Exemples de preguntes sobre l'equilibri químic
L'equilibri químic és un concepte important en química que descriu un estat on les velocitats de les reaccions directes i inverses en una reacció química són iguals. En aquesta condició, les concentracions de reactius i productes romanen constants. Aquest article proporcionarà diversos exemples de problemes i les seves solucions per ajudar a entendre el concepte d'equilibri químic.
Conceptes bàsics de l'equilibri químic
L'equilibri químic es produeix quan una reacció química pot procedir reversiblement o en ambdues direccions. Una reacció reversible es pot simbolitzar de la següent manera:
\[ \text{aA} + \text{bB} \rightleftharpoons \text{cC} + \text{dD} \]
On:
– A i B són reactius,
– C i D són productes,
– a, b, c i d són els coeficients estequiomètrics de cada substància.
Quan s'assoleix l'equilibri, la velocitat de la reacció directa (que produeix productes) és igual a la velocitat de la reacció inversa (que produeix reactius). En aquest punt, tot i que la reacció continua dinàmicament, les concentracions de totes les substàncies romanen sense canvis.
Constant d'equilibri (K)
La constant d'equilibri K_c per a la reacció anterior es pot expressar com:
\[ K_c = \frac{{[\text{C}]^c [\text{D}]^d}}{{[\text{A}]^a [\text{B}]^b}} \]
On [X] és la concentració molar de la substància X. Quan s'utilitzen pressions parcials en equilibri gasós, la constant d'equilibri s'expressa com a \(K_p\).
Exemples de preguntes d'equilibri químic
Pregunta 1: Reaccions amb dades de concentració
Es col·loca una quantitat d'1 mol de N₂ i 3 mols de H₂ en un recipient d'1 litre a una temperatura determinada. La reacció es desenvolupa de la següent manera:
\[ \text{N}_2(g) + 3 \text{H}_2(g) \rightleftharpoons 2 \text{NH}_3(g) \]
Després d'assolir l'equilibri, es troben 0,8 mol de N₂. Calcula la constant d'equilibri \(K_c\).
Discussió:
1. Determineu el canvi de concentració:
Inicialment, el nombre de mols és:
– \([\text{N}_2]_{inicial} = 1 \, \text{mol/L}\]
– \([\text{H}_2]_{inicial} = 3 \, \text{mol/L}\]
– \([\text{NH}_3]_{inicial} = 0 \, \text{mol/L}\]
En equilibri, el nombre de mols:
– \([\text{N}_2] = 0,8 \, \text{mol/L}\]
Canvi de N₂ = 1 – 0,8 = 0,2 mol/L
2. Estequiometria dels canvis:
\[
\text{N}_2(g) + 3\text{H}_2(g) \rightleftharpoons 2\text{NH}_3(g)
\]
Així doncs, els canvis per a H₂ i NH₃:
– ([H2] = 3 ± 0,2 = 0,6 mol/L)
– ([NH3] = 2 ± 0,2 = 0,4 mol/L)
Equilibri molar:
– ([H2] = 3 – 0,6 = 2,4 mol/L)
– ([NH3] = 0 + 0,4 = 0,4 mol/L)
3. Calcula \(K_c\):
\[
K_c = \frac{[\text{NH}_3]^2}{[\text{N}_2][\text{H}_2]^3}
\]
Substitueix els valors:
– ([NH3 = 0,4 mol/L)
– \([\text{N}_2] = 0,8 \, \text{mol/L}\]
– ([H2] = 2,4 mol/L)
\[
K_c = \frac{(0,4)^2}{(0,8)(2,4)^3}
\]
\[
= \frac{0,16}{0,8 \cdot 13,824}
\]
\[
= \frac{0,16}{11,0592}
aproximadament 0,0145
\]
Pregunta 2: Efecte dels canvis de concentració
Una quantitat de N₂O₄(g) es descompon en 2NO₂(g) en un recipient tancat. A una certa temperatura, la constant d'equilibri \(K_c\) és de 0,36. Si la concentració inicial de N₂O₄(g) és d'1,0 M i no hi ha NO₂(g) al principi, calculeu la concentració de NO₂(g) a l'equilibri.
Discussió:
1. Ús de la taula ICE:
\[
\begin{alinear}
\text{Reacció:} i \ \ \text{N}_2\text{O}_4(g) \rightleftharpoons 2\text{NO}_2(g) \\
\text{Inicial:} & \ \ [\text{N}_2\text{O}_4]_{0} = 1.0 \, \text{M}, \ [\text{NO}_2]_{0} = 0 \\
\text{Canvi:} & \ \ [\text{N}_2\text{O}_4]_{eq} = 1.0 – x, \ [\text{NO}_2]_{eq} = 2x \\
\end{alinear}
\]
2. Connexió amb \(K_c\):
\[
K_c = \frac{[\text{NO}_2]^2}{[\text{N}_2\text{O}_4]}
= \frac{(2x)^2}{1.0 – x}
= \frac{4x^2}{1 – x}
\]
3. Determina x:
\[
K_c = 0,36
\]
Així doncs, substitució:
\[
0,36 = \frac{4x^2}{1 – x}
\]
Multiplicació en creu:
\[
0,36(1 – x) = 4x^2
\]
\[
0,36 – 0,36x = 4x^2
\]
Mou-ho tot cap a un costat:
\[
4x^2 + 0,36x – 0,36 = 0
\]
4. Resolució d'equacions quadràtiques:
Utilitza la fórmula quadràtica:
\[
x = \frac{-b \pm \sqrt{b^2 – 4ac}}{2a}
\]
On a = 4, b = 0,36 i c = -0,36:
\[
x = \frac{-0,36 \pm \sqrt{(0,36)^2 – 4(4)(-0,36)}}{2(4)}
\]
\[
x = \frac{-0,36 \pm \sqrt{0,1296 + 5,76}}{8}
\]
\[
x = \frac{-0,36 \pm \sqrt{5,8896}}{8}
\]
Com que la concentració no pot ser negativa, escollim l'arrel positiva:
\[
x \aprox 0,36
\]
5. Concentració de NO₂:
\[
[\text{NO}_2]_{eq} = 2x = 2 \cdot 0,36 = 0,72 \, \text{M}
\]
Conclusió
Comprendre l'equilibri químic és clau per predir com reaccionarà un sistema químic en determinades condicions. Amb pràctica i una comprensió profunda, podem resoldre problemes relacionats amb aquest concepte, descriure l'estat final d'un sistema i entendre la dinàmica de les reaccions químiques en un sistema tancat. Reconèixer i utilitzar la constant d'equilibri (K_c) facilitarà la predició de les concentracions de totes les espècies en un sistema en equilibri.
