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Laboratorio de Fisicoquímica II EQUILIBRIO QUIMICO I. INTRODUCCIÓN: El concepto de equilibrio es fundamental en el análisis del cambio químico. Equilibrio se refiere a aquel estado de un sistema en el cual no se produce ningún cambio neto adicional. Si en una reacción química el equilibrio favorece la formación de productos o de los reaccionantes originales, es un problema termodinámico. El énfasis en esta experiencia se concentra sobre la condición de equilibrio en sí de que se trata, como se la puede pronosticar y como se la puede alterar. II. OBJETIVOS: Conocer las condiciones para que se dé el equilibrio en una fase liquida. Determinar la constante de equilibrio, la energía de Gibbs y su signo para predecir el predominio de cualquiera de las velocidades, mediante los criterios de espontaneidad que se dan en un proceso. Analizar el sentido de dirección de los reactivos y productos. Estandarizar los ácidos y bases correctamente para una buena exactitud. III. FUNDAMENTO TEORICO INGENIERIA QUIMICA Página 1

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Laboratorio de Fisicoquímica II

EQUILIBRIO QUIMICO

I. INTRODUCCIÓN:

El concepto de equilibrio es fundamental en el análisis del cambio

químico. Equilibrio se refiere a aquel estado de un sistema en el cual no

se produce ningún cambio neto adicional.

Si en una reacción química el equilibrio favorece la formación de

productos o de los reaccionantes originales, es un problema

termodinámico. El énfasis en esta experiencia se concentra sobre la

condición de equilibrio en sí de que se trata, como se la puede

pronosticar y como se la puede alterar.

II. OBJETIVOS:

Conocer las condiciones para que se dé el equilibrio en una fase liquida.

Determinar la constante de equilibrio, la energía de Gibbs y su signo

para predecir el predominio de cualquiera de las velocidades, mediante

los criterios de espontaneidad que se dan en un proceso.

Analizar el sentido de dirección de los reactivos y productos.

Estandarizar los ácidos y bases correctamente para una buena

exactitud.

III. FUNDAMENTO TEORICO

Equilibrio químico es la denominación que se hace a cualquier reacción

reversible cuando se observa que las cantidades relativas de dos o más

sustancias permanecen constantes, es decir, el equilibrio químico se da cuando

la concentración de las especies participantes no cambia, de igual manera, en

estado de equilibrio no se observan cambios físicos a medida que transcurre el

tiempo; siempre es necesario que exista una reacción química para que exista

un equilibrio químico, sin reacción no sería posible.

Una vez iniciada una reacción química puede reaccionar de dos maneras

diferentes: la reacción puede desarrollarse hasta que se agote uno de los

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reactivos o bien transcurrir hasta un cierto punto en el que, aunque existan

reactivos en cantidad suficiente, la reacción, aparentemente, se detiene. En el

segundo caso se dice que el sistema formado por los reactivos, los productos y

el medio de reacción ha alcanzado un estado de equilibrio.

A pesar de que un sistema químico en equilibrio parece que no se modifica con

el tiempo, esto no significa que no está ocurriendo ningún cambio. Inicialmente,

los reactivos se combinan para formar los productos, pero llega un momento en

que la cantidad de producto es los suficientemente grande que estos productos

reaccionen entre sí volviendo a formar los reactivos iniciales. De esta manera

transcurren simultáneamente dos reacciones: directa e inversa.

El equilibrio se alcanza cuando los reactivos se transforman en productos con

la misma velocidad que los productos vuelven a transformarse en reactivos.

(Velocidad de reacción directa igual a velocidad de reacción inversa).

Cuando las concentraciones de cada una de las sustancias que intervienen

(reactivos o productos) se estabiliza, es decir, se gastan a la misma velocidad

que se forman, se llega al EQUILIBRIO QUÍMICO.

