Química º Bacharelato Equilibrio químico 11/0/08 DEPARTAMENTO DE FÍSICA E QUÍMICA Nome: PROBLEMAS 1. Nun matraz de,00 litros introdúcense 0,0 10-3 mol de pentacloruro de fósforo sólido. Péchase, faise o baleiro e quéntase a 00 C. O pentacloruro pasa a fase gas e disóciase nun 4,6 % en tricloruro de fósforo e cloro. Calcula: a) A constante K p do equilibrio de formación do pentacloruro de fósforo b) O grao de disociación cando se agrega, á mesma temperatura, 10,0 10-3 mol de cloro.. Producirase precipitación cando se mesturen 0,0 ml del cloruro de calcio 4,0 10-4 mol/l con 60,0 ml de carbonato de sodio 3,0 10-4 mol/l? Se así fose, calcula a concentración de ión calcio que queda na disolución despois de formarse o precipitado. Se non, calcula o volume de disolución que quedará cando, despois de deixar evaporar lentamente a auga, comece a precipitar. CUESTIÓNS 1. a) Para a reacción de descomposición do pentacloruro de fósforo en tricloruro de fósforo e cloro, obtén a relación matemática entre a constante de equilibrio, en función das presións, e o grao de disociación. b) Que é o efecto do ión común? Pon un exemplo.. Para a reacción de descomposición de dous moles de ioduro de hidróxeno en fase gas a) Explica como calcularías K P a partir de datos termodinámicos. b) Explica como influiría no valor da constante de equilibrio unha diminución de temperatura, supondo que o proceso fose endotérmico. LABORATORIO 1. Pésanse 6,7 g de cloruro de calcio ao 75% e disólvense no mínimo volume de auga. Se o carbonato de sodio debe incrementarse nun 10%, canto hai que pesar? Disólvese o carbonato de sodio en auga e mestúrase con la disolución anterior que foi quentada. Como se separa o precipitado? Debuxa o material e explica como empregalo. Como podería disolverse o precipitado? DATOS: 1 atm = 760 mm Hg = 1,013 10 5 Pa R = 8,31 J mol -1 K-1 = 0,08 atm dm 3-1 mol-1 K K ps (CaCO 3 ) = 4,8 10-9
s PROBLEMAS 1. Nun matraz de,00 litros introdúcense 0,0 10-3 mol de pentacloruro de fósforo sólido. Péchase, faise o baleiro e quéntase a 00 C. O pentacloruro pasa a fase gas e disóciase nun 4,6 % en tricloruro de fósforo e cloro. Calcula: a) A constante K p do equilibrio de formación do pentacloruro de fósforo b) O grao de disociación cando se agrega, á mesma temperatura, 10,0 10-3 mol de cloro. Rta.: a) K p = 8,15 b) α = 8,7 % : Grado de disociación es el número de moles disociados por cada mol inicial α = n(dis.) / n 0. La cantidad de PCl 5 que se ha disociado es: La reacción ajustada es: n(pcl 5 dis.) = α n 0 = 4,6 % 0,0 10-3 = 8,5 10-3 mol PCl 5 disociados. PCl 5 (g) PCl3 (g) + Cl (g) PCl 5 PCl 3 Cl n 0 mol 0,0 10-3 0 0 n r mol 8,5 10-3 8,5 10-3 8,5 10-3 n eq mol 11,48 10-3 8,5 10-3 8,5 10-3 [ mol/l 5,74 10-3 4,6 10-3 4,6 10-3 La constante de equilibrio en función de las concentraciones es K C = [ PCl 3 [Cl [ PCl 5 = 4,6 10 3 5,74 10 3 = 3,16 10-3 La constante de equilibrio en función de las presiones parciales es K P = P PCl 3 P Cl = [ PCl ] RT [ Cl ] RT 3 P PCl 5 [ PCl 5 ] RT Para la reacción de formación del PCl 5, = [PCl ][ Cl ] 3 RT = K [ PCl 5 ] C RT = 3,16 10-3 0,080 473 = 0,13 PCl 3 (g) + Cl (g) PCl 5 (g) K' P = P PCl 5 P PCl 3 P Cl = 1 K P = 1 0,13 = 8,15 b) Si se agrega 10 10-3 mol de Cl, el equilibrio se desplaza hacia la formación de pentacloruro de fósforo. Para hallar el nuevo grado de disociación, habrá que calcular la nueva cantidad x de PCl 5 que se ha disociado. PCl 5 PCl 3 Cl n 0 mol 0,0 10-3 0 10,0 10-3 n r mol x x x n eq mol 0,0 10-3 - x x 10,0 10-3 + x [ mol/l (0,0 10-3 x) / x / (10,0 10-3 + x) / Aplicando la expresión de la constante de equilibrio escrita antes:
