Ejercicio resuelto de Principio de Chatelier · Química · 2022

Cuestión 3. Desplazamiento del equilibrio químico.

Para el siguiente sistema en equilibrio en fase gaseosa: $2\text{NOCl}(g)\rightleftharpoons 2\text{NO}(g)+{\text{Cl}}_2(g)$, responda razonadamente a las siguientes cuestiones: (0,5 puntos cada apartado)

a) Si se extrae del reactor parte del ${\text{Cl}}_2(g)$, ¿la relación $\left[\text{NOCl}\right]\mathrm{/}\left[\text{NO}\right]$ aumenta, disminuye o permanece constante?
b) Se observa que al aumentar la temperatura se forma más NOCl. ¿La reacción es exotérmica o endotérmica?
c) Si se desea aumentar la cantidad de NOCl, manteniendo constante la temperatura, ¿se ha de aumentar o disminuir el volumen del reactor?
d) En un reactor a volumen y temperatura constantes se introducen inicialmente NOCl y ${\text{Cl}}_2$. Razone si la presión total en el equilibrio será mayor, menor o igual que la inicial.

${\mathbf{\text{a)}}\mathbf{\text{Si}}\mathbf{\text{se}}\mathbf{\text{extrae}}\mathbf{\text{del}}\mathbf{\text{reactor}}\mathbf{\text{parte}}\mathbf{\text{del}}\mathbf{\text{Cl}}}_2\mathbf{\text{(g),}}\mathbf{\text{¿la}}\mathbf{\text{relaci}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{[NOCl]/[NO]}}\mathbf{\text{aumenta,}}\mathbf{\text{disminuye}}\mathbf{\text{o}}\mathbf{\text{permanece}}\mathbf{\text{constante?}}\mathbf{\text{(0,5}}\mathbf{\text{puntos)}}$

Al retirar uno de los productos, el cociente de reacción baja por debajo de la constante y el equilibrio se desplaza hacia la $\mathbf{\text{derecha}}$ para reponerlo.

Eso significa que se consume NOCl y se forma más NO: el numerador de la relación disminuye y el denominador aumenta.

Por tanto la relación $[\mathrm{N}\mathrm{O}\mathrm{C}\mathrm{l}]\mathrm{/}[\mathrm{N}\mathrm{O}]$ $\mathbf{\text{disminuye}}$.

$\mathbf{\text{b)}}\mathbf{\text{Se}}\mathbf{\text{observa}}\mathbf{\text{que}}\mathbf{\text{al}}\mathbf{\text{aumentar}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{temperatura}}\mathbf{\text{se}}\mathbf{\text{forma}}\mathbf{\text{m}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{s}}\mathbf{\text{NOCl.}}\mathbf{\text{¿La}}\mathbf{\text{reacci}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{es}}\mathbf{\text{exot}}\acute{\mathbf{\text{e}}}\mathbf{\text{rmica}}\mathbf{\text{o}}\mathbf{\text{endot}}\acute{\mathbf{\text{e}}}\mathbf{\text{rmica?}}\mathbf{\text{(0,5}}\mathbf{\text{puntos)}}$

Formarse más NOCl significa que el equilibrio se ha desplazado hacia la $\mathbf{\text{izquierda}}$, es decir, en el sentido inverso al escrito.

Según Le Chatelier, un aumento de temperatura desplaza el equilibrio en el sentido que $\mathbf{\text{absorbe}}$ calor. Si al calentar se va hacia la izquierda, es esa dirección la endotérmica.

Y si la inversa es endotérmica, la reacción $\mathbf{\text{directa}}$ —tal como está escrita, la descomposición del NOCl— es $\mathbf{\text{exot}}\acute{\mathbf{\text{e}}}\mathbf{\text{rmica}}$.

$\mathbf{\text{c)}}\mathbf{\text{Si}}\mathbf{\text{se}}\mathbf{\text{desea}}\mathbf{\text{aumentar}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{cantidad}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{NOCl,}}\mathbf{\text{manteniendo}}\mathbf{\text{constante}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{temperatura,}}\mathbf{\text{¿se}}\mathbf{\text{ha}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{aumentar}}\mathbf{\text{o}}\mathbf{\text{disminuir}}\mathbf{\text{el}}\mathbf{\text{volumen}}\mathbf{\text{del}}\mathbf{\text{reactor?}}\mathbf{\text{(0,5}}\mathbf{\text{puntos)}}$

Aumentar la cantidad de NOCl exige desplazar el equilibrio hacia la izquierda.

Contando moles de gas: a la izquierda hay 2 y a la derecha 3. El sistema se desplaza hacia el lado con $\mathbf{\text{menos}}$ moles cuando se le aumenta la presión, y la presión se aumenta reduciendo el volumen.

Por tanto hay que $\mathbf{\text{disminuir}}\mathbf{\text{el}}\mathbf{\text{volumen}}$ del reactor.

${\mathbf{\text{d)}}\mathbf{\text{En}}\mathbf{\text{un}}\mathbf{\text{reactor}}\mathbf{\text{a}}\mathbf{\text{volumen}}\mathbf{\text{y}}\mathbf{\text{temperatura}}\mathbf{\text{constantes}}\mathbf{\text{se}}\mathbf{\text{introducen}}\mathbf{\text{inicialmente}}\mathbf{\text{NOCl}}\mathbf{\text{y}}\mathbf{\text{Cl}}}_2\mathbf{\text{.}}\mathbf{\text{Razone}}\mathbf{\text{si}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{presi}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{total}}\mathbf{\text{en}}\mathbf{\text{el}}\mathbf{\text{equilibrio}}\mathbf{\text{ser}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{mayor,}}\mathbf{\text{menor}}\mathbf{\text{o}}\mathbf{\text{igual}}\mathbf{\text{que}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{inicial.}}\mathbf{\text{(0,5}}\mathbf{\text{puntos)}}$

La clave está en que $\mathbf{\text{no}}\mathbf{\text{se}}\mathbf{\text{introduce}}\mathbf{\text{NO}}$. Sin ese producto, el cociente de reacción vale cero:

$Q=\frac{P_{\mathrm{N}\mathrm{O}}^2\cdot P_{\mathrm{C}{\mathrm{l}}_2}}{P_{\mathrm{N}\mathrm{O}\mathrm{C}\mathrm{l}}^2}=0<K_p$

Como $Q<K_p$, la reacción avanza necesariamente hacia la $\mathbf{\text{derecha}}$, aunque ya hubiera cloro de partida.

Y al ir hacia la derecha aumenta el número de moles de gas: de cada 2 moléculas de NOCl salen 3 (2 de NO y 1 de $\mathrm{C}{\mathrm{l}}_2$). Con el volumen y la temperatura fijos, más moles significan más presión.

La presión total en el equilibrio será $\mathbf{\text{mayor}}$ que la inicial.