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Transformaciones químicas · Equilibrio químico

Le Châtelier y procesos industriales

En El Salvador, la caña de azúcar y el maíz se fertilizan con productos que se fabrican a partir del amoníaco. Pero una planta de amoníaco no puede simplemente «esperar» a que el equilibrio se alcance a temperatura ambiente: tardaría una eternidad. Tampoco puede calentar sin límite para ir más rápido, porque eso mueve el equilibrio en el sentido equivocado. ¿Cómo se eligen entonces las condiciones de trabajo? Con el principio de Le Châtelier.

Principio de Le Châtelier

Un matraz cerrado con una mezcla en equilibrio de $\ce{NO2}$ (gas pardo rojizo) y $\ce{N2O4}$ (gas incoloro) se aclara al sumergirlo en agua con hielo de una hielera y se oscurece en agua caliente. ¿Cómo responde un sistema en equilibrio cuando le cambiamos las condiciones?

Diagrama de energía frente al avance de la reacción: al aportar calor avanza la reacción endotérmica hacia los productos. reactivos complejo activado productos + calor: avanza la endotérmica
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En un recipiente cerrado se establece el siguiente equilibrio químico en fase gaseosa a $298\,\text{K}$: $$\mathrm{N_2O_4(g)} \rightleftharpoons 2\,\mathrm{NO_2(g)}…

En un recipiente cerrado se establece el siguiente equilibrio químico en fase gaseosa a $298\,\text{K}$:

$$\mathrm{N_2O_4(g)} \rightleftharpoons 2\,\mathrm{NO_2(g)} \quad \Delta H^\circ = +57.2\,\text{kJ}\times\text{mol}^{-1}$$

Si el sistema se calienta a volumen constante hasta alcanzar los $350\,\text{K}$, respondé justificadamente las siguientes cuestiones:

  1. a) ¿Hacia qué sentido se desplaza el equilibrio químico para contrarrestar el incremento térmico?
  2. b) ¿Qué ocurre con el valor numérico de la constante de equilibrio $K_c$: aumenta, disminuye o permanece inalterado? Justificá por qué únicamente la temperatura es capaz de modificar su valor.
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Efecto de la concentración, la presión y el volumen

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En un cilindro provisto de un émbolo móvil a una temperatura constante de $298\,\text{K}$, se encuentra en equilibrio una mezcla gaseosa descrita por la reacción…

En un cilindro provisto de un émbolo móvil a una temperatura constante de $298\,\text{K}$, se encuentra en equilibrio una mezcla gaseosa descrita por la reacción $\mathrm{N_2O_4(g)} \rightleftharpoons 2\,\mathrm{NO_2(g)}$. El volumen inicial del sistema es $V_1 = 2.0\,\text{L}$ y contiene $0.20\,\text{mol}$ de $\mathrm{N_2O_4}$ y $0.40\,\text{mol}$ de $\mathrm{NO_2}$. Mediante la compresión del émbolo, el volumen se reduce bruscamente a $V_2 = 1.0\,\text{L}$ manteniendo la temperatura invariable.

En la siguiente ilustración se esquematiza el estado inicial del sistema en equilibrio y la situación inmediatamente posterior a la compresión del émbolo, antes de que tenga lugar el reajuste del equilibrio:

Equilibrio V₁ = 2.0 L · T = 298 K Compresión rápida Instantáneo V₂ = 1.0 L · T = 298 K N₂O₄ (g) NO₂ (g)
  1. a) Calcula el valor numérico de la constante $K_c$ en el estado inicial.
  2. b) Determina el valor del cociente de reacción $Q_c$ inmediatamente tras la compresión a $V_2 = 1.0\,\text{L}$, compáralo con $K_c$ y deduce hacia qué sentido se desplazará el sistema para alcanzar el nuevo equilibrio. Para los cálculos, utiliza el modelo ideal y los valores didácticos proporcionados.
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Catalizadores y gases inertes: lo que no desplaza el equilibrio

Dos recipientes de igual volumen: al agregar un gas inerte las concentraciones de las especies reactivas no cambian. V y T constantes + Ar mismas concentraciones

El compromiso industrial: rendimiento frente a velocidad

Gráfica de temperatura: el rendimiento de equilibrio baja y la velocidad sube; la zona intermedia es la temperatura de compromiso. temperatura rendimiento de equilibrio velocidad T de compromiso
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La síntesis de amoníaco mediante el proceso Haber-Bosch se fundamenta en la reacción exotérmica: $$\mathrm{N_2(g)} + 3\,\mathrm{H_2(g)} \rightleftharpoons…

La síntesis de amoníaco mediante el proceso Haber-Bosch se fundamenta en la reacción exotérmica:

$$\mathrm{N_2(g)} + 3\,\mathrm{H_2(g)} \rightleftharpoons 2\,\mathrm{NH_3(g)} \quad \Delta H^\circ = -92.2\,\text{kJ}\times\text{mol}^{-1}$$

Industrialmente no se opera a temperatura ambiente ni a presiones ilimitadamente altas, sino en condiciones de compromiso térmico y mecánico ($T \approx 400\text{--}450\,^\circ\text{C}$ y $P \approx 150\text{--}200\,\text{atm}$) en presencia de catalizadores de hierro promovido. Justificá estas condiciones industriales atendiendo a:

  1. a) La elección de presiones elevadas de trabajo frente a las consideraciones de costo y seguridad de la planta.
  2. b) La necesidad de emplear una temperatura intermedia ($450\,^\circ\text{C}$) frente al análisis de rendimiento de equilibrio versus velocidad de reacción.
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Procesos industriales: Haber, Bosch y Ostwald

El amoníaco se obtiene en tres pasos que se encadenan. El proceso Bosch produce el hidrógeno a partir de agua y carbón (gas de síntesis): $\ce{C(s) + H2O(g) -> CO(g) + H2(g)}$, y luego $\ce{CO(g) + H2O(g) <=> CO2(g) + H2(g)}$, exotérmica. El proceso Haber combina $\ce{N2}$ del aire con ese $\ce{H2}$ para dar $\ce{NH3}$. Con el proceso Ostwald, el amoníaco se oxida a ácido nítrico, y de allí salen fertilizantes y explosivos.

Le Châtelier en el equilibrio ácido-base

El principio de Le Châtelier también funciona en las soluciones de ácidos y bases. El vinagre contiene ácido acético, un ácido débil que se disocia solo en parte en agua: $\ce{CH3COOH <=> H+ + CH3COO-}$.

Efectos combinados: cuando presión y temperatura compiten

Dos efectos opuestos: subir la temperatura baja el rendimiento y subir la presión lo aumenta. ↑ T rendimiento ↓ ↑ P rendimiento ↑ ¿cuál domina?

Volvé al principio: en el proceso Haber se opera a unos 400-450 °C y 150-200 atm con catalizador de hierro: presión alta para desplazar el equilibrio hacia el $\ce{NH3}$, y temperatura intermedia para que la reacción sea rápida sin perder demasiado rendimiento.

Resumen

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