EL EQUILIBRIO QUÍMICO: UN EQUILIBRIO DINÁMICO.

PRÁCTICA No 1

EL EQUILIBRIO QUÍMICO: UN EQUILIBRIO DINÁMICO

PARTE 1

OBJETIVOS:

1. Observar la reversibilidad de algunas reacciones químicas.
2. Observar la influencia de la temperatura en las reacciones reversibles.
3. Observar el efecto de la concentración en la reversibilidad de algunas reacciones químicas.
4. Observar la condición de equilibrio en una reacción reversible.

MARCO TEÓRICO

En los cursos fundamentales las reacciones químicas son consideradas como procesos que ocurren solo en una dirección hasta que uno de los reactivos originales (el reactivo límite) se agote; en este contexto, se puede inferir que “las reacciones químicas se realizan hasta su finalización”. Sin embargo, en una etapa posterior, la introducción del concepto de equilibrio químico implica la consideración de la reversibilidad de las reacciones químicas, y en consecuencia, la posibilidad de que en éstas no se alcance la conversión completa de los reactivos en productos. Además, la naturaleza dinámica de este equilibrio exige la condición de la realización simultánea de dos reacciones opuestas.

REACTIVOS Y EQUIPO

• Sustancia rosada en isopropanol.
• Sustancia azul en isopropanol.
• Isopropanol saturado con “cloruro”.
• Agua destilada.
• Tubos de ensayo (limpios y secos) 13x100.
• Termómetro.
• Beakers de 50 ml.
• Pipeta graduada de 10 ml.
• Soporte y aros metálicos, plancha de calentamiento y mechero.
• Hielo.

PROCEDIMIENTO

1. Efecto de la temperatura

A un tubo de ensayo añadir 1 ml de solución rosada. Calentar y enfriar esta solución repitiendo en forma alternada el tratamiento en un baño de agua caliente (80ºC) y en un baño de hielo. Analizar los resultados.

1. Efecto de los cambios en concentración

A un tubo de ensayo añadir 1 ml de solución azul. Sobre esta solución verter gota a gota y agitando, agua destilada hasta virar completamente al color rosado. A continuación añadir gota a gota cloruro en isopropanol, agitando, hasta que el color rosado vire completamente a azul. En un experimento paralelo, la secuencia de las adiciones se invierte; es decir, se empieza por añadir “cloruro” a 1 ml de la solución rosada, seguida por la adición de agua. Analizar lo observado en términos de reacciones químicas, usando sólo los nombres de las sustancias implicadas (sustancia rosada, sustancia azul, agua y cloruro).

1. Equilibrio químico

A cada uno de 2 tubos de ensayo añadir 1 ml de solución rosada. Virar el color rosado a azul poniendo uno de los tubos en agua caliente (aproximadamente 80ºC). A continuación, llevar los tubos de ensayo a un baño de agua que está a una temperatura intermedia (55ºC). Ahora, discuta la composición de estas dos soluciones y la condición o no de equilibrio químico.

APLICACIONES DEL PRINCIPIO DE LE CHATELIER

PARTE 2

OBJETIVOS

Comprobar las diversas formas de desplazar el estado de equilibrio de las reacciones químicas a través de:

1. Aumento o disminución de la temperatura.
2. Aumento o disminución de la concentración de una especie.
3. Variación de la fuerza iónica.

MARCO TEÓRICO

El valor de la constante de equilibrio, en cualquiera de los posibles estados de equilibrio de una reacción química reversible, es el mismo a temperatura constante. Es posible inducir una transición hacia un nuevo estado de equilibrio, cambiando  la concentración de reactivos o de productos. Por ejemplo, si el equilibrio en solución acuosa:

[pic 1]

Está muy desplazado hacia la izquierda es de color amarillo; si está desplazado a la derecha, el color es naranja, dicho desplazamiento puede ser generado con la adición de una ácido o una base.

Se puede imaginar ahora, el efecto de añadir  al equilibrio cromato-dicromato, si se tiene en cuenta que el ion  reacciona con el  para formar el precipitado , cuya solubilidad es mucho menor que la del  , por lo que este último no precipita.[pic 2][pic 3][pic 4][pic 5][pic 6]

Una transición hacia un estado diferente de equilibrio, no necesariamente se puede lograr añadiendo una especie que sea común a uno de los componentes de la reacción. Por ejemplo, si al equilibrio

[pic 7]

Se añade  (un electrolito), a medida que esto ocurra, el complejo  rojo se disocia (disminuye su concentración) y el color se desvanece en forma notable. En este caso, la transición es consecuencia del incremento de la fuerza iónica de la solución; incremento debido al efecto de añadir un electrolito al sistema en equilibrio.[pic 8][pic 9]