K C = 3,16 10-3 = [ PCl 3 [Cl [ PCl 5 10,0 10 3 x 0,0 10 3 x x x + 1,63 10 - x 1,6 10-4 = 0 x = 5,73 10-3 mol PCl 5 disociados α= 5,73 10 3 mol PCl 5 disociados 0,0 10 3 molpcl 5 iniciales =0,87=8,7%. Producirase precipitación cando se mesturen 0,0 ml del cloruro de calcio 4,0 10-4 mol/l con 60,0 ml de carbonato de sodio 3,0 10-4 mol/l? Se así fose, calcula a concentración de ión calcio que queda na disolución despois de formarse o precipitado. Se non, calcula o volume de disolución que quedará cando, despois de deixar evaporar lentamente a auga, comece a precipitar. K ps (CaCO 3 ) = 4,8 10-9 Rta.: Si. [Ca + ] = 3,1 10-5 mol/l : El equilibrio de solubilidad del carbonato de calcio es Se formará precipitado de CaCO 3 si CaCO 3 (s) Ca + (aq) + CO 3 (aq) Q = [CO 3 ][Ca + ] > K s (CaCO 3 ) Al mezclar las dos disoluciones, supongo que los volúmenes son aditivos: V T = 0,0 + 60,0 = 80,0 ml. La cantidad de cloruro de calcio que hay en la disolución es: n (CaCl ) = 0,0 10-3 L D CaCl 4,0 10-4 mol/l = 8,0 10-6 mol CaCl. La concentración (si no hay precipitación) del cloruro de calcio después de la mezcla sería: [CaCl ]' = 8,0 10-6 mol CaCl / 80,0 10-3 L = 1,0 10-4 mol/l El cloruro de calcio es un electrolito fuerte y soluble, por lo que está totalmente disociado: CaCl (aq) Ca + (aq) + Cl (aq) [Ca + ]' = [CaCl ]' = 1,0 10-4 mol/l La cantidad de carbonato de sodio que hay en la disolución es: n (Na CO 3 ) = 60,0 10-3 L D Na CO 3 3,0 10-4 mol/l = 1,8 10-5 mol Na CO 3. La concentración (si no hay precipitación) del carbonato de sodio después de la mezcla sería: [Na CO 3 ]' = 1,8 10-5 mol Na CO 3 / 80,0 10-3 L =,3 10-4 mol/l El carbonato de sodio es un electrolito fuerte y soluble, por lo que está totalmente disociado:
Na CO 3 (aq) Na + (aq) + CO 3 (aq) [CO 3 ]' = [Na CO 3 ]' =,3 10-4 mol/l Q = [Ca + ]'[CO 3 - ]' = (1,0 10-4 ) (,3 10-4 ) =,3 10-8 > 4,8 10-9 = K s (CaCO 3 ) Sí se forma precipitado de carbonato de calcio. Para calcular la concentración de ión calcio que queda en la disolución después de formarse el precipitado, se calcula primero la cantidad estequiométrica de carbonato de calcio que se forma. Na CO 3 (aq) + CaCl (aq) CaCO 3 (s) + NaCl (aq) cantidad Na CO 3 CaCl CaCO 3 NaCl inicial mol 1,8 10-5 8,0 10-6 0 0 reacciona mol 8,0 10-6 8,0 10-6 8,0 10-6 8,0 10-6 final mol 1,0 10-5 0 8,0 10-6 8,0 10-6 La concentración de carbonato de sodio al final de la reacción será: [Na CO 3 ]'' = 1,0 10-5 mol Na CO 3 / 80,0 10-3 L = 1,3 10-4 mol/l Se calcula la concentración del ión calcio a partir del equilibrio de solubilidad del carbonato de calcio, teniendo en cuenta el efecto del ión común carbonato. CaCO 3 Ca + CO 3 [ ] 0 mol/l 0 1,3 10-4 [ ] d mol/l s s s [ mol/l s 1,3 10-4 + s K ps = [Ca + ][CO 3 - ] 4,8 10-9 = s (1,3 10-4 + s) s = 3,1 10-5 mol/l [Ca + ] = 3,1 10-5 mol/l CUESTIÓNS 1. a) Para a reacción de descomposición do pentacloruro de fósforo en tricloruro de fósforo e cloro, obtén a relación matemática entre a constante de equilibrio, en función das presións, e o grao de disociación. b) Que é o efecto do ión común? Pon un exemplo. : a) Chámase n 0 á cantidade inicial de PCl 5. A cantidade de PCl 5 disociada será: Pola estequiometría da reacción, n dis (PCl 5 ) = α n 0
