guia problemas unidad nº 6 - Universidad Nacional de Río Negro

Universidad Nacional de Río Negro – Odontología
Introducción a los Fundamentos Biológicos:
Bio
Química
Guía de estudio Nº6
GUIA DE ESTUDIO Nº6:
Nº Equilibrio Químico
I.- Conceptos básicos:
Equilibrio químico y constante de equilibrio. Concentraciones en el equilibrio y evolución de un sistema
hacia el equilibrio. Principio de Le Chatelier. Factores que afectan el equilibrio. Equilibrio químico en
soluciones acuosas.
II.- Fundamentación:
Nuestro organismo, así como el de todos los seres vivos,
vivos está formado por células que, a su vez, están
constituidas por diferentes organelas que surgen de la integración de biomoléculas: sustancias químicas
compuestas elementos químicos combinados mediante procesos denominados rutas metabólicas, las cuales
constituyen una serie indeterminada de reacciones químicas.
químicas El estudio de estas reacciones químicas resulta
indispensable para conocer
onocer y comprender procesos químicos, físico-químicos
físico químicos y químico – biológicos que
ocurren en el organismo humano en general para ser extrapolados luego a la cavidad bucal.
bucal Así como
también, comprender
ender las características físico-químicas,
físico químicas, propiedades, usos y mecanismos de acción o de
formación de sustancias químicas de uso odontológico.
III.- Objetivos:
Describir el concepto de equilibrio químico en términos de una reacción reversible.
Expresar
sar la contante de equilibrio de una reacción química y predecir de acuerdo a su valor en qué
sentido evolucionará la misma.
misma
Aplicar el Principio de Le Chatelier para pronosticar el desplazamiento del equilibrio con un cambio de
presión, de temperatura o de concentración.
Interpretar la información presentada en curvas de variación de concentraciones en función del
tiempo.
IV.- Desarrollo:
Situación problemática
El ácido sulfúrico es la sustancia química de mayor producción en los países
industrializados. Actualmente el proceso de síntesis del ácido sulfúrico, en forma
general consta de tres etapas:
1ª etapa:: El azufre (s) reacciona en presencia del oxígeno (g) del aire, oxidándose a dióxido de azufre
(g).
2ª etapa:: En presencia del oxigeno
oxigeno (g) se produce la síntesis del trióxido de azufre (g) a partir del
producto de reacción de la primera etapa.
Este proceso –denominado
denominado por contacto – se realiza en una superficie con pentóxido de vanadio (s),
de forma tal que los reactivos estén en contacto
contacto con éste. El pentóxido de vanadio se recupera al
finalizar la reacción.
3ª etapa:: Se obtiene ácido sulfúrico (ac) all reaccionar el trióxido de azufre (g) con agua (l).
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relato
Actividades para pensar el relato:
1.- Escribir las ecuaciones químicas balanceadas correspondientes a cada una de las etapas mencionadas en el
relato. Considerar que –en
en las condiciones propuestas - las mismas son irreversibles.
recipiente cerrado a 1000ºC, se obtendría un sistema en
2.- Si la segunda etapa de la síntesis transcurre en un recipiente
equilibrio. Escribir la ecuación química y la expresión de la contante de equilibrio que representa dicho
sistema.
3.- En relación
n a la ecuación antes propuesta se determina que, al llegar el equilibrio,
equilibrio las concentraciones
encontradas son de 0,06 M para el trióxido de azufre, 0,34 M para el dióxido de azufre, 0,17 M para el
oxígeno. Considerando estos datos calcular el valor de la constante de equilibrio.
4.- Teniendo en cuenta el valor de la constante de equilibrio,, ¿se puede afirmar si se da un buen rendimiento
en la obtención del trióxido de azufre con esta reacción?
5.- ¿Cómo y cuáles variables se pueden modificar para optimizar el rendimiento?
6.- ¿La presencia de pentóxido de vanadio afecta el valor
valor de la constante de equilibrio? Justificar brevemente
la respuesta.
Actividades complementarias
Actividad Nº1:
1.1.- Se tienen las siguientes reacciones químicas con sus respectivos valores de constantes de equilibrio para
una dada temperatura.
