Equilibrio químico

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

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.

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

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.