15.4: Equilibrios heterogéneos

                 

 

Objetivos de aprendizaje

 

     
• Comprender cómo las diferentes fases afectan los equilibrios.

 

 

 

Cuando los productos y reactivos de una reacción de equilibrio forman una sola fase, ya sea gaseosa o líquida, el sistema es un equilibrio homogéneo. En tales situaciones, las concentraciones de los reactivos y productos pueden variar en un amplio rango. Por el contrario, un sistema cuyos reactivos, productos o ambos están en más de una fase es un equilibrio heterogéneo, como la reacción de un gas con un sólido o líquido.

 

Como se señaló en la sección anterior, la expresión constante de equilibrio es en realidad una relación de actividades. Para simplificar los cálculos en los cursos de química general, la actividad de cada sustancia en la reacción a menudo se aproxima utilizando una relación de la molaridad de una sustancia en comparación con el estado estándar de esa sustancia. Para sustancias que son líquidas o sólidas, el estado estándar es solo la concentración de la sustancia dentro del líquido o sólido. Debido a que las concentraciones molares de líquidos y sólidos puros normalmente no varían mucho con la temperatura, la relación de la molaridad al estado estándar para sustancias que son líquidos o sólidos siempre tiene un valor de 1. Por ejemplo, para un compuesto como CaF [ 19459011] 2 (s), el término que entra en la expresión de equilibrio es [CaF ₂ ] / [CaF ₂ ] que cancela a la unidad. Por lo tanto, cuando las actividades de los sólidos y líquidos (incluidos los solventes) se incorporan a la expresión de equilibrio, no cambian el valor.

 

Considere la siguiente reacción, que se utiliza en la cocción final de algunos tipos de cerámica para producir esmaltes metálicos brillantes:

 

[ ce {CO2 (g) + C (s) rightleftharpoons 2CO (g)} label {Eq14.4.1} ]

 

El esmalte se crea cuando el producto reduce los óxidos metálicos a metales, el monóxido de carbono. La expresión constante de equilibrio para esta reacción es la siguiente:

 

[K = dfrac {a _ { ce {CO}} ^ 2} {a _ { ce {CO2}} a_ {C}} = dfrac {[ ce {CO}] ^ 2} { [ ce {CO2}] [1]} = dfrac {[ ce {CO}] ^ 2} {[ ce {CO_2}]} label {Eq14.4.2} ]

 

La constante de equilibrio para esta reacción también se puede escribir en términos de las presiones parciales de los gases:

 

[K_p = dfrac {(P_ {CO}) ^ 2} {P_ {CO_2}} label {Eq14.4.3} ]

 

La incorporación de todos los valores constantes en (K ′ ) o (K_p ) nos permite centrarnos en las sustancias cuyas concentraciones cambian durante la reacción.

 

Aunque las actividades de los líquidos o sólidos puros no están escritas explícitamente en la expresión de equilibrio constante, estas sustancias deben estar presentes en la mezcla de reacción para que ocurra el equilibrio químico. Cualesquiera que sean las concentraciones de ( ce {CO} ) y ( ce {CO_2} ), el sistema descrito en la ecuación ( ref {Eq14.4.1} ) alcanzará el equilibrio químico solo si una cantidad estequiométrica de Se ha agregado carbono sólido o carbono sólido en exceso, de modo que todavía hay algo presente una vez que el sistema ha alcanzado el equilibrio. Como se muestra en la Figura ( PageIndex {1} ), no importa si está presente 1 go 100 g de carbono sólido; En cualquier caso, la composición de los componentes gaseosos del sistema será la misma en equilibrio.

 

 

 

Ejemplo ( PageIndex {1} )

 

Escribe cada expresión para (K ), incorporando todas las constantes y (K_p ) para las siguientes reacciones de equilibrio.

 

     
1. ( ce {PCl3 (l) + Cl2 (g) <=> PCl5 (s)} )

     

2. ( ce {Fe3O4 (s) + 4H2 (g) <=> 3Fe (s) + 4H2O (g)} )

 

 

Dado : ecuaciones de equilibrio equilibrado

 

Preguntado por : expresiones para (K ) y (K_p )

 

Estrategia :

 

Encuentre (K ) escribiendo cada expresión de equilibrio constante como la razón de las concentraciones de los productos y reactivos, cada uno elevado a su coeficiente en la ecuación química. Luego exprese (K_p ) como la relación de las presiones parciales de los productos y reactivos, cada uno también elevado a su coeficiente en la ecuación química.

 

Solución:

 

Esta reacción contiene un sólido puro ( (PCl_5 )) y un líquido puro ( (PCl_3 )). Sus actividades son iguales a 1, por lo que cuando se incorporan a la expresión constante de equilibrio, no cambian el valor. Entonces

 

[K = dfrac {1} {(1) [Cl_2]}
onumber ]

 

y

 

[K_p = dfrac {1} {(1) P_ {Cl_2}}
onumber ]

 

Esta reacción contiene dos sólidos puros ( (Fe_3O_4 ) y (Fe )), a los que se les asigna un valor de 1 en las expresiones constantes de equilibrio:

 

[K = dfrac {(1) [H_2O] ^ 4} {(1) [H_2] ^ 4}
onumber ]

 

y

 

[K_p = dfrac {(1) (P_ {H_2O}) ^ 4} {(1) (P_ {H_2}) ^ 4}
onumber ]

 

 

 

Ejercicio ( PageIndex {1} )

 

Escribe las expresiones para (K ) y (K_p ) para las siguientes reacciones.

 

     
1. ( ce {CaCO3 (s) <=> CaO (s) + CO2 (g)} )

     

2. ( underset {glucosa} { ce {C6H12O6 (s)}} + ce {6O2 (g) <=> 6CO2 (g) + 6H2O (g)} )

 

 

     

Responda a

     

     

(K = [ ce {CO_2}] ) y (K_p = P _ { ce {CO_2}} )

     

     

Respuesta b

     

     

(K = dfrac {[CO_2] ^ 6 [H_2O] ^ 6} {[O_2] ^ 6} ) y (K_p = dfrac {(P_ {CO_2}) ^ 6 (P_ {H_2O }) ^ 6} {(P_ {O_2}) ^ 6} )

     

 

 

 

Para las reacciones llevadas a cabo en solución, se supone que el disolvente es puro y, por lo tanto, se le asigna una actividad igual a 1 en la expresión de equilibrio constante. Las actividades de los solutos se aproximan por sus molaridades. El resultado es que las expresiones de equilibrio constante parecen depender solo de las concentraciones de los solutos.

 

 

Las actividades de sólidos puros, líquidos puros y solventes se definen como que tienen un valor de ‘1’. A menudo, se dice que estas actividades están “excluidas” de las expresiones constantes de equilibrio. Este es un uso desafortunado de las palabras. Las actividades no quedan “excluidas” de las expresiones constantes de equilibrio. Más bien, debido a que tienen un valor de ‘1’, no cambian el valor de la constante de equilibrio cuando se multiplican junto con los otros términos. Las actividades de los solutos se aproximan por sus molaridades.