PCl 5 PCl 3 Cl n 0 mol n 0 0 0 n r mol α n 0 α n 0 α n 0 n e mol (1 α) n 0 α n 0 α n 0 A cantidade de gas que hai no equilibrio é: n et = (1 α) n 0 + α n 0 + α n 0 = (1 + α) n 0 As fraccións molares e as presións parciais de cada gas no equilibrio son: x e PCl 5 PCl 3 Cl 1 1 P e atm 1 1 P T A constante de equilibrio en función das presións é 1 1 P T 1 1 P T K P = P PCl P Cl 5 1 P T 1 P T = = P PCl 5 1 1 P 11 P T= 1 P T T O efecto do ión común é a diminución de solubilidade dun sal cando na disolución se atopa algún dos seus ións, procedente doutra substancia. Por exemplo, o sulfato de bario, un sal pouco soluble, é menos soluble nunha disolución de sulfato de sodio que en auga pura, xa que a presencia dos ións sulfato que veñen do sulfato de sodio fan que o equilibrio de disolución do sulfato de bario se desprace no sentido de formar máis sólido. BaSO 4 (s) Ba + (aq) + SO 4 - (aq) Ao aumentar a concentración de ión sulfato, a concentración de ións bario ten que diminuír para que o produto iónico permaneza igual á constante do produto de solubilidade. Q ps = [Ba + ] [SO 4 - ] = K ps Como resultado os ións sulfato xúntanse cos ións bario para dar máis produto sólido e queda menos en disolución.. Para a reacción de descomposición de dous moles de ioduro de hidróxeno en fase gas a) Explica como calcularías K P a partir de datos termodinámicos. b) Explica como influiría no valor da constante de equilibrio unha diminución de temperatura, supondo que o proceso fose endotérmico. : a) HI (g) I (g) + H (g)
K p = P I PH P HI Os datos termodinámicos máis frecuentes son ΔH 0 e ΔS 0. A partir deles calcularíase: Como ΔG 0 = ΔH 0 T ΔS 0. e no equilibrio ΔG = 0, quedaría, ΔG = ΔG 0 + RT ln K P ΔG 0 = RT ln K P expresión de la que se pode despexar K P G 0 RT K P =e b) A constante de equilibrio varía coa temperatura. Nunha reacción endotérmica, a constante de equilibrio diminúe ao diminuír a temperatura, como se deduce da ecuación de Van't Hoff. ln K 1 K = H R 1 T 1 1 T Se T < T 1 Como ΔH > 0 Se ln K 1 / K > 0 1 T 1 T 1 ΔH < 0 1 T 1 1 T 0 H R K 1 / K > 1 K < K 1 1 T 1 1 T 0 LABORATORIO 1. Pésanse 6,7 g de cloruro de calcio ao 75% e disólvense no mínimo volume de auga. Se o carbonato de sodio debe incrementarse nun 10%, canto hai que pesar? Disólvese o carbonato de sodio en auga e mestúrase con la disolución anterior que foi quentada. Como se separa o precipitado? Debuxa o material e explica como empregalo. Como podería disolverse o precipitado? Rta.: 5,3 g Na CO 3 : A reacción é: CaCl (aq) + Na CO 3 (aq) CaCO 3 (s) + Na + (aq) + Cl (aq) 75g CaCl mna CO 3 =6,7g cloruro 100 g cloruro 1mol CaCl 1 mol Na CO 3 106 g Na CO 3 =4,8 g Na 111 g CaCl 1 mol CaCl 1 mol Na CO CO 3 3 Se se incrementa nun 10% haberá que pesar: 10% 4,8 g = 0,5 g 4,8 + 0,5 = 5,3 g Na CO 3
O precipitado sepárase por filtración ao baleiro. Vértese o líquido co precipitado sobre un funil Büchner, con papel de filtro, encaixado nun matraz kitasato conectado a unha trompa de baleiro polo vástago lateral. Funil Büchner Matraz kitasato O precipitado de carbonato de calcio pódese disolver cun ácido, por exemplo, ácido clorhídrico, xa que o carbonato é o sal dun ácido débil, e a adición dun ácido desprazaría os equilibrios cara á dereita. CaCO 3 (s) CO3 (aq) +Ca + (aq) CO 3 (aq) + H + (aq) HCO3 (aq) HCO 3 (aq) + H + (aq) H CO 3 (aq) H CO 3 (aq) CO (g) + H O (l) facendo que o precipitado de carbonato de calcio se disolva.