba a una estat d’equilibri en el que no s’observen canvis i la reacció aparentment s’atura.Com la reacció ocorre simultàniament en les dos direccions es representa amb una doble fletxa.

2 N2O5 (g) ⇆ 4 NO2 (g) + O2 (g)

HI HA EQUILIBRI QUÍMIC

3 Fe (s) + 4 H2O (g) Fe3O4 (s) + 4 H2 (g) En un sistema tancat i aïllat

REACCIONS REVERSIBLES: REACCIONS INCOMPLETES (GRAU D’AVANÇ < 100%)

3 Fe (s) + 4 H2O (g) Fe3O4 (s) + 4 H2 (g) En un sistema obert

REACCIONS IRREVERSIBLES: REACCIONS COMPLETES (GRAU D’AVANÇ = 100%)

inicial final

NO HI HA EQUILIBRI QUÍMIC

inicial final

CONDICIONS PER A L’EQUILIBRI QUÍMIC

CARACTERÍSTIQUES DE L’EQUILIBRI QUÍMIC

• A escala macroscòpica: Composició constant: Les

concentracions (pressions) de tots els reactius i productes romanen constants amb el temps. No s’observen canvis visibles en el sistema.

• A escala microscòpica: Les reaccions globals directa i

inversa es produeixen constantment i en igual mesura (equilibri dinàmic)

VDIRECTA = VINVERSA

HTTP://www.chm.davidson.edu/vce/equilibria/BasicConcepts.html

L’EQUILIBRI ÉS DINÀMIC

EQUILIBRI NATURAL PRESA DEPREDADOR

EQUILIBRI DE SOLUBILITAT

SUCRE (S) SUCRE (AQ)

EQUILIBRI QUÍMIC REACTIUS PRODUCTES

inicial final

EQUILIBRI DINÀMICA + B AB

Reacció inversaReacció directa

InicialsEs formen Desapareixen Finals

Àtoms de A 6 1 1 6

Àtoms de B 5 1 1 5

Molècules AB 5 1 1 5

L’EQUILIBRI ÉS DINÀMIC JA QUE ENCARA QUE LES QUANTITATS DE “A”, “B” I “AB” ES MANTENEN CONSTANTS, [A]= cte, [B]= cte, [AB]=cte CONTINUA HI HAVENT REACCIÓ, PERÒ COM LES VELOCITATS DE REACCIÓ DIRECTA I INVERSA SÓN IGUALS (VDIRECTA = VINVERSA), LA QUANTITAT DE MOLÈCULES “AB” QUE ES FORMEN PER LA

REACCIÓ DIRECTA ÉS LA MATEIXA QUE LA QUANTITAT DE MOLÈCULES QUE ES DESCOMPONEN PER LA REACCIÓ INVERSA.

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

eq

uilib

rio q

uím

ico

eq

uilib

rio q

uím

ico

eq

uilib

rio q

uím

ico

COMPOSICIÓ CONSTANT

exper. [CO] [H2] [CH3OH]

12

0,10000

0,10000

00,1000

punts inicials punts d’equilibri

[CO]eq [H2]eq [CH3OH]eq

0,09110,0753

0,08220,151

0,008920,0247

3 0,1000 0,1000 0,1000 0,138 0,176 0,0620

tiempo tiempo tiempo

conc.

mola

r

conc.

mola

r

conc.

mola

r

exp. 1 exp. 2 exp. 3

Què tenen en comú els punts d’equilibri de

les tres experiències?

CO (g)CO (g) + 2 H2 H22 (g) (g) ⇆ CHCH33OH (g)OH (g)

COMPOSICIÓ CONSTANTDe l’anàlisi de les dades s’observa que:• L’equilibri està caracteritzat per unes concentracions

de reactius i productes que romanen constants amb el temps.

• Les concentracions d’equilibri no són úniques. Cada punt inicial condueix a un punt d’equilibri diferent.

• Es pot arribar a un punt d’equilibri partint inicialment de reactius o també partint de productes.

• Si relacionen amb la següent equació les concentracions de l’equilibri s’obté sempre el mateix valor: 14’5• Aquest valor és independent de les concentracions

inicials

eq2

eq2

eq3

CO·H

OHCH

HTTP://chem.salve.edu/chemistry/equilbrm.asp

DEDUCCIÓ DE Kc

Siga l’equació:

A + 2 B ⇆ AB2

vd= kd [A][B]2

vi = ki [AB2]

A l’equilibri es compleix que Vd = Vi

kd[A][B]2 = kr[AB2]

2dc 2

r

ABkK = =

k A B

LLEI DE L’EQUILIBRI QUÍMIC

Per a una reaccióa A + b B c C + d D

es defineix una constant Kc que és una mesura quantitativa de l’equilibri i que pren el valor:

On es representa la concentració com [ ] = mol/litre

“En tota reacció química reversible, el producte de les

concentracions a l’equilibri dels productes, dividit per el producte

de les concentracions a l’equilbri dels reactius és una quantitat

constant anomenada constant d’equillibri.”

