Ejercicio resuelto de Principio de Chatelier · Química · 2022

La reacción de fotosíntesis se describe mediante la siguiente ecuación química (no ajustada):

${\text{CO}}_2(g)+{\text{H}}_2\text{O}(l)\rightleftharpoons {\text{C}}_6{\text{H}}_{12}{\text{O}}_6(s)+{\text{O}}_2(g)\mathrm{\Delta }H>0$

a) Prediga y justifique hacia dónde se desplazará el equilibrio si: (Hasta 1,2 puntos)

i) Aumentamos la concentración de ${\text{CO}}_2$ a volumen y temperatura constantes.

ii) Aumentamos la presión total a temperatura constante.

iii) Disminuimos la temperatura a presión constante.

b) ¿Qué es un catalizador y cómo afectaría su presencia a esta reacción? (Hasta 0,8 puntos)

$\mathbf{\text{a)}}\mathbf{\text{Prediga}}\mathbf{\text{y}}\mathbf{\text{justifique}}\mathbf{\text{hacia}}\mathbf{\text{d}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{nde}}\mathbf{\text{se}}\mathbf{\text{desplazar}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{el}}\mathbf{\text{equilibrio}}\mathbf{\text{si:}}\mathbf{\text{(Hasta}}\mathbf{\text{1,2}}\mathbf{\text{puntos)}}$

Conviene escribir primero la ecuación ajustada, porque hará falta contar moles de gas:

$6\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2(\mathrm{g})+6{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}(\mathrm{l})\rightleftharpoons {\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{12}{\mathrm{O}}_6(\mathrm{s})+6{\mathrm{O}}_2(\mathrm{g})\mathrm{\Delta }H>0$

${\mathbf{\text{i)}}\mathbf{\text{Aumentamos}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{concentraci}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{CO}}}_2\mathbf{\text{a}}\mathbf{\text{volumen}}\mathbf{\text{y}}\mathbf{\text{temperatura}}\mathbf{\text{constantes.}}$

Añadir un reactivo hace que el cociente de reacción sea menor que la constante:

$Q_c={\displaystyle \frac{[{\mathrm{O}}_2{]}^6}{[\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2{]}^6}}<K_c$

Para recuperar la igualdad el sistema debe consumir parte del dióxido de carbono añadido, de modo que el equilibrio se desplaza $\mathbf{\text{hacia}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{derecha}}$, hacia la formación de glucosa. Ni el agua líquida ni la glucosa sólida aparecen en el cociente, porque sus actividades valen 1.

$\mathbf{\text{ii)}}\mathbf{\text{Aumentamos}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{presi}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{total}}\mathbf{\text{a}}\mathbf{\text{temperatura}}\mathbf{\text{constante.}}$

Hay que contar solo las especies gaseosas: seis moles de $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$ a la izquierda y seis de ${\mathrm{O}}_2$ a la derecha.

$\mathrm{\Delta }n(\text{gas})=6-6=0$

Como no hay ningún lado con menos moles de gas, un aumento de presión $\mathbf{\text{no}}\mathbf{\text{desplaza}}$ el equilibrio: todas las presiones parciales cambian en el mismo factor y este se cancela en el cociente.

$\mathbf{\text{iii)}}\mathbf{\text{Disminuimos}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{temperatura}}\mathbf{\text{a}}\mathbf{\text{presi}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{constante.}}$

La reacción es endotérmica, así que el calor se comporta como un reactivo más. Al enfriar se retira ese calor y el sistema responde desplazándose en el sentido que lo repone, es decir, el exotérmico: $\mathbf{\text{hacia}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{izquierda}}$.

Se obtendría menos glucosa, y además la constante de equilibrio disminuiría, porque solo la temperatura la modifica.

$\mathbf{\text{b)}}\mathbf{\text{¿Qu}}\acute{\mathbf{\text{e}}}\mathbf{\text{es}}\mathbf{\text{un}}\mathbf{\text{catalizador}}\mathbf{\text{y}}\mathbf{\text{c}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{mo}}\mathbf{\text{afectar}}\acute{\mathbf{\text{ı}}}\mathbf{\text{a}}\mathbf{\text{su}}\mathbf{\text{presencia}}\mathbf{\text{a}}\mathbf{\text{esta}}\mathbf{\text{reacci}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n?}}\mathbf{\text{(Hasta}}\mathbf{\text{0,8}}\mathbf{\text{puntos)}}$

Un $\mathbf{\text{catalizador}}$ es una sustancia que aumenta la velocidad de una reacción sin consumirse en ella. Lo consigue ofreciendo un mecanismo alternativo con una energía de activación menor, de modo que una fracción mucho mayor de choques resulta eficaz.

Lo importante es que rebaja la barrera $\mathbf{\text{por}}\mathbf{\text{igual}}$ en el sentido directo y en el inverso, así que acelera las dos velocidades en la misma proporción:

$K_c\text{ no var}\acute{\text{ı}}\text{a}$

En la fotosíntesis el papel de catalizador lo desempeña la clorofila junto con el sistema enzimático del cloroplasto. Su efecto es que el equilibrio se alcance mucho antes, no que se obtenga más glucosa de la que marca la constante.