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Constantes de equilibrio Kc y Kp
Problema
2020 · Ordinaria · Titular
C1
Examen

En un recipiente de 5 litros se introducen 2,0 moles de PClX5(g)\ce{PCl5 (g)} y 1,0 mol de PClX3(g)\ce{PCl3 (g)}. La temperatura se eleva a 250C250^\circ \text{C}, estableciéndose el siguiente equilibrio: PClX5(g)PClX3(g)+ClX2(g)\ce{PCl5 (g) <=> PCl3 (g) + Cl2 (g)}. Sabiendo que KcK_c para la reacción a esa misma temperatura es 0,042, calcule:

a) La concentración de ClX2(g)\ce{Cl2(g)} en el equilibrio.b) El valor de KpK_p a esa misma temperatura y la presión en el recipiente una vez alcanzado el equilibrio.

Datos: R=0,082 atmLK1mol1R = 0,082 \text{ atm} \cdot \text{L} \cdot \text{K}^{-1} \cdot \text{mol}^{-1}.

Equilibrio de gasesPresión parcial
a) La concentración de ClX2(g)\ce{Cl2(g)} en el equilibrio.

La temperatura en Kelvin es T=250+273.15=523.15 KT = 250 + 273.15 = 523.15 \text{ K}. Las concentraciones iniciales de los gases son:

[PClX5]0=2.0 mol5 L=0.40 M[\ce{PCl5}]_0 = \frac{2.0 \text{ mol}}{5 \text{ L}} = 0.40 \text{ M}
[PClX3]0=1.0 mol5 L=0.20 M[\ce{PCl3}]_0 = \frac{1.0 \text{ mol}}{5 \text{ L}} = 0.20 \text{ M}
[ClX2]0=0 M[\ce{Cl2}]_0 = 0 \text{ M}

Se establece la tabla ICE (Inicial, Cambio, Equilibrio) para las concentraciones:

EspecieInicial (M)Cambio (M)Equilibrio (M)PClX50.40x0.40xPClX30.20+x0.20+xClX20+xx\begin{array}{|l|c|c|c|} \hline \text{Especie} & \text{Inicial (M)} & \text{Cambio (M)} & \text{Equilibrio (M)} \\ \hline \ce{PCl5} & 0.40 & -x & 0.40 - x \\ \ce{PCl3} & 0.20 & +x & 0.20 + x \\ \ce{Cl2} & 0 & +x & x \\ \hline \end{array}

La expresión de la constante de equilibrio KcK_c es:

Kc=[PClX3][ClX2][PClX5]K_c = \frac{[\ce{PCl3}] [\ce{Cl2}]}{[\ce{PCl5}]}

Sustituyendo los valores en el equilibrio y el valor de Kc=0.042K_c = 0.042:

0.042=(0.20+x)(x)(0.40x)0.042 = \frac{(0.20 + x)(x)}{(0.40 - x)}

Reordenando la ecuación, se obtiene una ecuación cuadrática:

0.042(0.40x)=0.20x+x20.042(0.40 - x) = 0.20x + x^2
0.01680.042x=0.20x+x20.0168 - 0.042x = 0.20x + x^2
x2+0.242x0.0168=0x^2 + 0.242x - 0.0168 = 0

Resolviendo la ecuación cuadrática ax2+bx+c=0ax^2 + bx + c = 0 con x=b±b24ac2ax = \frac{-b \pm \sqrt{b^2 - 4ac}}{2a}:

x=0.242±(0.242)24(1)(0.0168)2(1)x = \frac{-0.242 \pm \sqrt{(0.242)^2 - 4(1)(-0.0168)}}{2(1)}
x=0.242±0.058564+0.06722x = \frac{-0.242 \pm \sqrt{0.058564 + 0.0672}}{2}
x=0.242±0.1257642x = \frac{-0.242 \pm \sqrt{0.125764}}{2}
x=0.242±0.354632x = \frac{-0.242 \pm 0.35463}{2}

Se obtienen dos posibles valores para xx: x1=0.056315x_1 = 0.056315 y x2=0.298315x_2 = -0.298315. Dado que la concentración no puede ser negativa, se toma el valor positivo.

x=0.056315 Mx = 0.056315 \text{ M}

La concentración de ClX2(g)\ce{Cl2(g)} en el equilibrio es:

[ClX2]eq=x0.056 M[\ce{Cl2}]_{\text{eq}} = x \approx 0.056 \text{ M}
b) El valor de KpK_p a esa misma temperatura y la presión en el recipiente una vez alcanzado el equilibrio.

Para calcular KpK_p, se utiliza la relación Kp=Kc(RT)ΔnK_p = K_c (RT)^{\Delta n}. El cambio en el número de moles de gas, Δn\Delta n, es:

Δn=(1+1)1=1\Delta n = (1 + 1) - 1 = 1

Sustituyendo los valores de KcK_c, RR, TT y Δn\Delta n:

Kp=0.042×(0.082 atmLK1mol1×523.15 K)1K_p = 0.042 \times (0.082 \text{ atm} \cdot \text{L} \cdot \text{K}^{-1} \cdot \text{mol}^{-1} \times 523.15 \text{ K})^1
Kp=0.042×42.89831.8K_p = 0.042 \times 42.8983 \approx 1.8

Para calcular la presión total en el recipiente, primero se determinan las moles de cada especie en el equilibrio:

neq(ClX2)=[ClX2]eq×V=0.056315 M×5 L=0.281575 moln_{\text{eq}}(\ce{Cl2}) = [\ce{Cl2}]_{\text{eq}} \times V = 0.056315 \text{ M} \times 5 \text{ L} = 0.281575 \text{ mol}
neq(PClX5)=(0.40x)×V=(0.400.056315) M×5 L=0.343685 M×5 L=1.718425 moln_{\text{eq}}(\ce{PCl5}) = (0.40 - x) \times V = (0.40 - 0.056315) \text{ M} \times 5 \text{ L} = 0.343685 \text{ M} \times 5 \text{ L} = 1.718425 \text{ mol}
neq(PClX3)=(0.20+x)×V=(0.20+0.056315) M×5 L=0.256315 M×5 L=1.281575 moln_{\text{eq}}(\ce{PCl3}) = (0.20 + x) \times V = (0.20 + 0.056315) \text{ M} \times 5 \text{ L} = 0.256315 \text{ M} \times 5 \text{ L} = 1.281575 \text{ mol}

El número total de moles en el equilibrio es la suma de las moles de cada especie:

ntotal=0.281575+1.718425+1.281575=3.281575 moln_{\text{total}} = 0.281575 + 1.718425 + 1.281575 = 3.281575 \text{ mol}

Finalmente, se aplica la ecuación de los gases ideales (PtotalV=ntotalRTP_{\text{total}} V = n_{\text{total}} RT):

Ptotal=ntotalRTVP_{\text{total}} = \frac{n_{\text{total}} RT}{V}
Ptotal=3.281575 mol×0.082 atmLK1mol1×523.15 K5 LP_{\text{total}} = \frac{3.281575 \text{ mol} \times 0.082 \text{ atm} \cdot \text{L} \cdot \text{K}^{-1} \cdot \text{mol}^{-1} \times 523.15 \text{ K}}{5 \text{ L}}
Ptotal=141.018 atmL5 L28.2 atmP_{\text{total}} = \frac{141.018 \text{ atm} \cdot \text{L}}{5 \text{ L}} \approx 28.2 \text{ atm}