Ejercicio resuelto de Principio de Chatelier · Química · 2023

Al calentar bicarbonato de sodio $(\text{NaHCO}_3)$ en un recipiente cerrado se establece el siguiente equilibrio:

$2\,\text{NaHCO}_3(s) \rightleftharpoons \text{Na}_2\text{CO}_3(s) + \text{H}_2\text{O}(g) + \text{CO}_2(g)$

Indique, razonadamente, cómo se afectaría la posición del equilibrio si, permaneciendo constante la temperatura:

a) Se retira $\text{CO}_2$ del sistema. [0,5 puntos]

b) Se adiciona $\text{H}_2\text{O}$ al sistema. [0,5 puntos]

c) Se retira parte de $\text{NaHCO}_3$ del sistema. [0,5 puntos]

d) Se aumenta la presión del sistema. [0,5 puntos]

Conviene fijar primero cuál es la constante de este equilibrio. El $\mathrm{NaHCO_3}$ y el $\mathrm{Na_2CO_3}$ son $\textbf{sólidos puros}$, y esos no aparecen en la expresión de la constante, porque su concentración es fija a cada temperatura y ya está incorporada a su valor. Solo quedan los dos gases:

$K_p = p(\mathrm{H_2O}) \cdot p(\mathrm{CO_2})$

$\textbf{a) Se retira CO₂ del sistema. [0,5 puntos]}$

El equilibrio se desplaza $\textbf{hacia la derecha}$.

Al retirar dióxido de carbono baja su presión parcial y el producto de presiones queda por debajo de la constante:

$Q = p(\mathrm{H_2O}) \cdot p(\mathrm{CO_2}) < K_p$

El sistema responde formando más $\mathrm{CO_2}$, es decir, descomponiendo más bicarbonato. Si se retirara de forma continua, el bicarbonato acabaría descomponiéndose por completo.

$\textbf{b) Se adiciona H₂O al sistema. [0,5 puntos]}$

El equilibrio se desplaza $\textbf{hacia la izquierda}$.

El agua está en fase gaseosa y sí figura en la constante. Al aumentar su presión parcial, el cociente supera a $K_p$:

$Q > K_p$

y el sistema evoluciona consumiendo vapor de agua y $\mathrm{CO_2}$, o sea, regenerando bicarbonato de sodio.

$\textbf{c) Se retira parte de NaHCO₃ del sistema. [0,5 puntos]}$

$\textbf{No se altera}$ la posición del equilibrio.

El bicarbonato es un sólido puro y no aparece en $K_p$: quitar parte de él no cambia ninguna presión parcial, y el cociente de reacción sigue valiendo lo mismo. Lo que se modifica es la cantidad total de producto que se podrá obtener, no las presiones de equilibrio.

La única salvedad es que quede algo de sólido. Si se retirase $\textbf{todo}$ el bicarbonato, ya no habría equilibrio heterogéneo que mantener y las presiones caerían.

$\textbf{d) Se aumenta la presión del sistema. [0,5 puntos]}$

El equilibrio se desplaza $\textbf{hacia la izquierda}$.

Al contar moles de gas hay que dejar fuera los sólidos:

$\text{reactivos gaseosos: } 0 \text{ mol} \qquad \text{productos gaseosos: } 1 + 1 = 2 \text{ mol}$

$\Delta n_{\text{gas}} = +2$

Un aumento de presión, conseguido reduciendo el volumen, desplaza el equilibrio hacia el lado con menos moles de gas, que aquí es el de los reactivos. Se forma más bicarbonato de sodio y disminuye la cantidad de gases.