Ejercicio resuelto de Principio de Chatelier · Química · 2020

Cuestión 3.- Desplazamiento del equilibrio.

En un reactor cerrado se introducen, en estado gaseoso y a una temperatura dada, hidrógeno, bromo y bromuro de hidrógeno, HBr, y se deja que se alcance el equilibrio:

${\text{H}}_2(g)+{\text{Br}}_2(g)\rightleftharpoons 2\text{HBr}(g)\mathrm{\Delta }H=-68\text{ kJ}$

Indique razonadamente cómo afectará cada uno de los siguientes cambios en la cantidad de ${\text{H}}_2$ presente una vez se restablezca el equilibrio. (0,5 puntos cada apartado)

a) Un aumento de la temperatura a presión constante.

b) Adición de HBr, manteniendo constante tanto el volumen del reactor como su temperatura.

c) Un aumento del volumen del recipiente a temperatura constante.

d) Adición de ${\text{Br}}_2$, manteniendo constante tanto el volumen del reactor como su temperatura.

Antes de ir apartado por apartado conviene fijarse en dos cosas que van a decidirlo casi todo: la reacción directa es $\mathbf{\text{exot}}\acute{\mathbf{\text{e}}}\mathbf{\text{rmica}}$ ($\mathrm{\Delta }H=-68$ kJ) y hay $\mathbf{\text{2}}\mathbf{\text{moles}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{gas}}\mathbf{\text{a}}\mathbf{\text{cada}}\mathbf{\text{lado}}$, es decir, $\mathrm{\Delta }n=0$.

$\mathbf{\text{a)}}\mathbf{\text{Un}}\mathbf{\text{aumento}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{temperatura}}\mathbf{\text{a}}\mathbf{\text{presi}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{constante.}}\mathbf{\text{(0,5}}\mathbf{\text{puntos)}}$

Al subir la temperatura el equilibrio se desplaza en el sentido que absorbe calor, que aquí es el $\mathbf{\text{inverso}}$: hacia la izquierda.

Al ir hacia la izquierda se descompone el HBr y se regeneran los reactivos, así que la cantidad de ${\mathrm{H}}_2$ $\mathbf{\text{aumenta}}$.

La condición "a presión constante" no añade nada: como $\mathrm{\Delta }n=0$, el cambio de volumen que la acompaña no desplaza el equilibrio.

$\mathbf{\text{b)}}\mathbf{\text{Adici}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{HBr,}}\mathbf{\text{manteniendo}}\mathbf{\text{constante}}\mathbf{\text{tanto}}\mathbf{\text{el}}\mathbf{\text{volumen}}\mathbf{\text{del}}\mathbf{\text{reactor}}\mathbf{\text{como}}\mathbf{\text{su}}\mathbf{\text{temperatura.}}\mathbf{\text{(0,5}}\mathbf{\text{puntos)}}$

Al añadir producto, el cociente de reacción sube por encima de la constante y el sistema se desplaza hacia la $\mathbf{\text{izquierda}}$ para consumir el exceso.

En ese sentido se forma ${\mathrm{H}}_2$, de modo que su cantidad $\mathbf{\text{aumenta}}$.

$\mathbf{\text{c)}}\mathbf{\text{Un}}\mathbf{\text{aumento}}\mathbf{\text{del}}\mathbf{\text{volumen}}\mathbf{\text{del}}\mathbf{\text{recipiente}}\mathbf{\text{a}}\mathbf{\text{temperatura}}\mathbf{\text{constante.}}\mathbf{\text{(0,5}}\mathbf{\text{puntos)}}$

Este es el apartado que distingue el examen. Un cambio de volumen solo desplaza el equilibrio si el número de moles de gas es distinto a cada lado, y aquí no lo es:

$\mathrm{\Delta }n=2-(1+1)=0$

Al aumentar el volumen, todas las concentraciones se dividen por el mismo factor, y como el numerador y el denominador de $K_c$ tienen el mismo grado, el cociente no cambia:

$Q=\frac{[\mathrm{H}\mathrm{B}\mathrm{r}{]}^2}{[{\mathrm{H}}_2][\mathrm{B}{\mathrm{r}}_2]}$

El sistema sigue en equilibrio y la cantidad de ${\mathrm{H}}_2$ $\mathbf{\text{no}}\mathbf{\text{var}}\acute{\mathbf{\text{ı}}}\mathbf{\text{a}}$ (su concentración baja, pero solo por la dilución).

${\mathbf{\text{d)}}\mathbf{\text{Adici}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{Br}}}_2\mathbf{\text{,}}\mathbf{\text{manteniendo}}\mathbf{\text{constante}}\mathbf{\text{tanto}}\mathbf{\text{el}}\mathbf{\text{volumen}}\mathbf{\text{del}}\mathbf{\text{reactor}}\mathbf{\text{como}}\mathbf{\text{su}}\mathbf{\text{temperatura.}}\mathbf{\text{(0,5}}\mathbf{\text{puntos)}}$

Ahora se añade un reactivo, así que el cociente baja por debajo de la constante y el equilibrio se desplaza hacia la $\mathbf{\text{derecha}}$ para consumirlo.

Pero el bromo no se consume solo: arrastra consigo al hidrógeno, que reacciona con él para formar HBr.

La cantidad de ${\mathrm{H}}_2$ $\mathbf{\text{disminuye}}$.