QUIMICA INDUSTRIAL -I seccin U 2015 1

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERAFacultad de Ingeniera Industrial y de Sistemas

LABORATORIO N 03 EQUILIBRIO QUMICO

Curso: Qumica Industrial ISeccin: CB 221 UAlumnos: Profesora: Ing. Petra Rondinel Pineda

2015 1

I. OBJETIVOS

a) Estudiar algunas reacciones en las que se observa reversibilidad apreciable y con las posibilidades de controlar la extensin de la misma.b) Determinacin cuantitativa de las especies presentes en un sistema en equilibrio.c) Bsqueda de una expresin matemtica que relacione las cantidades de las especies presentes en el equilibrio.

II. FUNDAMENTO TERICOEn un proceso qumico, el equilibrio qumico es el estado en el que las actividades qumicas o las concentraciones de los reactivos y los productos no tienen ningn cambio neto observable en el tiempo. Generalmente, en el equilibrio qumico es en donde se produce cuando el proceso qumico evoluciona hacia adelante en la misma proporcin que su reaccin inversa. La velocidad de reaccin de las reacciones directa e inversa por lo general no son cero, pero, si ambas son iguales, no hay cambios netos en cualquiera de las concentraciones de los reactivos o productos.El equilibrio qumico se produce siempre que dos cambios exactamente opuestos ocurren a la misma velocidad dentro de un sistema cerrado. Por ejemplo, suponga que se desarrollan la reaccin siguiente:A + B C + DDonde; A, B, C y D representan distintas sustancias que se encuentran en la mezcla de reaccin Recuerde que la concentracin de las sustancias se expresan en mol/litro y se designan poniendo las frmulas correspondientes entre corchetes.Para la reaccin directa se puede escribirV1 = k1[A][B]Donde v1 es la velocidad de la reaccin directa y k1 es el factor de proporcionalidad denominando constante de velocidad de reaccinAnlogamente, la velocidad de la reaccin inversa (V2) se puede escribir como:v2 = k2 [C][D]A medida que se desarrolla la reaccin, la concentracin de las sustancias de la reaccin directa debe disminuir con el tiempo y la velocidad de la reaccin inversa debe aumentar a partir de cero. Al final ambas velocidades se igualan y durante el equilibrio: V1 = V2Sustituyendo en esta ecuacin los valores se tiene que: k1[A][B] = k2 [C][D]Reordenando trminos en la igualdad anterior se tiene:K2/K1 = ([C][D])/( [A][B])Y como la reaccin entre dos constantes es otra constante por tanto, la expresin anterior queda como:KC = ([C][D])/( [A][B])Cuando existen coeficientes estequiomtricos en la ecuacin qumica, las concentraciones de los reactantes y productos deben ser elevadas a una potencia igual a dichos coeficientes. Por ejemplo:

aA+bBcC+dD Kequil = [C]C [D]d [A]a [B]bPRINCIPIO DE LE CHATELIEREl Principio de la Chatelier o alteracin de la condicin de equilibrio, puede ser enunciado como sigue: Cuando un sistema en equilibrio est sujeto a una accin externa, el equilibrio se desplazar en la direccin que tiende a disminuir dicha accin. El Principio de le Chatelier, es aplicable a un sistema en equilibrio qumico y establece que un sistema cerrado en desequilibrio momentneo, responde para poder contrarrestar una perturbacin, tales como un cambio de concentracin, presin, temperatura, etc. La determinacin de las concentraciones de las sustancias coloreadas se puede calcular con la intensidad de color de dicha sustancia. Si se observa atentamente, un recipiente de vidrio conteniendo un lquido coloreado, como una infusin de t, se comprobar que la intensidad del color, mirando a travs de las paredes laterales es menor que la intensidad de color que se aprecia mirando desde la superficie hacia el fondo. Esto es as porque la intensidad del color depende de la concentracin de la sustancia coloreada y del espesor de la disolucin. As, 1cm. de espesor de una solucin coloreada 1M, aparecer con la misma intensidad de color que un espesor de 2cm. de una solucin 0.5M de la misma sustancia. La concentracin de dos disoluciones puede compararse, variando sus espesores relativos, hasta que la intensidad de color sea la misma. La relacin de la concentracin es inversa a la relacin de los espesores.Relacin = Altura del estandar operado Altura de solucin a compararObsrvese que este mtodo suministra solamente valores relativos para las concentraciones. Para conseguir valores absolutos, debe emplearse una solucin estndar de concentracin conocida.Un sistema en equilibrio que se estudiar ser la reaccin: Fe+3(aq) + SCN(aq) FeSCN+2(aq)Las concentraciones en el equilibrio estarn expresadas por:[FeSCN+2] (Relacin de alturas)(Concentracin del estndar)[Fe+3]e=[Fe+3 ]0 - [FeSCN+2]e[SCN]e=[SCN]0 - [FeSCN+2]eCon las concentraciones en el equilibrio se hallar la expresin matemtica que los relacione dando el valor de la constante de equilibrio del sistema.KC =([FeSCN+2]e) /([Fe+3]e[SC]e)

