Chemical Equilibrium: reversible reactions and Le Châtelier

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Questions and Answers

En un sistema cerrado que contiene una mezcla de $Hg(g)$, $O_2(g)$ y $HgO(s)$ en equilibrio a una temperatura específica, ¿cuál de las siguientes perturbaciones resultaría en el menor desplazamiento del equilibrio según el principio de Le Châtelier?

  • Aumentar la temperatura del sistema, dado que la descomposición de $HgO$ es endotérmica.
  • Adición de $HgO(s)$ sin alterar el volumen o la presión del sistema.
  • Disminuir el volumen del sistema, incrementando la presión total.
  • Aumentar la presión parcial de $O_2(g)$ agregando un gas inerte a volumen constante. (correct)

Dada una reacción reversible hipotética: $2A(g) + B(g) \rightleftharpoons C(g)$ con una constante de equilibrio $K_p = 0.05$ a 298 K. Si se introduce una mezcla de A, B y C con presiones parciales iniciales de $P_A = 2$ atm, $P_B = 1$ atm y $P_C = 0.1$ atm, ¿cuál será la dirección espontánea de la reacción para alcanzar el equilibrio?

  • La reacción se desplazará hacia los productos (derecha) hasta que se restablezca el equilibrio.
  • La reacción está en equilibrio y no se observará ningún cambio neto.
  • La reacción se desplazará hacia los reactivos (izquierda) hasta que se restablezca el equilibrio. (correct)
  • Es imposible determinar la dirección sin conocer la entalpía de la reacción.

En la reacción de descomposición de óxido de mercurio ($HgO(s) \rightleftharpoons Hg(l) + 1/2 O_2(g)$) a una temperatura dada, ¿cómo afectará la adición de un catalizador a las concentraciones de equilibrio de $Hg(l)$ y $O_2(g)$?

  • Las concentraciones de $Hg(l)$ y $O_2(g)$ no se verán afectadas, pero el equilibrio se alcanzará más rápidamente. (correct)
  • Las concentraciones de $Hg(l)$ y $O_2(g)$ aumentarán en igual proporción.
  • Las concentraciones de $Hg(l)$ y $O_2(g)$ disminuirán debido a la reducción de la energía de activación.
  • La concentración de $Hg(l)$ aumentará, mientras que la de $O_2(g)$ disminuirá debido a un cambio en la constante de equilibrio.

Considere la reacción elemental reversible $A + B \rightleftharpoons C$, donde todas las especies están en fase gaseosa. Si la energía de activación para la reacción directa es significativamente menor que para la reacción inversa, ¿qué efecto tendrá un aumento de la temperatura en la constante de equilibrio, $K$?

<p>$K$ aumentará, favoreciendo la formación de productos. (A)</p> Signup and view all the answers

Para una reacción exotérmica en equilibrio en un sistema cerrado, ¿cuál de las siguientes afirmaciones describe con mayor precisión el efecto de aumentar la temperatura mientras se mantiene el volumen constante?

<p>El equilibrio se desplazará hacia los reactivos, disminuyendo la constante de equilibrio. (B)</p> Signup and view all the answers

En la descomposición térmica del óxido de mercurio (HgO), ¿qué observación indicaría inequívocamente que se ha alcanzado el equilibrio dinámico?

<p>La estabilización del color gris plateado del mercurio elemental, sin cambios adicionales. (D)</p> Signup and view all the answers

Considere una reacción en fase gaseosa $A(g) + B(g) \rightleftharpoons C(g) + D(g)$. ¿Cuál de las siguientes condiciones, al ser modificada, no alterará la posición de equilibrio si el número de moles de gas en ambos lados de la ecuación es el mismo?

<p>Adición de un catalizador. (C)</p> Signup and view all the answers

Se tiene la reacción reversible: $N_2(g) + 3H_2(g) \rightleftharpoons 2NH_3(g)$ $\Delta H < 0$. ¿Cuál de las siguientes modificaciones conduciría al mayor aumento en la producción de $NH_3$ en equilibrio?

