AndalucíaAndalucía
MadridMadrid
CataluñaCataluña
GaliciaGalicia
MurciaMurcia
ValenciaValencia
En construcciónAñadimos comunidades, materias, años y soluciones de forma progresiva y constante.
Equilibrio químico
Problema
2022 · Extraordinaria · Suplente
C1
Examen

En la reacción: NX2(g)+3 HX2(g)⇌2 NHX3(g)\ce{N2(g) + 3 H2(g) <=> 2 NH3(g)} a 300∘C300 ^\circ\text{C}, las concentraciones de NX2\ce{N2}, HX2\ce{H2} y NHX3\ce{NH3} en el equilibrio son, respectivamente, 0,076 M0,076 \text{ M}, 0,228 M0,228 \text{ M} y 0,084 M0,084 \text{ M}.

a) Si la concentración inicial de NHX3\ce{NH3} es cero, calcule las concentraciones iniciales de NX2\ce{N2} y HX2\ce{H2}.b) Calcule el valor de KpK_p y la presión total en el equilibrio, sabiendo que el volumen del recipiente de reacción es de 2 L2 \text{ L}.

Dato: R=0,082 atm⋅L⋅mol−1⋅K−1R = 0,082 \text{ atm} \cdot \text{L} \cdot \text{mol}^{-1} \cdot \text{K}^{-1}

Equilibrio químicoConcentraciones inicialesKp+1
Resolución del equilibrio de síntesis del amoníaco

Se establece la ecuación química ajustada para el proceso en fase gaseosa:

NX2(g)+3 HX2(g)<=>2 NHX3(g)\ce{N2(g) + 3 H2(g)} <=> \ce{2 NH3(g)}
a) Para determinar las concentraciones iniciales, se construye la tabla ICE (Inicio, Cambio, Equilibrio) expresada en molaridad (MM), considerando que la concentración inicial de amoníaco es nula:
NX2HX2NHX3[Inicio](M)c0(NX2)c0(HX2)0[Cambio](M)−x−3x+2x[Equilibrio](M)c0(NX2)−xc0(HX2)−3x2x\begin{array}{|l|c|c|c|} \hline & \ce{N2} & \ce{H2} & \ce{NH3} \\ \hline [\text{Inicio}] (M) & c_0(\ce{N2}) & c_0(\ce{H2}) & 0 \\ \hline [\text{Cambio}] (M) & -x & -3x & +2x \\ \hline [\text{Equilibrio}] (M) & c_0(\ce{N2}) - x & c_0(\ce{H2}) - 3x & 2x \\ \hline \end{array}

Utilizando el dato de la concentración de amoníaco en el equilibrio, se calcula el valor del avance de la reacción xx:

2x=0,084 M  ⟹  x=0,042 M2x = 0,084 \text{ M} \implies x = 0,042 \text{ M}

A partir de las concentraciones de equilibrio dadas para los reactivos y el valor de xx, se despejan las concentraciones iniciales:

[NX2]eq=c0(NX2)−x  ⟹  0,076=c0(NX2)−0,042  ⟹  c0(NX2)=0,118 M[\ce{N2}]_{\text{eq}} = c_0(\ce{N2}) - x \implies 0,076 = c_0(\ce{N2}) - 0,042 \implies c_0(\ce{N2}) = 0,118 \text{ M}
[HX2]eq=c0(HX2)−3x  ⟹  0,228=c0(HX2)−3(0,042)  ⟹  c0(HX2)=0,354 M[\ce{H2}]_{\text{eq}} = c_0(\ce{H2}) - 3x \implies 0,228 = c_0(\ce{H2}) - 3(0,042) \implies c_0(\ce{H2}) = 0,354 \text{ M}
b) En primer lugar, se calcula la constante de equilibrio en función de las concentraciones (KcK_c):
Kc=[NHX3]2[NX2]⋅[HX2]3=0,08420,076⋅0,2283=7,834K_c = \frac{[\ce{NH3}]^2}{[\ce{N2}] \cdot [\ce{H2}]^3} = \frac{0,084^2}{0,076 \cdot 0,228^3} = 7,834

Para obtener KpK_p, se aplica la relación entre ambas constantes, Kp=Kc(RT)ΔnK_p = K_c(RT)^{\Delta n}. Se calcula la temperatura absoluta y la variación de moles gaseosos:

T=300+273=573 KT = 300 + 273 = 573 \text{ K}
Δn=∑nproductos−∑nreactivos=2−(1+3)=−2\Delta n = \sum n_{\text{productos}} - \sum n_{\text{reactivos}} = 2 - (1 + 3) = -2
Kp=7,834⋅(0,082⋅573)−2=7,834⋅(46,986)−2≈3,55⋅10−3K_p = 7,834 \cdot (0,082 \cdot 573)^{-2} = 7,834 \cdot (46,986)^{-2} \approx 3,55 \cdot 10^{-3}

La presión total en el equilibrio se determina mediante la suma de las concentraciones molares de todas las especies presentes y la ley de los gases ideales:

ctotal=[NX2]eq+[HX2]eq+[NHX3]eq=0,076+0,228+0,084=0,388 Mc_{\text{total}} = [\ce{N2}]_{\text{eq}} + [\ce{H2}]_{\text{eq}} + [\ce{NH3}]_{\text{eq}} = 0,076 + 0,228 + 0,084 = 0,388 \text{ M}
Ptotal=ctotal⋅R⋅T=0,388⋅0,082⋅573=18,23 atmP_{\text{total}} = c_{\text{total}} \cdot R \cdot T = 0,388 \cdot 0,082 \cdot 573 = 18,23 \text{ atm}