III. DIAGRAMAS O ESQUEMAS DEL PROCESOExperimento 1: Coloque 5 ml de Tiocianato potsico( KSCN 0.001M) a cada uno de ellos

Tubo n4Tubo n3Tubo n5Tubo n2Tubo n1

0.1 ml Fe(NO3)3, 0.2 M y 4.9 ml de H2O 0.3 ml Fe(NO3)3, 0.2 M y 4.7 ml de H2O 0.8 ml Fe(NO3)3, 0.2 M y 4.2 ml de H2O aada 5ml de Fe(NO3)3, 0.2 M. Este tubo ser empleado como estandar2ml de Fe(NO3)3, 0.2 M, y 3ml de H2O

Envuelva lateralmente con una tira de papel oscuro los tubos 1 y 2. Observe verticalmente de arriba hacia abajo en la luz.Si las intensidades de color son iguales mida la altura, sino retire parte de la solucin del tubo estndar hasta que sean iguales y mida la altura

Repita las operaciones con los tubos 1y 3; 1 y 4 y finalmente 1 y 5.

Experimento 2: Coloque 5 gotas de cada solucin en 2 tubos de ensayo.Colocar 3ml K2CrO4, 0.1M, y en otro tubo 3ml de K2Cr2O7 0.1M.Observe el color de cada solucin y anote

Luego agregue gota a gota NaOH (0.1M) a cada tubo hasta que observe un cambio de colorLuego agregue gota agota HCl (0.1M) a cada tubo hasta que observe un cambio de color.

Aadir NaOH (0.1M) gota a gota hasta que observe algn cambio

Aadir HCl (0.1M) gota a gota hasta que observe algn cambio

Experimento 3:Aada gota a gota HCl, 1M hasta que observe un cambioPonga 10 gotas de K2CrO4,0.1M en un tubo aada dos gotas de NaOH 1M. Luego gota a gota Ba(NO3)2 , 0.1M.

Aada gota a gota NaOH, 1M hasta que observe un cambioEn otro tubo ponga 10 gotas de K2Cr2O7,0.1M en un tubo aada dos gotas de HCl, 1M. Luego gota a gota Ba(NO3)2 , 0.1M.

Aada unas gotas de Ba(NO3)2, 0.1 M a cada uno. Observe los resultados y anotePonga 10 gotas de K2CrO7, 0.1M, en un tubo y 10 gotas de K2CrO4,0.1M.

IV. DATOS EXPERIMENTALES

Experimento 1: Determinacin de la constante de equilibrio a partir del sistema en equilibrioTUBO0.2M Fe(NO3)0.001M SCNH2O

