Ejercicio resuelto de Principio de Chatelier · Química · 2020

PREGUNTA 3

3.1. Para la reacción en equilibrio: $\mathrm{N_{2(g)}} + 3\,\mathrm{H_{2(g)}} \rightleftarrows 2\,\mathrm{NH_{3(g)}}$ $\Delta H^\circ < 0$; explique razonadamente como se desplazará el equilibrio si se añade $\mathrm{H_{2(g)}}$.
3.2. Empleando la teoría de repulsión de pares de electrones de la capa de valencia (TRPECV) razone cuál será la geometría y la polaridad de las moléculas $\mathrm{BeI_2}$ y $\mathrm{CHCl_3}$.

$\textbf{3.1. Para la reacción en equilibrio } \boldsymbol{\mathrm{N_2(g)} + 3\,\mathrm{H_2(g)} \rightleftharpoons 2\,\mathrm{NH_3(g)}} \textbf{, con } \boldsymbol{\Delta H^\circ < 0} \textbf{, explique razonadamente cómo se desplazará el equilibrio si se añade H}_2\textbf{(g). (1 punto)}$

Al añadir hidrógeno aumenta la concentración de uno de los reactivos, con lo que el cociente de reacción se hace menor que la constante:

$Q = \dfrac{[\mathrm{NH_3}]^2}{[\mathrm{N_2}]\,[\mathrm{H_2}]^3} \ < \ K_c$

Para recuperar la igualdad $Q = K_c$, el numerador tiene que crecer y el denominador disminuir, es decir, el sistema evoluciona $\textbf{hacia la derecha}$: se consume parte del hidrógeno añadido junto con nitrógeno, y se forma más amoníaco.

Es exactamente lo que enuncia el principio de Le Chatelier: cuando se perturba un sistema en equilibrio aumentando la concentración de una sustancia, el equilibrio se desplaza en el sentido que la consume.

Conviene precisar tres cosas:

i) El valor de $K_c$ $\textbf{no cambia}$. Solo depende de la temperatura, y esta no se ha modificado.

ii) La cantidad final de hidrógeno será mayor que antes de la adición, aunque menor que justo después de añadirlo: el sistema amortigua la perturbación, no la anula.

iii) El dato $\Delta H^\circ < 0$ no interviene aquí, porque la temperatura no varía; sería el relevante si la perturbación fuese térmica. Al ser la reacción exotérmica, un aumento de temperatura desplazaría el equilibrio hacia los reactivos, disminuyendo el rendimiento en amoníaco.

Este es precisamente el compromiso del proceso Haber-Bosch: interesa trabajar a temperatura baja por el equilibrio, pero entonces la reacción es demasiado lenta, de modo que en la práctica se usa una temperatura intermedia, presiones altas —que favorecen el lado con menos moles de gas— y un catalizador de hierro.

$\textbf{3.2. Empleando la teoría de repulsión de pares de electrones de la capa de valencia (TRPECV) razone cuál será la geometría y la polaridad de las moléculas BeI}_2\textbf{ y CHCl}_3\textbf{. (1 punto)}$

$\textbf{Diyoduro de berilio}$, $\mathrm{BeI_2}$

El berilio pertenece al grupo 2 y aporta 2 electrones de valencia. Los emplea los dos en formar sendos enlaces simples con los yodos, y no le queda ningún par no enlazante. Es una excepción a la regla del octeto: se queda rodeado de solo 4 electrones.

$2\ \text{pares enlazantes} + 0\ \text{pares libres} = 2\ \text{zonas}$

Dos zonas de densidad electrónica se separan al máximo colocándose a 180°:

$\textbf{Geometría: lineal}$, $\mathrm{I-Be-I}$, con ángulo de 180°.

$\textbf{Polaridad: apolar.}$ Los enlaces Be-I son polares, porque el yodo es más electronegativo que el berilio, pero los dos momentos dipolares tienen igual módulo, la misma dirección y sentidos opuestos, así que se cancelan.

$\textbf{Triclorometano}$, $\mathrm{CHCl_3}$

El carbono aporta 4 electrones de valencia y los emplea todos: uno en el enlace con el hidrógeno y tres en los enlaces con los cloros. No le queda ningún par libre.

$4\ \text{pares enlazantes} + 0\ \text{pares libres} = 4\ \text{zonas}$

$\textbf{Geometría: tetraédrica}$, aunque no es un tetraedro regular: los cloros, más voluminosos, se repelen más entre sí, de modo que el ángulo Cl-C-Cl es algo mayor de 109,5° y el H-C-Cl algo menor.

$\textbf{Polaridad: polar.}$ Los tres enlaces C-Cl son claramente polares y el C-H es casi apolar. Al no ser los cuatro sustituyentes iguales, no hay simetría que cancele nada: la suma de los tres dipolos C-Cl da una resultante que el pequeño dipolo C-H no compensa.

$\vec\mu_{\text{total}} \neq \vec 0$

La comparación entre ambas es el sentido del apartado: las dos tienen enlaces polares, pero solo la simetría del $\mathrm{BeI_2}$ hace que la molécula entera sea apolar.