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Variación de la concentración con el tiempo (H2 + I2 Á 2 HI)

Equilibrio químico

Tiempo (s)

[HI]

[I2]

[H2]

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Condiciones

Un sistema en equilibrio debe cumplir los siguientes requisitos:

Cuando se alcanza el estado de equilibrio, las propiedades observables

del sistema (color, masa del reactivo sin reaccionar, temperatura, etc.),

no varían con el tiempo.

Sólo puede existir equilibrio en un sistema aislado: un sistema en el que

ni la energía ni las sustancias entren o salgan continuamente.

Toda situación de equilibrio se altera cuando se modifica la temperatura,

pero se restablece cuando el sistema vuelve a la temperatura original.

También puede haber modificaciones en el equilibrio con variaciones en

la presión/volumen y con variaciones en la concentración de las

sustancias participantes en la reacción.

Cuantificación del Equilibrio químico

Cuando se alcanza el estado de equilibrio, las concentraciones de los reactivos

y los productos se encuentran en una relación numérica constante.

Experimentalmente se comprueba que las concentraciones de las sustancias

implicadas en un sistema en equilibrio se encuentran relacionadas por la

siguiente expresión matemática:

aA + bB → cC + dD

En esta expresión el numerador es el producto de las concentraciones de

equilibrio de los productos, elevada cada una de ellas a un exponente que es

igual al número de moles de cada producto que aparece en la ecuación

química. El denominador es el producto de las concentraciones de equilibrio de

los reactivos, elevada cada una de ellas a un exponente que es igual al número

de moles de cada reactivo que aparece en la ecuación química. La razón, K,

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Laboratorio de Fisicoquímica II

entre el numerador y el denominador es la constante de equilibrio de la

reacción. Si el valor de K es muy pequeño, mucho menor que 1, la reacción

directa sólo ocurre en una pequeña extensión antes de alcanzar el equilibrio.

Es decir, los reactivos no reaccionan del todo. En cambio, si el valor de K es

grande, mucho mayor que 1, la reacción directa está ampliamente favorecida;

esto es, los reactivos originales se transforman en productos en una gran

amplitud.

Podemos concluir:

Si K < 1, se favorece la formación de reactivos.

Si K > 1, se favorece la formación de productos.

La energía libre y el estado de equilibrio

Un proceso en el cual se encuentra que, el intercambio de calor se iguala con

el producto del cambio de entropía multiplicado por la temperatura a la cual se

efectúa dicho cambio; corresponde a las características que describen el

estado de equilibrio.

La mayoría de los cambios de interés con aplicaciones prácticas, se realizan

bajo condiciones en las cuales se mantiene constante la presión a la que se

encuentra sometido el sistema, es decir, se trata de sistemas abiertos

sometidos a la presión del ambiente. Para estos cambios, el calor involucrado

en las reacciones químicas constituye la variable termodinámica designada

como entalpía. Manteniendo además la temperatura constante, se observa que

para el sistema que se mantiene en equilibrio el cambio de energía libre de

Gibbs es igual a cero. Situación que cumple con las características expresadas

antes para definir el estado de equilibrio.

En términos de las variables termodinámicas, resulta entonces, que el estado

de equilibrio para un proceso que se realiza a presión y temperatura

constantes, es aquel durante el cual no cambia la energía libre de Gibbs. O

expresado de forma equivalente el cambio de energía libre de Gibbs es igual a

cero.

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Laboratorio de Fisicoquímica II

Del análisis del comportamiento de las variables termodinámicas descritas

antes se concluye que un cambio se produce de manera espontánea, bajo las

condiciones establecidas, si el cambio de energía libre de Gibbs resulta menor

que cero. Y si este cambio es mayor que cero, el cambio propuesto no es

espontáneo.

Para juzgar la espontaneidad de un proceso, bajo las condiciones descritas, se

utilizan las variables termodinámicas que permiten evaluar el cambio en la

energía libre de Gibbs. Para las aplicaciones en Análisis Químico resultan de

particular interés aquellas situaciones en las cuales encontramos que el

sistema estudiado se encuentra en equilibrio, es decir que su cambio de

energía libre de Gibbs se hace igual a cero.

