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 $\Delta H^{o} = -80\ \text{kJ}$:

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]

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

Hay que $\textbf{disminuir}$ la temperatura.

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

$4\,\mathrm{NH_3(g)} + 3\,\mathrm{O_2(g)} \rightleftharpoons 2\,\mathrm{N_2(g)} + 6\,\mathrm{H_2O(l)} + 80 \text{ kJ}$

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 $\mathrm{N_2}$.

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

Hay que $\textbf{aumentar}$ la presión.

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

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

$\Delta n_{\text{gas}} = 2 - 7 = -5$

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.

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

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

$Q = \frac{[\mathrm{N_2}]^2}{[\mathrm{NH_3}]^4\,[\mathrm{O_2}]^3} < K_c$

El sistema evoluciona hacia la derecha para recuperar el valor de $K_c$: se consume parte del oxígeno añadido y del amoníaco y $\textbf{aumenta la cantidad de nitrógeno}$. 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.

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

$\textbf{No influiría}$, y esa es la particularidad de este equilibrio.

El agua se forma como $\textbf{líquido puro}$, 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

$K_c = \frac{[\mathrm{N_2}]^2}{[\mathrm{NH_3}]^4\,[\mathrm{O_2}]^3}$

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.