Ejercicio resuelto de Principio de Chatelier · Química · 2021

a) Para la reacción $\text{I}_2(g) + \text{C}_5\text{H}_8(g) \rightarrow \text{C}_5\text{H}_6(g) + 2\,\text{HI}(g)$, $\Delta H^\circ = +92{,}5\ \text{kJ}\cdot\text{mol}^{-1}$, explique el efecto de cada uno de los siguientes factores en la cantidad de $\text{HI}(g)$ presente en la mezcla en equilibrio: [1,0 punto]

a.1) elevar la temperatura de la mezcla;

a.2) 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, $\text{HNO}_3$. [1,0 punto]

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

$\textbf{a.1) elevar la temperatura de la mezcla. [1,0 punto]}$

El dato clave es el signo de la entalpía: $\Delta H^\circ = +92{,}5\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}$ es positiva, así que la reacción directa es $\textbf{endotérmica}$ y puede escribirse el calor como un reactivo más:

$\mathrm{I_2(g)} + \mathrm{C_5H_8(g)} + \text{calor} \rightleftharpoons \mathrm{C_5H_6(g)} + 2\,\mathrm{HI(g)}$

Elevar la temperatura equivale a añadir ese reactivo, y por el principio de Le Chatelier el sistema responde consumiéndolo, es decir, desplazándose hacia la $\textbf{derecha}$. La constante de equilibrio aumenta y con ella la cantidad de $\mathrm{HI}$ en la mezcla.

$\textbf{La cantidad de HI aumenta.}$

Nótese que el efecto de la temperatura es el único que cambia el valor de la constante de equilibrio; las demás perturbaciones desplazan el sistema pero dejan $K$ intacta.

$\textbf{a.2) introducir más C₅H₆(g) en el recipiente que contiene la mezcla.}$

El $\mathrm{C_5H_6}$ es un $\textbf{producto}$ de la reacción. Al añadirlo, su concentración aumenta y el cociente de reacción

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

se hace mayor que $K_c$. El sistema evoluciona entonces consumiendo productos para volver al equilibrio, es decir, se desplaza hacia la $\textbf{izquierda}$: parte del $\mathrm{HI}$ reacciona con el ciclopentadieno añadido para regenerar yodo y ciclopenteno.

$\textbf{La cantidad de HI disminuye.}$

$\textbf{b) Indique, de forma razonada, el carácter ácido, básico o neutro de la disolución acuosa resultante de la neutralización exacta de una disolución acuosa de amoniaco con una disolución acuosa de ácido nítrico. [1,0 punto]}$

«Neutralización exacta» significa que se han mezclado cantidades estequiométricas, de modo que no sobra ni ácido ni base:

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

Pero no sobrar reactivos no implica que la disolución sea neutra: lo que hay que estudiar es la sal que queda, ion por ion.

El anión $\mathrm{NO_3^-}$ es la base conjugada del ácido nítrico, que es un ácido $\textbf{fuerte}$. Su base conjugada es, por tanto, despreciablemente débil y $\textbf{no se hidroliza}$: es un ion espectador.

El catión $\mathrm{NH_4^+}$, en cambio, es el ácido conjugado del amoníaco, que es una base $\textbf{débil}$ ($K_{\mathrm{b}} = 1{,}8 \cdot 10^{-5}$). Al no ser despreciable, sí se hidroliza y cede un protón al agua:

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

Esa hidrólisis libera protones, de modo que la disolución resultante es $\textbf{ácida}$, con un pH menor que 7.

Se puede ver también con la constante de la hidrólisis, que se obtiene de la del amoníaco:

$K_{\mathrm{a}}(\mathrm{NH_4^+}) = \frac{K_w}{K_{\mathrm{b}}(\mathrm{NH_3})} = \frac{1{,}0 \cdot 10^{-14}}{1{,}8 \cdot 10^{-5}} = 5{,}6 \cdot 10^{-10}$

Es pequeña, así que la acidez es moderada —el pH ronda 5 para concentraciones habituales—, pero inequívocamente ácida. La regla general que ilustra este apartado es que el carácter de la disolución lo marca el reactivo $\textbf{fuerte}$ de la pareja: ácido fuerte con base débil da sal ácida, y base fuerte con ácido débil, sal básica.