Factores Clave que Influyen en el Equilibrio Químico: Aplicaciones del Principio de Le Chatelier

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Cuestión 6: Desplazamiento del Equilibrio en la Reacción UO₂(s) + 4 HF(g) ⇌ UF₄(g) + 2 H₂O(g)

Suponga el siguiente sistema en equilibrio:

UO2(s) + 4 HF(g) ⇌ UF4(g) + 2 H2O(g)

Explique hacia dónde se desplaza el equilibrio cuando:

  • a) Se adiciona UO2(s) al sistema.
  • b) Se elimina HF(g).
  • c) Se aumenta la capacidad del recipiente de reacción.

Solución

Para resolver esta cuestión, compararemos la constante de equilibrio (Kc) con el cociente de reacción (Q). La reacción está inicialmente en estado de equilibrio químico, por lo que el cociente de reacción es igual a la constante de equilibrio (Q = Kc).

a) Adición de UO₂(s)

La reacción sigue en equilibrio, ya que el UO2(s) se encuentra en estado sólido y su cantidad no afecta al equilibrio químico. Las concentraciones de sólidos puros no se incluyen en la expresión del cociente de reacción.

b) Eliminación de HF(g)

Si se elimina HF(g), disminuye su concentración. Dado que HF(g) es un reactivo, su disminución en el denominador de la expresión del cociente de reacción provoca que Q > Kc. Para alcanzar de nuevo el equilibrio, Q debe disminuir hasta igualarse a Kc. Esto implica que los productos reaccionarán entre sí, disminuyendo su concentración, mientras que aumenta la cantidad de los reactivos. Decimos que el equilibrio se desplaza hacia la formación de los reactivos o hacia la izquierda.

c) Aumento de la capacidad del recipiente de reacción

Al aumentar la capacidad del recipiente, disminuye la presión total del sistema. Según el Principio de Le Chatelier, el equilibrio se desplazará en el sentido en que haya un mayor número de moles gaseosos para compensar esta disminución de presión. En la reacción UO2(s) + 4 HF(g) ⇌ UF4(g) + 2 H2O(g):

  • Moles gaseosos en los reactivos: 4 moles (de HF)
  • Moles gaseosos en los productos: 1 mol (de UF4) + 2 moles (de H2O) = 3 moles

Dado que hay 4 moles gaseosos en los reactivos y 3 moles gaseosos en los productos, el equilibrio se desplazará hacia la izquierda (hacia los reactivos), donde hay un mayor número de moles gaseosos.

Cuestión 7: Factores que Afectan la Concentración de O₂ en 2 C(s) + O₂(g) ⇌ 2 CO₂(g)

Se establece el siguiente equilibrio:

2 C(s) + O2(g) ⇌ 2 CO2(g) con ΔHº = -221 kJ.

Razone si la concentración de O2(g) aumenta, disminuye o permanece invariable cuando:

  • a) Se añade C(s).
  • b) Se aumenta el volumen del recipiente.
  • c) Se eleva la temperatura.

Solución

a) Adición de C(s)

La concentración de O2(g) permanece invariable porque el C(s) está en estado sólido y, mientras no se retire totalmente del sistema, su cantidad no afecta a la composición en el equilibrio. Las concentraciones de sólidos puros no se incluyen en la expresión del cociente de reacción.

b) Aumento del volumen del recipiente

La concentración de O2(g) disminuye. Si aumenta el volumen del sistema, disminuye la presión total. El sistema evoluciona para alcanzar un nuevo estado de equilibrio contrarrestando dicha disminución, es decir, desplazándose hacia el lado con mayor número de moles gaseosos. En la reacción 2 C(s) + O2(g) ⇌ 2 CO2(g):

  • Moles gaseosos en los reactivos: 1 mol (de O2)
  • Moles gaseosos en los productos: 2 moles (de CO2)

El equilibrio se desplaza hacia la derecha (hacia los productos), lo que aumenta la cantidad de CO2(g) y disminuye la cantidad de O2(g).

c) Elevación de la temperatura

La concentración de O2(g) aumenta. La reacción tiene un ΔHº = -221 kJ, lo que indica que es una reacción exotérmica (libera calor). Al elevar la temperatura, el equilibrio se desplaza en el sentido en que la reacción es endotérmica (absorbe calor) para contrarrestar el cambio. En este caso, el sentido endotérmico es hacia la izquierda (hacia los reactivos), lo que aumenta la concentración de O2(g).