Ejercicio resuelto de Principio de Chatelier · Química · 2022

Para la reacción $\text{I}_2(g) + \text{C}_5\text{H}_8(g) \rightarrow \text{C}_5\text{H}_6(g) + 2\,\text{HI}(g)$, con $\Delta H^{o} = +92{,}5\ \text{kJ}\cdot\text{mol}^{-1}$:

a) Explique el efecto de cada uno de los siguientes factores en la cantidad de HI(g) presente en la mezcla en equilibrio, de: [1 punto]

i) elevar la temperatura de la mezcla.

ii) introducir más $\text{C}_5\text{H}_6(g)$ en el recipiente que contiene la mezcla.

b) Indique, de forma razonada, el carácter ácido, básico o neutro de la disolución acuosa resultante de la neutralización exacta de una disolución acuosa de amoniaco, $\text{NH}_3$, con una disolución acuosa de ácido nítrico, $\text{HNO}_3$. [1 punto]

Datos: $K_b\,(\text{NH}_3) = 1{,}8\cdot 10^{-5}$.

$\textbf{a) Explique el efecto de cada uno de los siguientes factores en la cantidad de HI(g) presente en la mezcla en equilibrio, de: [1 punto]}$

$\textbf{i) elevar la temperatura de la mezcla.}$

$\textbf{Aumenta}$ la cantidad de HI.

La reacción directa es endotérmica, porque $\Delta H^{o} = +92{,}5$ kJ/mol es positivo. Puede escribirse el calor como si fuera un reactivo más:

$\mathrm{I_2(g)} + \mathrm{C_5H_8(g)} + 92{,}5 \text{ kJ} \rightarrow \mathrm{C_5H_6(g)} + 2\,\mathrm{HI(g)}$

Según el principio de Le Chatelier, al calentar el sistema responde desplazándose en el sentido en que se absorbe calor, es decir, hacia la derecha. Se forma más yoduro de hidrógeno.

$\textbf{ii) introducir más C₅H₆(g) en el recipiente que contiene la mezcla.}$

$\textbf{Disminuye}$ la cantidad de HI.

El $\mathrm{C_5H_6}$ es un producto. Al aumentar su concentración, el cociente de reacción supera a la constante:

$Q = \frac{[\mathrm{C_5H_6}]\,[\mathrm{HI}]^2}{[\mathrm{I_2}]\,[\mathrm{C_5H_8}]} > K_c$

y el sistema evoluciona hacia la izquierda hasta recuperar el valor de $K_c$, consumiendo parte del ciclopentadieno añadido y del HI, y regenerando yodo y ciclopenteno.

$\textbf{b) Indique, de forma razonada, el carácter ácido, básico o neutro de la disolución acuosa resultante de la neutralización exacta de una disolución acuosa de amoniaco, NH₃, con una disolución acuosa de ácido nítrico, HNO₃. [1 punto]}$

La disolución resultante es $\textbf{ácida}$.

La neutralización exacta significa que se han mezclado cantidades estequiométricas, así que no sobra ni ácido ni base:

$\mathrm{NH_3} + \mathrm{HNO_3} \rightarrow \mathrm{NH_4NO_3}$

Pero que no sobre ninguno de los dos no quiere decir que la disolución sea neutra. Lo que queda es la sal, totalmente disociada, y hay que examinar qué hace cada ion con el agua.

El $\mathrm{NO_3^-}$ es la base conjugada de un ácido fuerte, el nítrico, y por tanto una base tan débil que no se hidroliza: no altera el pH.

El $\mathrm{NH_4^+}$, en cambio, es el ácido conjugado de una base débil, el amoníaco ($K_b = 1{,}8 \cdot 10^{-5}$), así que sí cede protones al agua:

$\mathrm{NH_4^+} + \mathrm{H_2O} \rightleftharpoons \mathrm{NH_3} + \mathrm{H_3O^+}$

Su constante de acidez se obtiene de la del amoníaco:

$K_a = \frac{K_w}{K_b} = \frac{10^{-14}}{1{,}8 \cdot 10^{-5}} = 5{,}6 \cdot 10^{-10}$

Esa hidrólisis genera $\mathrm{H_3O^+}$ y deja el pH por debajo de 7. En general, la sal de una base débil con un ácido fuerte da disolución ácida.