15ml5-

22ml53

30.8ml54.2

40.3ml54.7

50.1ml54.9

SOLUCION COMPARABLE2345

Altura6.84.94.42.8

Altura Estndar7.37.37.37.3

V. CLCULOS Y RESULTADOSExperimento 1: Determinacin de la constante de equilibrio a partir del sistema en equilibrioConsideramos que: [SCN-] =0.001M para todos los dems tubos.Hallando la concentracin del FeSCN+2Segn lo indicado en clase; consideramos al SCN- como el reactivo limitante:[FeSCN+2]1 = 5ml (0.001M)/ (5ml+5ml) = 5x10-4 en el tubo estndar(n1)Para hallar la concentracin del tiocianato de hierro (III) en el equilibrio. [FeSCN+2]2 = (H2/H1) x [FeSCN+2]1 = 4.6575 x10-4en el tubo 2 [FeSCN+2]3 = (H3/H1) x [FeSCN+2]1 = 3.3562 x10-4en el tubo3 [FeSCN+2]4 = (H4/H1) x [FeSCN+2]1 = 3.0137 x10-4en el tubo 4 [FeSCN+2]5 = (H5/H1) x [FeSCN+2]1 = 1.9178 x10-4en el tubo 5Hallando la constante de equilibrio para cada caso:Para este propsito, necesitamos hallar la nueva [Fe+3] para cada tubo:Podemos deducir lo siguiente: [Fe+3]i = Mi x Vi / VT VT = 10ml y Mi= 0.2MLuego con la tabla de los datos experimentales calculamos lo siguiente:[Fe+3]1= 0.1Men el tubo 1[Fe+3]2 = 0.04 M..en el tubo 2[Fe+3]3 = 0.016 Men el tubo 3[Fe+3]4 = 0.006 M..en el tubo 4[Fe+3]5 = 0.002 Men el tubo 5Para poder encontrar la Keq tenemos que reemplazar los valores hallados en:Keq = [FeSCN+2]i /([Fe+3]i-[FeSCN+2]i)x([SCN-]i -[FeSCN+2]i)Reemplazando se obtiene: Keq1=10.05 Keq2=22.05 Keq3=32.25 Keq4=75.70 Keq5=131.23Experimento 2: Estudio del sistema en equilibrio, In CromatoCompuestoColorCompuestoColor

KrCrO4AmarilloKCr2O7Anaranjado

KCrO4 + NaOHAmarilloKCrO4 + NaOHAmarillo

(KCrO4 + NaOH) + HClAnaranja(KCrO4 + NaOH) + HClAnaranjado

KrCrO4AmarilloKCr2O7Anaranjado

KCrO4 + NH4OHAmarilloKCr2O7 + NH4OHAmarillo

(KCrO4 + NH4OH) + CH3COOHAnaranjado(KCr2O7 + NH4OH) + HClAnaranjado

Experimento 3: Estudio del equilibrio del cromato de bario con una solucin saturada de iones1) K2CrO4 0.1M + NaOH 1M-se observa un color amarillo de baja intensidad K2CrO4 0.1M + NaOH 1M + Ba(NO3)2 0.1M -Precipitado de color amarillo ms vistoso K2CrO4 0.1M + NaOH 1M + Ba(NO3)2 0.1M + HCl gota a gota-Hay un cambio de color hacia el anaranjado2) K2CrO4 0.1M - color amarillo K2CrO4 0.1M + Ba(NO3)2 0.1M gota a gota-No hay cambio de color3) K2Cr2O7 0.1M + HCl 1M-se observa un color naranja de baja intensidad K2Cr2O7 0.1M + HCl 1M + Ba(NO3)2 0.1M -Precipitado de color anaranjado ms vistoso K2Cr2O7 0.1M + HCl 1M + Ba(NO3)2 0.1M + NaOH gota a gota-Hay un cambio de color hacia el amarillo4) K2Cr2O4 0.1M - color anaranjado K2Cr2O7 0.1M + Ba(NO3)2 0.1M gota a gota-No hay cambio de color

VI. OBERVACIONESExperimento 1: Se aprecia que la intensidad de color depende mucho de la concentracin de la mezcla.

Tambin se observ que el color del conjunto de los tubos es rojo grosella.

Experimento 2: Se aprecio que los colores de cada mezcla al final resultaban anaranjado. Se pudo apreciar que la reaccin entre un cido y una base conllevan a la neutralizacin.

Experimento 3: Por el hecho de trabajar con cidos y bases dbiles los cambios de coloracin que se produjeron fueron de manera opaca en comparacin con las del experimento #2 que se realiz con cidos y bases fuertes.

se pudo apreciar la aparicin de precipitados en gran parte de las soluciones finales obtenidas.