La constant Kc canvia amb la temperatura.

beqa

eq

d

eq

c

eq

C BA

D·CK

QUOCIENT DE REACCIÓ (Q)• Per a una reacció qualsevol:

a A + b B c C + d Ds’anomena quocient de reacció

a la relació: • El quocient de reacció té la mateixa expressió que la constant d’equilibri

però la diferència és que les concentracions no tenen perquè ser les de l’equilibri.

• El quocient de reacció ens permet predir el sentit d’avanç d’una reacció química:

Q < K augmenten les concentracions dels productes i disminueixen les dels

reactius fins que Q s’iguala amb KQ > K

augmenten les concentracions dels reactius i i disminueixen les dels productes fins que Q s’iguala amb K

Q = K Equilibri• En les experiències de la fitxa 7 (on K = 14’5):

1) Q=0, Q<K, l’equilibri evoluciona R → P2) Q=∞, Q>K. l’equilibri evoluciona R ← P

[ ] [ ]

[ ] [ ]

c d

a b

C DQ

A B

MAGNITUD DE Kc• El valor de la constant d’equilibri indica quan ha progressat una

reacció des de els reactius als productesK >>>> 1 S’afavoreix la reacció directa, a l’equilibri

els productes són molt més abundants que els reactius.

K <<<< 1 S’afavoreix la reacció inversa, a l’equilibri els reactivus són molt més abundants que els productes.

K ≈ 1 Es tracta d’un verdader equilibri, hi ha proporcions significatives de reactius i productes.

temps

KC > 105

concentració

KC < 10-2

concentració

temps temps

KC ≈ 100

concentració

inicialquantitat

reaccionaquequantitat

• Un altre concepte relacionat amb la progressió d’una reacció és el grau de dissociació α. Quan major és el seu valor més s’afavoreix la reacció directa i la formació de productes.

KC DEPEN DE L’EQUACIÓ QUIMICA

• Si una equació química la multipliquen per un factor “n” la constant s’eleva a la n-èsima potència: K’ = Kn

• Les constants de les reaccions directa i inversa estan en relació inversa una d’altre: K’ = 1/K.

• Si sumen dos equacions químiques (A i B) per obtindre un altre equació química C, es compleix que: Kc = KA·KB

CONSTANT DE EQUILIBRI KP

En reaccions en les que intervenen gasos és més fàcil mesurar pressions parcials que concentracions:

a A + b B c C + d D

c dC D

P a dA D

p pK

p p

T

B

T

B

B

T

A

T

A

A

B

B

A

A

T

T

BAT

P

P

n

n

P

P

n

n

T·R·V

nPT·R·

V

nPT·R·

V

nP

PPPBiAgasosdosdemesclaunaSiga

RELACIÓ ENTRE KC I KP

De l’equació general dels gasos ideals s’obté:

I substituint en l’expressió de KP

On n = variació nº mols gasosos (nproductes – nreactius)

( ) nP CK K RT

·R·TP per tant;V

n com i ,

T·R

P

V

n n·R·T P·V

badc

CP

ba

dc

ba

dc

bbaa

ddcc

b

B

a

A

d

D

c

C

P

RT·KK

RT·RT

RT·RT

B·A

D·C

RT·B·RT·A

RT·D·RT·C

P·P

P·PK

RELACIÓ ENTRE K i α• Siga la reacció A B + C.• Si anomenem “c” = [A]inicial y suposem que inicialment

nomès hi ha substància “A”, tindrem que:

Concentracions A B + CInicial (mol/L) c 0 0Reacciona c· c · c · Equilibri c(1– ) c · c ·

B · C c · · c · c ·2

Kc = ———— = ————— = ——— A c · (1– ) (1– )

• Quan A està poc dissociada (Kc molt menuda): << 1

Kc c ·2

EQUILIBRIS HETEROGENIS• Si entre les substàncies que intervenen en una reacció

es distingeixen varies fases o estats físics, l’equilibri és heterogeni.

CaCO3(s) CaO(s) + CO2(g) • Les quantitats dels sòlids i líquids purs poden canviar

però les seues concentracions són constants i s’agrupen en la constant, de forma que la seua expressió quedaria:

KC = [CO2] o KP = Pco2

• Les dissolucions no es consideren líquids purs i per tant si que varien la concentració:

BaCO3 (s) ↔ Ba2+(aq) + CO32- (aq)

KC = [Ba2+] · [CO32-]

PERTORBACIÓ I EVOLUCIÓ DELS EQUILIBRIS QUÍMICS

• Si un sistema es troba en equilibri (Q = K) y es produeix una pertorbació o canvi (concentració, pressió o volum, temperatura), el sistema deixa d’estar en equilibri (Q # K) i evoluciona a un nou equilibri.