La condición de equilibrio, de hecho, se ha utilizado de manera empírica aún

antes de lograr desarrollar el modelo termodinámico. De manera intuitiva se

pueden sacar conclusiones acerca de la relación entre las cantidades de las

diferentes especies que participan de una reacción química que resulta de

interés en un proceso analítico.

Para una mezcla de especies que reaccionan se puede pronosticar el curso

que tomará la reacción con base en esta variable termodinámica

Si Q, de concentraciones de las especies que participan en la reacción es

mayor que el valor de la constante de equilibrio el cambio de energía libre de

Gibbs resulta positivo y la reacción no se produce espontáneamente en la

dirección que se ha propuesto.

A partir de medidas de las propiedades termodinámicas se pueden calcular las

constantes de equilibrio que son útiles luego para hacer estimativos de las

cantidades de reactivos y productos que participan en una reacción.

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Laboratorio de Fisicoquímica II

IV. MATERIALES Y REACTIVOS:

Materiales:

Pipetas.

Bureta.

Vaso precipitado

Mechero.

Reactivos:

Fenolftaleína.

Solución de CH3COOH.

Solución de CH3COOC2H5.

Agua destilada.

Solución de NaOH 0.2N.

Mechero.

Solución de acido clorhídrico HCl

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Page 7: Laboratorio 01- equilibrio quimico

V. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL:

En 8 frascos colocamos las siguientes sustancias:

REACTIVOPESO

MOLECULAR(PM)DENSIDAD(g/ml)

CH3COOH 60 1.05ACETATO DE ETILO 88.1 0.9

H2O 18 1.0ETANOL 46 0.8

MEZCLA HCL(3M)ACETATO DE ETILO

ETANOL CH3COOH H2O

A 5ml 5ml -- -- --B 5ml 1ml 2ml 1ml 2mlC “ 2ml4ml -- -- 3mlD “ 4ml 1ml -- --E “ -- -- 1ml --F “ -- 4ml 1ml --G “ -- -- -- 5mlH 5ml -- -- -- 6ml

Luego de mezclarlos, dejarlos en reposo 1 semana para que alcance el equilibrio.

Hallamos las concentraciones en el equilibrio (las finales) del ácido que se encuentra en el frasco, tomando 2ml de solución y valorándolo con el NaOH ya estandarizado.

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Enumeramos los tubos de ensayo para no confundirnos antes debemos de cerrar

bien el tubo sellarlo fuerte con cinta para q no se escapen los compuestos

volátiles.

Adicionar NaOH en la buretra para realizar la neutralizacion

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Agregar en un matraz los 2ml de solucion del tubo n°1 mas dos gotas de fenolftaleina asi sucesivamente con los tubos 2,3,4,5 y 6

Por último realizamos la neutralización hasta q la solución se torne de color indicado. (Verificar el volumen q se ha gastado)

VI. CALCULOS:

Preparación de solución del HCL (3M)

DATOS:

Densidad=1.1

%pureza=37%

Volumen=50ml

Para la preparación de NaOH (1M) se utilizo 40g de NaOH en 1ml de agua destilada .

Proceso de estandarización del NaOH con biftalato de potasio

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Masa del biftalato = 0.4694

V(NaOH gastado ) =2.5ml con 10ml de biftalato de potasio Peso molecular del biftalato =204.2g/mol

0,4694g* =0.0023mol

Titulando:VBMB =VAMA

VB =6.2ml VA =2ml MA =2.85MVNaOH (gastado)=6.2 ml en 2ml de HCLPor lo tanto la concentración del HCL es 2.85M