38
1- Cl2(g)
Cl(g) + Cl(g)
Keq = 1,4 x 10-38
(25 °C)
+
14
2- H (ac) + HO (ac) H20 (l)
Keq = 1,0 x 10 (25 °C)
3- CO(g) + H2O(g) H2(g) + CO2(g)
Keq = 5,1
(830 °C)
Comparar la magnitud de las constantes e indicar:
a) ¿Cuál de las reacciones tiene más tendencia a formar productos?
b) ¿Cuál de las reacciones tiene mayor tendencia a permanecer como reactivo en el sistema?
c) Escribir la expresión de la constante de equilibrio para cada una de las reacciones presentadas.
1.2.- Si se cubre un objeto de vidrio con cloruro de cobalto y see observa luego el color que éste
é
adquiere, se
puede obtener un sencillo indicador meteorológico. Este fenómeno se explica considerando que,
que a partir del
contacto con el aire húmedo, se establece el siguiente equilibrio:
[Co(H2O)6]Cl2 (s)
[Co(H2O)4]Cl2 (s) + 2 H2O
color rosa
color azul
Si se observa que el objeto presenta color rosa ¿significa que el aire está húmedo o seco? Justificar
brevemente la respuesta.
Actividad N°2:
2.1.- Dada la siguiente reacción química:
PCl5(g)
PCl3(g) + Cl2(g)
a) Escribir la expresión de la constante de equilibrio.
equilibrio
b) En un recipiente de 12 dm3 de capacidad, encontramos en el equilibrio 0,21 moles de PCl5(g), 0,32
moles de PCl3(g) y 0,32 moles de Cl2(g). ¿Cuál será el valor numérico de la Keq?
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2.2.- En un recipiente a 300 ºC se coloca HI como reactivo. Al cabo de un tiempo el reactivo se descompone
originando I2 y H2 como productos. El reactivo y los productos se encuentran en fase gaseosa.
gaseosa
a) Escribir la ecuación química balanceada y la expresión de la constante de equilibrio
equili
de esta
reacción.
b) En el sistema anterior, una vez alcanzado el equilibrio, las concentraciones de cada especie son: HI
= 3,53 10-3 M; I2 = 4,79 10-4 M y H2 = 4,79 10-4 M. ¿Cuál será el valor de la Keq a 300 ºC?
c) Para el sistema anterior se alcanza
alcanza un nuevo equilibrio a la misma temperatura, las concentraciones
de HI y I2 son 0,05 M y 0,01 M respectivamente. ¿Cuál será la concentración de H2?
Actividad Nº 3:
3.1.- Escribir la ecuación química balanceada y calcular
c
la constante de equilibrio a 250 ºC en la reacción de
formación del yoduro de hidrógeno sabiendo que el volumen del recipiente es de 10 litros y que partiendo de
2 moles de I2 y 4 moles de H2 se han obtenido 3 moles de yoduro de hidrógeno.
3.2.- Se tiene la siguiente reacción a 1660 ºC: Br2 (g) 2Br (g)
Se coloca 1,05 moles de Br2 en un recipiente de 0,980 l y se disocia el 1,2% del Br2 para alcanzar el equilibrio.
¿Cuál es el valor de la constante de equilibrio para esa reacción?
3.3.- En cada uno de los siguientes recipientes hay una mezcla de
H2 (g), I2(g) y HI (g) a una determinada temperatura.
O representa un átomo de hidrógeno y
• representa un átomo de iodo
Predecir en cada caso hacia donde evolucionará la ecuación representada por: I2 (g) + H2 (g) 2 Hl(g)
Sabiendo que Keq= 6 a esa temperatura.
Actividad N°4:
4.1.- A cierta temperatura T se produce la reacción representada por:
A + B C + D
Representar gráficamente la variación de las concentraciones de A, B, C y D en función del tiempo, para las
siguientes concentraciones iniciales:
a) [A] = 0,1 M; [B] = 0,1 M; [C] = 0 M; [D] = 0 M
b) [A] = 0 M; [B] = 0 M; [C] = 0,1 M; [D] = 0,1 M
c) [A] = 2 M; [B] = 1 M; [C] = 0 M; [D] = 0 M
4.2.- En el gráfico se representan las concentraciones molares de
reactivos y productos en función del tiempo, para una determinada
reacción química a una temperatura T.
a) Indicar cuál de las siguientes ecuaciones químicas
quí
representa
la reacción química:
I- A(g) B(g) + 2 C(g)
II- 2 A(g) B(g) + C(g)
b) Escribir la expresión de la constante de equilibrio y calcular su valor.