K2Cr2O7, 0.1M + Ba(NO3)2 0.1M se observa que la solucin es soluble

K2CrO4, 0.1M + Ba(NO3)2 0.1M se observa que no es soluble ya que se forma un precipitado.

VII. CUESTIONARIO

1. Cul ser la concentracin inicial de Fe+3 (aq) en el tubo No2?Por lo visto en la seccin de clculos la concentracin en el tubo 2 ser de: [Fe+3]2 = 0.2 M , en vaso, luego se agrega en el tubo n 2 0.2M.(2/10) = 0.04M2. Cul ser la concentracin en el equilibrio del ion FeSCN+2 (aq) en el tubo No3? [FeSCN+2]3 = (H3/H1) x [FeSCN+2]1 = 3.3562 x10-4M3. Cul ser la concentracin en el equilibrio del ion SCN- (aq) en el tubo No4?La concentracin del ion SCN- (aq) en cualquier tubo siempre ser la misma: 0.001M 4. Calcular el valor de la constante de equilibrio, Kc, del sistema estudiado. Keq1=10.05 Keq2=22.05 Keq3=32.25 Keq4=75.70 Keq5=131.235. Aadiendo Iones H+ y molculas de agua al miembro adecuado de la ecuacin, balancear la ecuacin.2CrO4 =(aq) Cr20 =(aq)2CrO4 (aq) Cr207(aq)2CrO4= (aq)+ 2 H+ Cr207= (aq) + H2O(l)6. Aadiendo Iones OH y molculas de agua al miembro adecuado de la reaccin, balancear la ecuacin.2CrO4 =(aq) Cr207 =(aq)7

2CrO4= (aq) Cr207= (aq)2CrO4= (aq) + H2O(l) Cr207= (aq) + 2OH- 7. Qu conclusiones pueden deducirse de las preguntas 5 y 6 con respecto a su dependencia de los Iones H y OH?-Se concluye que no depende si se balancean en medio cidos o bsicos.- por cada molecula de Cr207= (aq) se obtiene una de agua.8. La constante de equilibrio, kc para la reaccin en fase gaseosa es de 0.5 a determinada temperatura.HCHO (g) H2(g) + CO(g) A determinar temperatura. Se introduce una mezcla de HCHO, H2 y CO a un matraz a esta temperatura. Transcurrido cierto tiempo, el anlisis de una pequea muestra del matraz indica las siguientes concentraciones HCHO = 0.50MH2 = 1.50M y CO = 0.25M. Indique si cada una de las siguientes afirmaciones es verdadera (V) o falsa (F).a. La mezcla del matraz est en equilibrioPara determinar si la mezcla esta en equilibrio las concentraciones de cada una de sus componentes deben estar en una relacin proporcional a los coeficientes de su ecuacin de equilibrio qumico.HCHO (g) H2(g) + CO(g)Observamos que las concentraciones que nos dan de dato no estn en la relacin de 1 que deberan estar para que la mezcla este en equilibrio.Por lo tanto la proposicin a es (F)b. La mezcla del matraz no est en equilibrio y ya no se producir reaccin alguna.Esta proposicin es falsa debido a que en toda mezcla que no esta en equilibrio el sistema buscara el equilibrio qumico de una u otra forma y en este caso existe un exceso de H2

c. La mezcla del matraz est en equilibrio, pero el HCHO seguir descomponindose.

La mezcla no se encuentra en equilibrio pero no se descompondr el HCHO, hasta que aumente en concentracin debido al exceso de concentracin de H2 (F)

d. La velocidad de reaccin hacia la derecha es igual a la velocidad hacia la izquierda.

