unitat 5 l’equilibri químic - pdf fileunitat 5 l’equilibri químic 1...

Click here to load reader

Post on 14-Jul-2018

223 views

Category:

Documents

0 download

Embed Size (px)

TRANSCRIPT

  • 5unitat

    Lequilibri qumic

    1 Definici dequilibri qumic

    2 Les expressions de les constants

    dequilibri, Kc i Kp. Relaci

    entre totes dues

    3 Clcul de la constant dequilibri

    4 Utilitat de la constant dequilibri

    5 Equilibris heterogenis

    6 Factors que afecten lequilibri.

    El principi de Le Chatelier

    7 Diagrama de fases

    8 El procs Haber-Bosch

    Exemples resolts

    Qestions i Problemes

    Pgina de reps

  • 176 unitat 5

    Definici dequilibri qumic

    1.1. Reaccions irreversibles i reaccions reversibles

    Fins ara hem treballat amb la idea que, quan barregem dos reactius en con -dicions favorables de pressi i temperatura, la reacci que es produeix pro-gressa fins que el reactiu que hi s per defecte (reactiu limitant) sesgota. Aquesta mena de reaccions reben el nom de reaccions irreversibles i pas-sen en un sentit nic.

    aA bB cC dD

    Ara b, la majoria de les reaccions qumiques sn reaccions reversibles, s a dir, succeeixen en tots dos sentits, com a conseqncia de la possi-bilitat que tenen els productes de reaccionar entre ells per formar nous reactius. En aquesta mena de reaccions sassoleix lequilibri qumic quan els reactius i els productes es consumeixen i es creen a la vegada.

    En una reacci, simbolitzem lequilibri qumic amb una doble fletxa que ens indica el sentit directe i invers de la reacci:

    aA bB cC dD

    En termes generals, les lletres majscules representen elements o compostos, i les lletres minscules, els coeficients estequiomtrics de lequaci ajustada.

    1.2. Lequilibri qumic

    Considerem una reacci reversible realitzada en un recipient tancat:

    I2 (g) H2 (g) 2 HI (g)

    En el moment inicial, la formaci de iodur dhidrogen sesdevindr a la mxima velocitat, ja que no hi haur cap producte i no pot tenir lloc el procs contrari.

    Ara b, a mesura que el procs avana, en anar-se consumint I2 i H2, dis-minuir la velocitat del procs de formaci de HI. En canvi, la velocitat del procs contrari, a mesura que augmenti la quantitat de HI, augmentar.

    Les dues velocitats acabaran igualant-se i en aquest moment es complir que les quantitats de I2 i H2 consumides en la reacci directa es compen-sen exactament per les produdes per la reacci inversa. El resultat glo-bal s que la composici del sistema es mant invariable. Aquesta situaci dinmica sanomena equilibri qumic.

    Cal remarcar que en lequilibri qumic, la reacci no satura sin que es continuen desenvolupant els dos processos, per aquests tenen lloc a la mateixa velocitat.

    Aix doncs, es produeix equilibri qumic quan dues reaccions oposades tenen lloc simultniament i a la mateixa velocitat i no sobserva cap canvi en les propietats del sistema (pressi, temperatura, concentracions, etc.).

    Des dun punt de vista microscpic, entre les molcules continua pro-duint-se la reacci, tant en sentit directe com invers. Per aix diem que lequilibri qumic s un equilibri dinmic.

    Des dun punt de vista macroscpic, si considerem el sistema com un con-junt, sembla com si la reacci shagus aturat. En un interval de temps con-cret, es produeixen tantes molcules de reactiu o de producte com molcules de reactiu o de producte es consumeixen en els processos inversos. Lefecte final s que les quantitats de reactius i de productes es mantenen constants. Per aix, lequilibri qumic tamb sanomena estat estacionari.

    1

    Figura 5.1. Variaci de les concentracions

    de les espcies presents en el sistema a

    mesura que aquest saproxima a lequilibri.

    A partir dun temps te les concentracions

    de les quatre substncies es mantenen

    constants de manera indefinida.

    Concentracions

    Sestableix

    lequilibri

    Temps

    C i D

    A i B

    te

  • 177Lequilibri qumic

    Malgrat que en un sistema en equilibri no sobservin canvis macroscpics, s que hi ha canvis microscpics. Perqu un sistema arribi a assolir un estat dequilibri cal que estigui tancat, s a dir, que pugui intercanviar energia amb un altre sistema per que no pugui perdre ni guanyar matria.

    Les caracterstiques fonamentals dun sistema en equilibri qumic sn:

    s dinmic, les reaccions en tots dos sentits es produeixen constant-ment.

    Tendeix a assolir lestat dequilibri de manera espontnia.

    Les seves propietats sn les mateixes independentment del sentit de la seva formaci.

    1.3. Lequilibri homogeni i lheterogeni

    Els equilibris homogenis sn aquells en els quals els reactius i els pro-ductes estan a la mateixa fase, s a dir, es troben en el mateix estat fsic.

    Per exemple, reaccions entre substncies en estat gass:

    H2 (g) I2 (g) 2 HI (g)

    2 SO2 (g) O2 (g) 2 SO3 (g)

    Tamb reaccions en soluci:

    CH3COOH (aq) C2H5OH (aq) CH3COOC2H5 (aq) H2O (l)

    HCl (aq) H (aq) Cl (aq)

    Els equilibris heterogenis sn aquells en els quals els reactius i els productes estan en una fase diferent, s a dir, en estats fsics diferents.