La fuerza iónica es una propiedad de la solución. Esta cantidad se define como  donde ,,… representan las concentraciones molares de los iones A, B, … y , ,… son sus cargas.[pic 10][pic 11][pic 12][pic 13][pic 14]

REACTIVOS Y EQUIPO

•  sólidos y .[pic 15][pic 16]
• , solución acuosa saturada de . Estas soluciones deben estar dispuestos en frascos cuentagotas (goteros) 5 ml de cada solución son suficientes. Además, 75 ml de  1mm (al preparar esta solución a partir de , se deben añadir 2 gotas de  concentrado al agua para impedir la precipitación del ion ) y 75 ml de  o de  1,5 mM.[pic 17][pic 18][pic 19][pic 20][pic 21][pic 22][pic 23][pic 24]

PROCEDIMIENTO A

1. Rotule seis tubos de ensayo (deben estar limpios y secos). A tres de ellos añada una mínima cantidad de ; a cada uno de los otros tres, añada una mínima cantidad de . Disuelva las sales con 3 ml de agua desionizada; reporte del color de cada solución.[pic 25][pic 26]

1. Seleccione las soluciones de . A una de ellas adicione tres gotas de, y con agitación suave observe si nota algún cambio y reporte el resultado. A otra de ellas adicione tres gotas de, y con agitación suave observe si nota algún cambio y reporte el resultado. Deje el tercer tubo como referencia del color.[pic 27][pic 28][pic 29]

1. Seleccione ahora las soluciones de K2Cr2O7.  A una de ellas añada NaOH, en la misma forma del procedimiento anterior, hasta notar un cambio en el color.  A otra añada HCl(ac), observe si nota algún cambio de color y reporte el resultado. Deje el tercer tubo como referencia del color.

Nota: Conserve todas estas soluciones.

1. Mezcle todas las soluciones resultantes de los procedimientos anteriores en un beaker de 50 mL y observe el color. A un tubo de ensayo añada 1 mL de esta disolución  y diluya lentamente con suficiente agua desionizada. Observe si nota algún cambio repórtelo.

1. A cada uno de dos tubos de ensayo, añada una mínima cantidad de K2CrO4 y de K2Cr2O7 respectivamente. Disuelva estos reactivos con 3 mL de agua desionizada. A cada una de estas soluciones añada gota a gota, agitando suavemente, Ba(NO3)2(ac) y observe si nota algún cambio en las soluciones; reporte los resultados. Conserve estas mezclas.

1. A la mezcla de K2CrO4 - Ba(NO3)2(ac), preparada en la etapa 5, añada gota a gota, agitando suavemente, HCl(ac). Observe y anote los resultados. Repita este procedimiento con la mezcla de K2CrO7 - Ba(NO3)2(ac); pero añadiendo ahora, NaOH(ac).

PROCEDIMIENTO B

1. En un tubo de ensayo mezcle 2 mL de cada una de las soluciones de FeCl3  y KSCN. Seleccione dos tubos de  ensayo de igual diámetro; vierta en cada uno de ellos igual volumen de la mezcla.  La mezcla, en uno de los tubos, servirá de referencia para comparar los cambios en la intensidad del color, cuando a uno de los otros dos tubos se añade lentamente y agitando, cristales de KSCN; y al otro, en la misma forma, cristales de KNO3.

CUESTIONARIO

1. ¿Las reacciones químicas pueden ser reversibles; esto es, un cambio en las condiciones experimentales puede resultar en la conversión de A y B en C y D; y, viceversa? Explique.

1. Cuando una reacción química se realiza, se intercambia energía (usualmente calor) con los alrededores; en este contexto, se dice que la reacción es endotérmica si absorbe calor, y, exotérmica si libera calor. ¿Cómo clasificaría a la formación de las sustancias azul y rosada?

1. ¿Las reacciones químicas siempre proceden hasta la conversión completa; es decir, hasta que unos de los reactivos (el reactivo límite) es agotado? ¿Sí o no?

1. Los resultados del experimento número 3, ¿confirman que las dos sustancias, la rosada y la azul, están presentes allí y en concentraciones constantes?; ¿confirman la existencia de un equilibrio?; ¿es la velocidad de formación de la sustancia azul igual a la de la formación de la sustancia rosada?

1. El equilibrio:

Sustancia rosada + cloruro ⇌ Sustancia azul + agua

¿Existe ya sea en la solución rosada o en la azul?

1. Con base en el principio de Le Chatelier y en los cambios observados, explique la dirección del desplazamiento del equilibrio:

2CrO42-(ac) +  2H3O+(ac)   ⇔  Cr2O7 2-(ac) + 3H2O(l)

cuando se agrega HCl(ac) , NaOH(ac), Ba(NO3)2(ac). Represente para todos los casos, los estados inicial y final del equilibrio respectivo, con base en el tamaño de letra de las formulas que representan a los reactivos y productos.

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