Equilibrio Químico y Espontaneidad de Reacciones: Factores y Predicciones

Equilibrio Químico: Efecto de la Temperatura, Presión y Concentración

Se considera el siguiente equilibrio químico:

H₂O (g) + CO (g) ⇆ CO₂ (g) + H₂ (g)

Se sabe que la constante de equilibrio Kc a 900 ºC es 0,003, mientras que a 1200 ºC es 0,2. A continuación, se responden las siguientes preguntas:

A) Determinación del Carácter Endotérmico o Exotérmico de la Reacción

Para determinar si la reacción es exotérmica o endotérmica, se analiza la variación de la constante de equilibrio (Kc) con la temperatura. Se observa que Kc aumenta al aumentar la temperatura (de 0,003 a 900 ºC a 0,2 a 1200 ºC). Según el principio de Le Chatelier, un aumento de temperatura favorece la reacción endotérmica (aquella que absorbe calor). Por lo tanto, dado que Kc aumenta con la temperatura, se concluye que la reacción directa es endotérmica (ΔH⁰ > 0).

El equilibrio químico representa un balance entre la reacción directa y la inversa. Controlando ciertas variables, se puede desplazar el equilibrio en la dirección deseada. La velocidad de reacción depende del número de choques eficaces entre las moléculas de los reactivos, influenciado por la concentración, temperatura, presión y volumen.

B) Temperatura Óptima para la Producción de CO₂

La expresión de la constante Kc para el equilibrio es:

Kc = [CO₂][H₂] / ([H₂O][CO])

Como se mencionó anteriormente, Kc es mayor a 1200 ºC que a 900 ºC. Esto indica que a mayor temperatura, la concentración de CO₂ (presente en el numerador de la expresión de Kc) es mayor. Por lo tanto, la temperatura más adecuada para favorecer la producción de CO₂ es 1200 ºC.

C) Efecto de un Aumento de Presión

Un aumento de presión en el sistema en equilibrio implica una disminución del volumen. Sin embargo, en esta reacción en particular, el número de moles gaseosos es el mismo en ambos lados de la ecuación (2 moles de reactivos y 2 moles de productos). Por lo tanto, un cambio en la presión no afectará la posición del equilibrio. No se favorece ni la formación de productos ni de reactivos.

D) Efecto de la Eliminación de H₂

Si se elimina H₂ a medida que se forma, se disminuye su concentración. Según el principio de Le Chatelier, el sistema responderá contrarrestando este cambio. Para ello, el equilibrio se desplazará hacia la derecha, consumiendo H₂O y CO para producir más CO₂ e H₂, hasta alcanzar un nuevo estado de equilibrio.

Espontaneidad de las Reacciones Químicas

A) Relación entre Espontaneidad y Reacciones Exotérmicas

¿Es suficiente que una reacción sea exotérmica para que sea espontánea? No, no es suficiente. La espontaneidad de una reacción química se determina por el cambio en la energía libre de Gibbs (ΔG), no solo por la entalpía (ΔH). La ecuación que relaciona estas variables es:

ΔG = ΔH - TΔS

Donde:

• ΔG: Cambio en la energía libre de Gibbs.
• ΔH: Cambio en la entalpía (calor liberado o absorbido a presión constante).
• T: Temperatura absoluta (en Kelvin).
• ΔS: Cambio en la entropía (medida del desorden del sistema).

Para que una reacción sea espontánea, ΔG debe ser negativo. Esto puede ocurrir en las siguientes situaciones:

1. Reacción exotérmica (ΔH < 0) y aumento de entropía (ΔS > 0): La reacción siempre será espontánea.
2. Reacción exotérmica (ΔH < 0) y disminución de entropía (ΔS < 0): La reacción será espontánea a bajas temperaturas.
3. Reacción endotérmica (ΔH > 0) y aumento de entropía (ΔS > 0): La reacción será espontánea a altas temperaturas.
4. Reacción endotérmica (ΔH > 0) y disminución de entropía (ΔS < 0): La reacción nunca será espontánea.

B) Reacción Hipotética con Igualdad de Calores de Reacción

Se propone la siguiente reacción hipotética entre gases:

A₂(g) + B₂(g) → 2AB(g)

Donde:

• Qp = Calor de reacción a presión constante (ΔH).
• Qv = Calor de reacción a volumen constante (ΔU).

La relación entre Qp y Qv es:

Qp = Qv + ΔnRT

o

ΔH = ΔU + ΔnRT

Donde Δn es el cambio en el número de moles gaseosos (moles de productos gaseosos - moles de reactivos gaseosos). Para que Qp sea igual a Qv (ΔH = ΔU), Δn debe ser igual a cero. En la reacción propuesta, Δn = 2 - (1 + 1) = 0. Por lo tanto, en esta reacción, el calor de reacción a presión constante es igual al calor de reacción a volumen constante.

Velocidad de Reacción: Factores que la Afectan

Se evalúan las siguientes afirmaciones como Verdaderas (V) o Falsas (F):

A) Efecto de la Temperatura

Falso. La velocidad de una reacción aumenta al aumentar la temperatura. Una mayor temperatura implica una mayor energía cinética de las moléculas, lo que conduce a un mayor número de choques eficaces.

B) Efecto de la Energía de Activación

Verdadero. La velocidad de una reacción aumenta al disminuir la energía de activación (Ea). Según la ecuación de Arrhenius, una menor Ea resulta en una mayor constante de velocidad y, por lo tanto, una mayor velocidad de reacción.

C) Efecto de la Concentración de los Reactivos

Falso. La velocidad de una reacción aumenta al aumentar las concentraciones de los reactivos. Una mayor concentración implica un mayor número de moléculas reaccionantes por unidad de volumen, lo que aumenta la probabilidad de choques eficaces.