4.3.- En un recipiente de 10 litros se coloca cierta cantidad de ozono a una
temperatura T. El sistema evoluciona como se muestra en el gráfico de la
derecha,, alcanzando el equilibrio representado por 2 O3 3 O2.
Calcular el valor de la constante de equilibrio a la temperatura T.
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III A(g) B(g) + C(g)
III-
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4.4.- En un recipiente de 10 dm3 se mezclan a una temperatura T, 0,20
moles de N2O4 (g) con cierta cantidad de NO2(g).El sistema evoluciona como
indica el gráfico de la derecha,, alcanzando el equilibrio representado por:
2 NO2(g) N2O4 (g)
a) Calcular la concentración molar del N2O4 (g) en el equilibrio a la
temperatura T.
ar en el grafico el número de moles de N2O4 (g)
b) Representar
c) Calcular el valor de la constante de equilibrio.
Actividad N°5:
5.1.- El siguiente
iguiente esquema representa un recipiente con tapa móvil dónde se halla una mezcla de gases en
equilibrio correspondiente a la reacción entre A2 (g) y B2 (g), a una temperatura determinada.
O representa un átomo de A y • representa un átomo de B
a) Escribir la ecuación correspondiente a la reacción
b) Si se disminuye el volumen del recipiente, sin cambiar la temperatura, indicar cuál de los siguientes
esquemas representa el sistema final. Justificar brevemente la respuesta.
5.2.- Para el sistema:
2 Hl(g) I2 (g) + H2 (g)
Indicar, justificando brevemente en todos los casos:
casos
a) ¿Qué ocurre con la concentración del yoduro de hidrógeno si se disminuye el volumen
manteniendo el volumen constante?
b) ¿Cómo varía el número de moles de hidrógeno si se aumenta la concentración de yodo?
c) ¿Cómo varía la concentración de yodo si se sustrae hidrógeno del sistema?
d) Considerando los casos planteados en los ítems a), b), y c): ¿cambia en alguno de ellos el valor de la
constante de equilibrio?
Actividad Nº6:
Para la reacción:
CO(g) + H2O(g) H2(g) + CO2(g)
se cumplen las siguientes relaciones entre Keq y temperatura:
T (K)
600
850
1100
Keq
31,600
3,156
1,000
En un recipiente de volumen constante, mantenido a 850 K, hay 5,00 moles de agua, 0,50 moles de monóxido
de carbono, 3,00 moles de hidrógeno y 2,63 moles de dióxido de carbono.
a) Predecir si el sistema está en equilibrio el sistema.
b) Si se enfría hasta 600 K. ¿Cómo evoluciona el sistema? ¿Qué ocurre con el valor de la
l contante de
equilibrio?
c) Si se calienta hasta 1100 K. ¿Hacia dónde se desplaza la reacción? ¿Qué ocurre con el valor de la
l
contante de equilibrio?
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d) ¿La reacción es endotérmica o exotérmica?
V- Respuestas a los problemas numéricos
Actividad Nº2:
2.1.- b) 0,04
2.2.- b) Keq = 0.018; c) 4.6-3M
Actividad Nº3:
3.1.- 7,2
3.2.- 6,4 10-4
Actividad Nº4:
4.2.- b) 0,33
4.3.- 43,2
4.4.- a) 0,03 M; c) 75
VI- Bibliografía recomendada
Angelini y Col. “Temas
Temas de Química General”.
General Manuales Eudeba. 1995.
Atkins-Jones. “Principios
Principios de química. Los cambios del descubrimiento”.
”. Edit. Panamericana: 3ra
edición. 2005.
central Pearson: 9na edición. 2004.
Brown. “Química. La ciencia central”.
Chang R. “Química”.. McGraw Hill:
Hill 7ma edición. 2005.
Garritz y Chamizo. “Tú
Tú y la Química”.
Química Pearson Educación: 5ta edición. 2005.
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