Hallando la densidad del acido V =1.88mlm =1.9404gd=1.0321g/m

NºTUBO

VOL MUESTRA SACADA

VOLUMEN DEL NaOH CONSUMIDO VOL PROM

GRUPO:I GRUPO:II GRUPO:III GRUPO:IV

1 1ml 3.3ml 3.9ml 3ml 3.6ml

2 1ml 3ml 2.9ml 3.1ml 3ml

3 1ml 2.3ml 1.7ml

4 1ml 3.4ml 4ml 2.3ml 3.5ml

5 1ml 3.9ml 4.4ml 3.9ml 5.5ml

6 1ml 2.5ml 2.3ml 2.6ml 2.3ml

Page 11: Laboratorio 01- equilibrio quimico

7 1ml 1.8ml 1.5ml 1.5ml 1.6ml

8 1ml 1.4ml 1.4ml 1.4ml 1.5ml

Para el tubo Nº1:

MOLES DE AGUA EN HCl:

En el equilibrio:

5ml Hcl ------10 ml sol

X ml Hcl ------1 ml sol x=0.5 ml

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0.05108 0.30166

+X +X -X -X

X x0.05108-

X

0.30166-

X

Determinar la constante de equilibrio:

Para el tubo Nº2:

En el equilibrio:

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5ml Hcl ------11 ml sol

X ml Hcl ------1 ml sol x=0.4545 ml

0.0175 0.0348 0.0102 0.41277

-X -X X X

0.0175-X 0.0348-x0.0102+

X0.41277+X

Determinar la constante de equilibrio:

Para el tubo Nº3:

Page 14: Laboratorio 01- equilibrio quimico

En el equilibrio:

0.02043 0.46836

X X -X -X

X x0.02043-

X0.46836+X

Determinar la constante de equilibrio:

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Para el tubo Nº4:

En el equilibrio:

0.0174 0.04086 0.30166

X X -X -X

X 0.0174+x 0.04086-X 0.30166+X

Determinar la constante de equilibrio:

Page 16: Laboratorio 01- equilibrio quimico

Para el tubo Nº5:

Para el tubo Nº6:

En el equilibrio:

0.0175 0.6957 0.30166

-X -X +X +X

0.0175-X 0.6957-x X 0.30166+X

Page 17: Laboratorio 01- equilibrio quimico

Determinar la constante de equilibrio:

Para el tubo Nº7:

Para el tubo Nº8:

VII. RECOMENDACIONES

Page 18: Laboratorio 01- equilibrio quimico

Trabajar con tranquilidad para obtener mayor precisión en los resultados

Tener cuidado con los reactivos de mayor concentración.

Antes de realizar cualquier experiencia debemos lavar y secar los

materiales bien.

VIII. CONCLUSIONES

Determinamos la constante de equilibrio para sistemas homogéneos.

A temperatura ambiente esta reacción transcurre lentamente por tanto se

debe realizar a 70º-80º en presencia de acido clorhídrico como catalizador.

Al neutralizar, realizarlo cuidadosamente y observando hasta que aparezca

la coloración que no indica en punto de equivalencia.

La reacción que se analiza es muy lenta, es por eso que la solución se deja

reposar durante una semana para obtener mayor efectividad.

Comprobamos que existen diversos factores capaces de modificar el

estado de equilibrio en un proceso químico, como son la temperatura, la

presión, y el efecto de la concentración.

La G resulta negativa, por tanto la reacción es espontánea. Un aumento

de temperatura no favorece la reacción ya que al aumentar la temperatura

el segundo término se hace más positivo y por tanto G resulta menos

negativo

En todos los procesos espontáneos la energía libre del sistema disminuye,

es decir, el valor final de G es menor que el inicial y, por tanto, G es

negativa

IX. BIBLIOGRAFÍA

Page 19: Laboratorio 01- equilibrio quimico

CASTELLAN, GILBERT W, Fisicoquímica, Addison – Wesley

Iberoamericana, Segunda Edición, 1987.

ATKINS, P. W., Fisicoquímica, Addison – Wesley Iberoamericana, Tercera

Edición, 1992.

MARON Y PRUTTON, Fundamentos de Fisicoquímica, Limusa, Décima

– quinta reimpresión, 1984.

PONZ MUZZO, GASTON, Tratado de Química Física, A.F.A, Segunda

Época. Primera Edición, 2000.