Ejercicio resuelto de Principio de Chatelier · Química · 2024

Dada la reacción $4{\text{NH}}_3(g)+3{\text{O}}_2(g)\rightleftharpoons 2{\text{N}}_2(g)+6{\text{H}}_2\text{O}(l)$, con $\mathrm{\Delta }{H}^o=-80\text{ kJ}$:

a) Razone cómo tendría que modificarse la temperatura para aumentar la proporción de nitrógeno molecular una vez alcanzado el equilibrio. [0,5 puntos]

b) Razone cómo tendría que modificarse la presión para aumentar la proporción de nitrógeno molecular una vez alcanzado el equilibrio. [0,5 puntos]

c) Explique, alcanzado el equilibrio, cómo influiría la inyección extra de oxígeno. [0,5 puntos]

d) Explique cómo influiría en el equilibrio el que se fuera retirando agua del reactor a medida que se forma. [0,5 puntos]

$\mathbf{\text{a)}}\mathbf{\text{Razone}}\mathbf{\text{c}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{mo}}\mathbf{\text{tendr}}\acute{\mathbf{\text{ı}}}\mathbf{\text{a}}\mathbf{\text{que}}\mathbf{\text{modificarse}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{temperatura}}\mathbf{\text{para}}\mathbf{\text{aumentar}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{proporci}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{nitr}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{geno}}\mathbf{\text{molecular}}\mathbf{\text{una}}\mathbf{\text{vez}}\mathbf{\text{alcanzado}}\mathbf{\text{el}}\mathbf{\text{equilibrio.}}\mathbf{\text{[0,5}}\mathbf{\text{puntos]}}$

Hay que $\mathbf{\text{disminuir}}$ la temperatura.

La reacción directa es exotérmica, porque $\mathrm{\Delta }{H}^o=-80$ kJ es negativo. Puede escribirse el calor como si fuera un producto más:

$4\mathrm{N}{\mathrm{H}}_3(\mathrm{g})+3{\mathrm{O}}_2(\mathrm{g})\rightleftharpoons 2{\mathrm{N}}_2(\mathrm{g})+6{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}(\mathrm{l})+80\text{ kJ}$

Según el principio de Le Chatelier, al enfriar el sistema este responde desplazándose en el sentido en que se desprende calor, es decir, hacia la derecha. Se forma más ${\mathrm{N}}_2$.

$\mathbf{\text{b)}}\mathbf{\text{Razone}}\mathbf{\text{c}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{mo}}\mathbf{\text{tendr}}\acute{\mathbf{\text{ı}}}\mathbf{\text{a}}\mathbf{\text{que}}\mathbf{\text{modificarse}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{presi}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{para}}\mathbf{\text{aumentar}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{proporci}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{nitr}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{geno}}\mathbf{\text{molecular}}\mathbf{\text{una}}\mathbf{\text{vez}}\mathbf{\text{alcanzado}}\mathbf{\text{el}}\mathbf{\text{equilibrio.}}\mathbf{\text{[0,5}}\mathbf{\text{puntos]}}$

Hay que $\mathbf{\text{aumentar}}$ la presión.

Lo único que cuenta al variar la presión son las especies $\mathbf{\text{gaseosas}}$, y aquí el agua se forma líquida, así que no entra en el recuento:

$\text{reactivos gaseosos: }4+3=7\text{ mol}\text{productos gaseosos: }2\text{ mol}$

$\mathrm{\Delta }{n}_{\text{gas}}=2-7=-5$

Un aumento de presión (por reducción del volumen) desplaza el equilibrio hacia el lado que ocupa menos volumen, o sea, hacia el que tiene menos moles de gas. Aquí ese lado es el de los productos, luego se favorece la formación de nitrógeno.

$\mathbf{\text{c)}}\mathbf{\text{Explique,}}\mathbf{\text{alcanzado}}\mathbf{\text{el}}\mathbf{\text{equilibrio,}}\mathbf{\text{c}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{mo}}\mathbf{\text{influir}}\acute{\mathbf{\text{ı}}}\mathbf{\text{a}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{inyecci}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{extra}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{ox}}\acute{\mathbf{\text{ı}}}\mathbf{\text{geno.}}\mathbf{\text{[0,5}}\mathbf{\text{puntos]}}$

Añadir oxígeno aumenta su concentración, con lo que el cociente de reacción se hace menor que la constante:

$Q=\frac{[{\mathrm{N}}_2{]}^2}{[\mathrm{N}{\mathrm{H}}_3{]}^4[{\mathrm{O}}_2{]}^3}<K_c$

El sistema evoluciona hacia la derecha para recuperar el valor de $K_c$: se consume parte del oxígeno añadido y del amoníaco y $\mathbf{\text{aumenta}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{cantidad}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{nitr}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{geno}}$. Es el resultado esperable: al añadir un reactivo, el equilibrio se desplaza hacia los productos.

Conviene subrayar que $K_c$ no cambia, porque solo depende de la temperatura; lo que cambia son las concentraciones.

$\mathbf{\text{d)}}\mathbf{\text{Explique}}\mathbf{\text{c}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{mo}}\mathbf{\text{influir}}\acute{\mathbf{\text{ı}}}\mathbf{\text{a}}\mathbf{\text{en}}\mathbf{\text{el}}\mathbf{\text{equilibrio}}\mathbf{\text{el}}\mathbf{\text{que}}\mathbf{\text{se}}\mathbf{\text{fuera}}\mathbf{\text{retirando}}\mathbf{\text{agua}}\mathbf{\text{del}}\mathbf{\text{reactor}}\mathbf{\text{a}}\mathbf{\text{medida}}\mathbf{\text{que}}\mathbf{\text{se}}\mathbf{\text{forma.}}\mathbf{\text{[0,5}}\mathbf{\text{puntos]}}$

$\mathbf{\text{No}}\mathbf{\text{influir}}\acute{\mathbf{\text{ı}}}\mathbf{\text{a}}$, y esa es la particularidad de este equilibrio.

El agua se forma como $\mathbf{\text{l}}\acute{\mathbf{\text{ı}}}\mathbf{\text{quido}}\mathbf{\text{puro}}$, y un sólido o un líquido puros no aparecen en la expresión de la constante: su concentración (moles por unidad de volumen de la propia sustancia) es fija a cada temperatura y ya está incorporada al valor de $K_c$. Por eso la constante se escribe

$K_c=\frac{[{\mathrm{N}}_2{]}^2}{[\mathrm{N}{\mathrm{H}}_3{]}^4[{\mathrm{O}}_2{]}^3}$

sin el agua. Retirar parte del agua líquida no altera ningún término del cociente y el equilibrio no se desplaza, siempre que quede algo de agua en el reactor.

Distinto sería si el agua se formase en estado vapor: entonces sí figuraría en $K_c$ y retirarla desplazaría el equilibrio hacia la derecha.