Ejercicio resuelto de Equilibrio químico · Química · 2022

a) Para el equilibrio $2\,\text{SO}_2(g) + \text{O}_2(g) \rightleftharpoons 2\,\text{SO}_3(g)$, la constante $K_p$ a 350 ºC tiene un valor de $5{,}6\cdot 10^{4}$. Si las presiones iniciales de dióxido de azufre y dioxígeno (antes de alcanzarse el equilibrio) son 0,350 y 0,762 atm, respectivamente, indique si cuando se alcance el equilibrio a esa temperatura la presión total será mayor, menor o igual a la presión total inicial. (0,5 puntos)

b) Enumere cuatro factores que pueden alterar un estado de equilibrio. Solo uno de ellos puede variar el valor de la constante de equilibrio. ¿Cuál es? (0,5 puntos)

c) Indique cómo será el pH (ácido, neutro o básico) de una disolución acuosa de cada una de las siguientes especies y escriba la reacción correspondiente al equilibrio químico que se establecerá en cada caso (0,25 puntos por apartado):

i) $\text{HCN}$ ii) $\text{NaCH}_3\text{COO}$ iii) $\text{NH}_2\text{Me}$ iv) $\text{NH}_4\text{Cl}$

$\textbf{a) Indique si cuando se alcance el equilibrio a esa temperatura la presión total será mayor, menor o igual a la presión total inicial. (0,5 puntos)}$

La presión total será $\textbf{menor}$ que la inicial, y hay dos maneras de verlo.

La primera es contar moles de gas. La reacción convierte tres moléculas de gas en dos:

$\Delta n = 2 - (2+1) = -1$

Como el número total de partículas gaseosas disminuye a medida que la reacción avanza, y avanza porque la constante es enorme, la presión total tiene que bajar.

La segunda es cuantificarlo. Que $K_p = 5{,}6\cdot 10^4$ sea tan grande significa que el equilibrio está muy desplazado hacia el $\mathrm{SO_3}$, de modo que prácticamente todo el $\mathrm{SO_2}$ se consume. Además el oxígeno está en exceso: hacen falta 0,175 atm y hay 0,762.

$$	$\mathrm{SO_2}$	$\mathrm{O_2}$	$\mathrm{SO_3}$	Total
Inicial (atm)	0,350	0,762	0	1,112
Cambio (atm)	−0,350	−0,175	+0,350
Final (atm)	≈ 0	0,587	0,350	0,937

La presión pasa de 1,112 a unas 0,937 atm, es decir, disminuye alrededor de un 16 por ciento.

$\textbf{b) Enumere cuatro factores que pueden alterar un estado de equilibrio. Solo uno de ellos puede variar el valor de la constante de equilibrio. ¿Cuál es? (0,5 puntos)}$

Los cuatro factores son:

La $\textbf{concentración}$ de reactivos o productos: añadir un reactivo o retirar un producto desplaza el equilibrio hacia la derecha, y al revés.

La $\textbf{presión}$: un aumento desplaza el equilibrio hacia el lado con menos moles de gas. Solo tiene efecto si $\Delta n \neq 0$.

El $\textbf{volumen}$ del recipiente, que es la otra cara del anterior: reducirlo equivale a aumentar la presión.

La $\textbf{temperatura}$: un aumento desplaza el equilibrio en el sentido endotérmico.

El único que modifica el $\textbf{valor de la constante}$ es la $\textbf{temperatura}$. Los otros tres cambian las concentraciones de equilibrio, pero el sistema evoluciona precisamente hasta que el cociente vuelve a valer la misma $K$ de antes.

Conviene añadir que un catalizador no está en la lista porque no altera el equilibrio en absoluto: acelera por igual las dos reacciones y solo hace que se alcance antes.

$\textbf{c) Indique cómo será el pH (ácido, neutro o básico) de una disolución acuosa de cada una de las siguientes especies y escriba la reacción correspondiente al equilibrio químico que se establecerá en cada caso (0,25 puntos por apartado):}$

$\textbf{i) HCN}$ — disolución $\textbf{ácida}$. Es el ácido cianhídrico, un ácido débil que cede parcialmente su protón al agua:

$\mathrm{HCN} + \mathrm{H_2O} \rightleftharpoons \mathrm{CN^-} + \mathrm{H_3O^+}$

$\textbf{ii) NaCH}_3\textbf{COO}$ — disolución $\textbf{básica}$. La sal se disocia por completo; el sodio no se hidroliza, pero el acetato es la base conjugada de un ácido débil y sí lo hace:

$\mathrm{CH_3COO^-} + \mathrm{H_2O} \rightleftharpoons \mathrm{CH_3COOH} + \mathrm{OH^-}$

$\textbf{iii) NH}_2\textbf{Me}$ — disolución $\textbf{básica}$. Es la metilamina, una base débil que capta un protón del agua gracias al par no enlazante del nitrógeno:

$\mathrm{CH_3NH_2} + \mathrm{H_2O} \rightleftharpoons \mathrm{CH_3NH_3^+} + \mathrm{OH^-}$

$\textbf{iv) NH}_4\textbf{Cl}$ — disolución $\textbf{ácida}$. El cloruro no se hidroliza, pero el amonio es el ácido conjugado de una base débil:

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