• Segons el Principi de Le Chatelier: “Un canvi en qualsevol de les variables que determinen l’estat d’equilibri químic produeix un desplaçament del equilibri en el sentit de contrarestar o minimitzar l’efecte causat per la pertorbació”.

VARIACIÓ EN LA CONCENTRACIÓ (a T=cte)

• Per a un equilibri Reactius ⇆ Productes

Si [R] ↑ o [P] ↓; Q < K i l’equilibri evoluciona R → P.Si [R] ↓ o [P] ↑ Q > K i l’equilibri evoluciona R ← P.

• Segons P. Le Chatelier: si s’elimina un reactiu o un producte, per tal de contrarestar l’efecte produït, l’equilibri evolucionarà en el sentit de la reacció que genera part de la substància eliminada, i si afegim un reactiu o un producte l’equilibri evolucionarà en el sentit de la reacció que consumeix part de la substància afegida.

• Si varia la quantitat de un sòlid o líquid pur, com que la seua concentració és constant, l’equilibri no es modifica.

]R[

]P[Q

CaO-CaCO3.exe

VARIACIÓ DE LA CONCENTRACIÓ

H2(g) + I2(g) ⇆ 2 HI(g)

Si augmenta la concentració de I2, s’observa que Q<K i l’equilibri evoluciona R→P, o siga en el sentit que consumeix part del I2 afegit

Si augmenta la concentració de HI, s’observa que Q>K i l’equilibri evoluciona R←P, o siga en el sentit que consumeix part del HI afegit

VARIACIÓ EN LA PRESSIÓ O EL VOLUM (a T=cte) (reaccions en fase gas)

• Siga l’equilibri aA(g) + bB(g) ⇆ cC(g) + dD(g) on expressen les pressions parcials en funció de la pressió total quedaria.

• Si augmenta la Pressió (o disminueix el volum) - Si ∆n >0 (mols gasosos productes > mols gasosos reactius), com Q>K, l’equilibri evolucionarà R←P

- Si ∆n <0 (mols gasosos reactius > mols gasosos productes), com Q<K, l’equilibri evolucionarà R→P

- Si ∆n=0 (mols gasosos reactius = mols gasos productes), l’equilibri no es modifica.

• Si disminueix la Pressió (o augmenta el volum), òbviament evolucionarà al contrari.

• Segons el P. De Le Chatelier: Si augmenta la pressió per tal de contrarestar la pertorbació produïda l’equilibri evolucionarà cap on hi haja un menor nº de mols gasosos. Si disminueix la pressió evolucionarà cap on hi ha més nº de mols gasosos.

n

b

B

b

B

a

A

a

A

d

D

d

D

c

C

c

C

b

B

a

A

d

D

c

C

pP·cte

)P·)·(P·(

)P·)·(P·(

P·P

P·PK

2 N O 2 - N 2 O 4 . e x e H2I2_equilibrium.exe

VARIACIÓ EN LA PRESSIÓ O VOLUM

N2O4 (g) ⇆ 2 NO2(g)

Si augmenta la pressió (disminueix el volum) l’equilibri evoluciona cap on es formen un menor nº de mols gasosos R ← P

VARIACIÓ EN LA TEMPERATURA (a P=cte)

• Segons l’equació de Van’t Hooff:

Reacció exotèrmica (∆H<0) si T augmenta KP disminueix, per tant R← P

si T disminueix KP augmenta R→ P

Reacció endotèrmica ((∆H>0) si T augmenta KP augmenta R→ P

si T disminueix KP disminueix R← P

Segons el P. De Le Chatelier: Si augmenta la temperatura, per tal de contrarestar l’efecte produit, l’equilibri evoluciona en el sentit de la reacció endotèrmica (cap on absorbeix calor). Si disminueix la temperatura evoluciona en el sentit de la reacció exotèrmica (cap on allibera calor).

2

0

P

T·R

H

T

KLn

0T

KLnP

0T

KLnP

Augmenta T

N2O4 ⇆ 2 NO2 ∆H<0

HTTP://www.mhhe.com/physsci/chemistry/essentialchemistry/flash/lechv17.swf

VARIACIÓ EN LA TEMPERATURA

ELS CATALITZADORS NO MODIFIQUEN L’EQUILIBRI

Si se agrega un catalizador a un sistema en equilibrio este puede modificar la velocidad directa e inversa, pero no modifica la posición del equilibrio ni tampoco la constante de equilibrio.