Sabemos que las velocidades en un situacin de equilibrio son iguales pero en la situacin del problema tenemos una mezcla que no se encuentra en equilibrio por lo que no existir esa igualdad de velocidades. (F)9. Si se introducen 1.35 moles de hidrogeno y 0.493 moles de iodo en una vaso de reaccin de un litro de capacidad y se calienta a 454C cunto ser el valor de la constante de equilibrio a esa temperatura, sabiendo que a la concentracin de vapor de yoduro de hidrogeno, HI, en equilibrio es de 9.45/100 (mol/L) H2(g) + I2(g) 2HI(g)Fase inicial: 1.35mol 0.493mol 0 molFase de equilibrio: (1.35-x) mol (0.493-x) mol 2xPero por dato en el equilibrio 2x= 9.45/100)(mol/L) x= 4.725/100(mol/L)Por la relacin kc = [HI(g)/][H2(g)][I 2(g)]Entonces kc= 2*4.725*10-2/(1.35-x)(0.493-x) kc=0.015610. Para la siguiente reaccin en equilibrio 2NO(g) + O2(g) 2NO2(g) el valor de la constante de equilibrio kc es 6.43x105 a 200C. Si la concentracin en el equilibrio del NO(g) es 3.04x10-4 moles/L y la concentracin de 02(g) es 0.606 moles/L. Cul ser la concentracin del NO2(g).Kc = 6.43 .10-5Kc = Kc = 6.43 .105 = 3.04x mol/L= 0.606 mol/L [NO2] = 10.8837mol/litro.11. A 375K, el valor de Kp de la reaccin: SO2Cl2(g) Cl2(g) + SO2(g) es 2.4 cuando las presiones se expresan en atm. Supngase que se colocan 6.7g de SO2CL2(g) en un baln de 1L y se aumenta la temperatura a 375 K. Cul ser la presin del SO2CL2(g) si nada de l se disociara? En el equilibrio cules son las presiones del SO2CL2(g), CL2(g) y SO2(g).El balon contiene V=1L SO2Cl2 = 6.7g ;si no se disocia se cumple P SO2Cl2 = P1 P1 V = RTn P1=1.5atm SO2Cl2(g) Cl2(g) + SO2(g) 1.5-X X X Kp = [X] [X]/ [1.5-X] = 2.4 X= 1.045PSO2Cl2 = 0.455atmP CL2 =1.045 atmP SO2 =1.045atm

12. Halle las presiones del SO2CL2(g), CL2(g) y SO2(g) en un baln de 1L. a 375K, al cual se ha agregado 6.7 g de SO2CL2 y 1 atm de Cl2. Emplee los datos del problema anterior. Compare sus resultados con el problema anterior, y diga si ellas son compatibles con el principio de Le Chatelier.

SO2Cl2 (g) Cl2(g) + SO2(g)

1.5-X 1+XX Kp = [X] [1+X] /[1.5 -X] =2.4 X=0.84atmPCl2 = 1.84atmPSO2Cl2 = 0.65atmSe cumple el principio de Le Chatelier pues el equilibrio se desplaza para anular el efecto externo.VIII. CONCLUSIONES En el experimento #1 se puedo apreciar que la constante de equilibrio de cada reaccin es diferente debido a que hacemos variar la concentracin de los productos y reactantes. La concentracin no solamente depende de la intensidad de color sino tambin de la altura de la sustancia. Con el nico que reacciona el cromato es el ion H+ (acido) producindose despus de la reaccin el dicromato. Toda reaccin entre un cido y una base conllevan a la neutralizacin de ambas quedando ni base ni acido. En el experimento #3 se observa que se producen precipitados en el tubo que contiene al dicromato de potasio y al cromato de potasio y como el dicromato de potasio contiene a los iones bario y cromato entonces podemos concluir que el cromato est presente en ambas soluciones.

IX. RECOMENDACIONES

Toda prueba realizada en laboratorio debe ser repetida por lo menos 2 veces si no se obtuviesen resultados muy cercanos deber hacerse una tercera necesariamente. Al momento de hacer las comparaciones de concentraciones utilizando la luz blanca (fluorescente), cubrir cada uno de los tubos en todo el dimetro de su borde con el papel de color negro (calca). En el experimento 2 enumerar cada tubo y no caer en confusiones. De ser necesario aadir mas gotas en los tubos de ensayo ya que al final los resultados no varian.

X. REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS

Castellan, G,W. (1987) Fisicoqumica 2da Ed Addison Wesley http://es.wikipedia.org/wiki/Equilibrio_qu%C3%ADmico www.mcgraw-hill.es/bcv/guide/capitulo/844816962X.pdf http://www.uia.mx/campus/publicaciones/quimanal/pdf/4equilibrioquimico.pdf

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