Cobre

Ácido nítrico concentrado

Sal

Hielo picado

Vaso grande

Calentador eléctrico

Agua

GRUPO HEUREMA. EDUCACIÓN SECUNDARIA

ENSEÑANZA DE LA FÍSICA Y LA QUÍMICA

sección: PRÁCTICAS DE QUÍMICA
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Equilibrio químico en gases

INTRODUCCIÓN

El equilibrio químico

 es probablemente el mejor para hacer una demostración cualitativa en la que de modo claro se observe la reversibilidad de un equilibrio y la influencia de la temperatura.

La razón de ello está en la fácil obtención de los componentes y en el color marrón del dióxido de nitrógeno frente al tetraóxido que es incoloro.

La presentación que aquí hacemos es como demostración de cátedra

 

MATERIAL

Erlenmeyer (3)

Termómetros (3)

Vasos de precipitados (2)

Tapones (3)

La fotografía 1 muestra el material anterior

Fotografía 1

 

PREPARACIÓN

Operación 1

En un recipiente grande se prepara una mezcla frigorífica abundante de sal con  hielo picado.

En el vaso que contiene el erlenemeyer 3 se añade agua y se calienta a ebullición

En cada uno de los tres erlenmeyer se añade un trocito de cobre (aproximadamente del mismo tamaño) y unos mL de ácido nítrico y de inmediato se tapan con los tapones sin apretar éstos fuertemente.

La fotografía 2 muestra los tres recipientes en los que el color es sensiblemente el mismo.

Fotografía 2

Los tres se encuentran a la misma temperatura ambiente

El número 1 se introduce en la mezcla frigorífica, el número 2 se deja al aire y el número 3 se introduce en el agua caliente. Se espera un tiempo para que el 1 se enfríe y el 3 se caliente.

Se observa como el  contenido del erlenmeyer 1 se aclara, mientras que el número 3 se oscurece. En las fotografías 3a  y 3b puede observarse el proceso y el resultado final.

Fotografía 3a

Fotografía 3b

Nota.- Durante la espera el agua caliente se enfría y  es necesario calentar de nuevo para mantener una temperatura que ronde los ochenta o noventa grados centígrados. La mezcla frigorífica tiende a calentarse, y probablemente suba algún grado su temperatura, aunque esto no afecta a lo que se pretende en la demostración.

 

Explicación de lo observado.

1) El cobre reacciona con el ácido nítrico concentrado según la reacción

Insistir por parte del Profesor en el color de la disolución de nitrato de cobre (II), y en  que la reacción es redox. Hay que igualarla.

  

2) Resaltar los cambios de color que se producen: El erlenmeyer 2 permanece prácticamente con la misma coloración ya que su temperatura no ha variado, el número 1 se ha aclarado y el 3 ha intensificado su color.

La interpretación debe hacerse a partir del equilibrio. El NO2 es marrón y el N2O4 incoloro, por tanto, el contenido del 1  al disminuir la temperatura ha evolucionado hacia la formación de mayor cantidad de  N2O4 , mientras que el 3 al aumentar la temperatura el equilibrio se ha desplazado hacia la formación de mayor cantidad de NO2.

 

Según el principio de Le Chatelier, cuando una causa externa  actúa sobre un equilibrio químico éste trata de contrarrestar en lo posible la causa externa introducida.

Se trata de contestar a la pregunta, siguiendo el anterior principio, si la reacción escrita en la forma

¿Es endotérmica o exotérmica?

 

1) Al aumentar la temperatura aumenta el NO2, ¿cómo puede contrarrestar el equilibrio  ese aumento de temperatura? Si la reacción tal como está escrita fuese exotérmica  resulta que la evolución observada todavía aumentaría más la temperatura, si la reacción tal como está escrita es endotérmica absorbería calor y trataría de bajar la temperatura, en consecuencia la reacción tal como está escrita, de tetraóxido a dióxido,  es endotérmica.

2) Al  disminuir la temperatura aumenta el N2O4, si la reacción fuese endotérmica en el sentido de NO2 a N2O4 favorecería la disminución de temperatura, luego en el sentido NO2 a N2O4 la reacción es exotérmica.

 

Operación 2

El erlenmeyer 3 se introduce en la mezcla frigorífica y el 1 en el agua caliente, el 2 se deja al aire. Se espera un tiempo y se observan los cambios de color. El proceso se expone en las fotografías 4a y 4b

Fotografía 4a

Fotografía 4b

El erlenmeyer 3 que contenía mucho NO2 disminuye la intensidad del color, lo que quiere decir que parte del NO2 ha pasado a N2O4 , por el contrario el número 1 abundante en N2O4 intensifica su color , lo cual indica que parte  del N2O4 se ha convertido en NO2.

El equilibrio es reversible, y las cantidades de reactivo en el equilibrio dependen de la temperatura: a temperatura alta el equilibrio está desplazado hacia el NO2 y a temperatura baja hacia el N2O4.

Nota para el Profesor .

En esta web en el capítulo Didáctica de la Física y Química  y en el tema Energía libre y equilibrio, se hace un estudio en profundidad del tema.  Allí puede encontrarse que para el equilibrio aquí estudiado:

a)  A 25ºC y a 1 atm de presión  existen  0,81 mol de tetraóxido y 0,38 moles de dióxido, en el equilibrio.

b) A 77ºC y a 1 atm  de presión existen  0,29 moles de tetraóxido  y 1,42 moles de dióxido, en el equilibrio.