    Per exemple, entre substncies slides i gasoses:

    C (s) O2 (g) 2 CO (g)

    Fe2O3 (s) CO (g) 2 FeO (s) CO2 (g)

    I tamb entre una soluci saturada i el seu precipitat:

    BaSO4 (s) Ba2 (aq) SO4 (aq)

    Fe(OH)3 (s) Fe3

    (aq) 3 OH (aq)

    En aquesta unitat ens centrarem en lestudi dels equilibris homogenis i en unitats segents iniciarem lestudi dels equilibris heterogenis.

    Sabies que...?

    Lestat dequilibri sassembla a un

    atleta que corre dalt duna cinta

    en un gimns. Est en moviment

    continu sense parar de crrer, per,

    tanmateix, sempre es troba al mateix

    lloc, el moviment dun compensa el

    moviment de laltre. Latleta i la cinta

    estan en equilibri dinmic.

    Figura 5.2. Un altre exemple dun estat dequilibri: dos nens en un gronxador. No hi ha moviment, el sistema est en equilibri estacionari.

  • 178 unitat 5

    Les expressions de les constants dequilibri, Kc i Kp. Relaci entre totes dues

    2.1. La constant dequilibri Kc per sistemes homogenis

    En els equilibris qumics homogenis (aquells en qu els reactius i els pro-ductes es mesclen uniformement i formen una nica fase), la relaci de concentracions de les espcies en equilibri es mant constant a una tempe-ratura determinada.

    Aquesta relaci de concentracions sanomena constant dequilibri i es defi-neix per a una reacci:

    a A b B c C d D

    Ke

    c

    e

    d

    e

    a

    e

    bc

    C D

    A B

    Les expressions A , C , indiquen les concentracions molars (mol/dm3) de cada espcie qumica en lequilibri. El subndex e, serveix per remarcar que les concentracions sn les dequilibri i els superndexs a, b... sn els coeficients estequiomtrics de les reaccions.

    Per conveni, al numerador de lexpressi de la constant dequilibri ses criu-en les concentracions de les espcies qumiques que es troben a la dreta de lequaci, mentre que sescriuen al denominador les concentracions de les espcies qumiques que es troben a lesquerra de lequaci.

    En aquesta frmula noms sinclouen les espcies gasoses i/o en soluci. Les espcies en estat slid o lquid es consideren concentracions constants i, per tant, sintegren en la constant dequilibri.

    La llei dacci de masses diu que la constant dequilibri s igual al producte de les concentracions dels productes elevades als seus res-pectius coeficients estequiomtrics, dividit entre el producte de les concentracions dels reactius elevades als seus respectius coeficients estequiomtrics.

    Kc indica que es tracta duna constant dequilibri basada en les concentra-cions de les espcies presents en aquest. No sescriuen les seves dimen-sions ja que varien en funci de la reacci i fins i tot poden ser adimen-sionals.

    Quan Kc s gran, podem deduir que la mescla en equilibri t una propor-ci elevada de productes; en canvi, si s un valor petit, podem deduir que la reacci saturar de seguida i que la proporci ms elevada correspon-dr al reactius.

    La constant dequilibri presenta les caracterstiques segents:

    El valor de la constant dequilibri Kc s especfic de cada reacci qumica. s independent de les concentracions inicials dels reactius i els productes; noms depn de la temperatura.

    2

    Una mica dhistria...

    La llei dacci de masses va ser

    proposada lany 1864 per dos noruecs

    que eren cunyats, el matemtic Cato

    Guldberg i el qumic Peter Waage.

    Aquests dos cientfics van ser pioners

    en lestudi de les reaccions qumiques,

    i les seves investigacions van ser

    determinants en el naixement

    de la fisicoqumica.

    Has de saber...

    Tot i que la Kc s una magnitud

    relacionada amb les concentracions

    molars, es considera adimensional i,

    per tant, no sindiquen unitats.

  • 179Lequilibri qumic

    Variaci de la Kc amb la temperatura

    I2 (g) H2 (g) 2 HI (g)

    Kc

    2

    2 2

    =HI

    I H

    T (K) Kc

    298 794

    500 160

    764 46

    1.100 25

    Valor de Kc per a la reacci de formaci

    de iodur dhidrogen, a diferents

    temperatures.

    Per a les reaccions:

    F2 (g) 2 F (g), a 227 C:

    Kc

    2

    2

    137,3 10F

    F

    2 SO2 (g) O2 (g) 2 SO3 (g), a 727 C:

    Kc3

    2

    22

    2

    2SO

    SO O4,1 10

    Si una reacci es multiplica o es divideix per un factor, la constant dequilibri de la nova reacci s igual a la de la primera elevada en aquest factor.

    K Kc c1/ 2

    '

    Per a la reacci: 2 H2 (g) O2 (g) 2 H2O (g)

    Kc2

    2

    22

    2

    H O

    H O

    Si la multipliquem per 1/2.

    H2 (g) 1

    2 O2 (g) H2O (g), Kc

    2

    2 21/2

    'H O

    H O

    Shi observa que Kc c1/2

    ' K

    La constant dequilibri duna reacci i