<p>Disminuir la temperatura y aumentar la presión. (B)</p> Signup and view all the answers

En un sistema en equilibrio, la adición de un gas inerte a volumen constante puede alterar la presión total, pero no afecta las presiones parciales de los reactivos y productos. ¿En qué tipo de reacción esta adición no desplaza el equilibrio?

<p>Reacciones donde todos los reactivos y productos están en solución acuosa. (C)</p> Signup and view all the answers

¿Cuál de las siguientes afirmaciones describe mejor la relación entre la velocidad de reacción y el equilibrio en un sistema reversible?

<p>El equilibrio se alcanza cuando las velocidades de las reacciones directa e inversa son iguales. (D)</p> Signup and view all the answers

Para la reacción $A(g) \rightleftharpoons B(g)$, se encuentra que la constante de equilibrio $K$ aumenta significativamente al aumentar la temperatura. ¿Qué se puede inferir sobre la entalpía de la reacción?

<p>La reacción es endotérmica. (D)</p> Signup and view all the answers

Considere la reacción exotérmica $2SO_2(g) + O_2(g) \rightleftharpoons 2SO_3(g)$. ¿Qué combinación de cambios maximizará el rendimiento de $SO_3$ en equilibrio?

<p>Disminuir la temperatura y aumentar la presión. (D)</p> Signup and view all the answers

¿Cómo afecta la adición de un catalizador a una reacción reversible en equilibrio a la constante de equilibrio ($K$) y a las velocidades de las reacciones directa e inversa?

<p>$K$ no cambia, las velocidades directa e inversa aumentan. (A)</p> Signup and view all the answers

Considere la reacción $A(g) + B(g) \rightleftharpoons C(s)$. ¿Qué efecto tendrá un aumento de la presión en el equilibrio?

<p>El equilibrio se desplazará hacia los productos. (C)</p> Signup and view all the answers

Una reacción reversible tiene una constante de equilibrio $K=1$. ¿Qué indica esto sobre las concentraciones de reactivos y productos en equilibrio?

<p>Las concentraciones de reactivos y productos son iguales. (B)</p> Signup and view all the answers

En la reacción $N_2(g) + O_2(g) \rightleftharpoons 2NO(g)$, la formación de NO es endotérmica. Si se aumenta la temperatura, ¿cómo afectará esto la constante de equilibrio?

<p>La constante de equilibrio aumentará. (B)</p> Signup and view all the answers

¿Cuál de las siguientes opciones describe mejor un estado de equilibrio dinámico?

<p>Velocidades iguales de las reacciones directa e inversa. (B)</p> Signup and view all the answers

Si se aumenta la presión en un sistema gaseoso en equilibrio, ¿qué principio explica el desplazamiento del equilibrio?

<p>Principio de Le Châtelier. (B)</p> Signup and view all the answers

¿Qué indica un valor de la constante de equilibrio (K) mucho mayor que 1?

<p>El equilibrio favorece la formación de productos. (D)</p> Signup and view all the answers

Considerando la reacción $A(g) + B(g) \rightleftharpoons C(g)$ en equilibrio, ¿qué efecto tendría la adición de un gas inerte a presión constante?

<p>Desplazará el equilibrio hacia los reactivos. (C)</p> Signup and view all the answers

¿En qué se diferencia una reacción irreversible de una reacción reversible?

<p>Las reacciones irreversibles proceden solo en una dirección. (D)</p> Signup and view all the answers

¿Cuál de las siguientes condiciones no afecta el estado de equilibrio de un sistema?

<p>La adición de un catalizador. (C)</p> Signup and view all the answers

Si una reacción es exotérmica en la dirección directa, ¿qué ocurre con la constante de equilibrio al aumentar la temperatura?

<p>Disminuye. (B)</p> Signup and view all the answers

En un sistema en equilibrio donde hay más moles de gas en los reactivos que en los productos, ¿cómo afecta un aumento de la presión al equilibrio?

<p>Favorece la formación de productos. (B)</p> Signup and view all the answers

¿Qué propiedad del óxido de mercurio ($HgO$) permite observar la reversibilidad de su descomposición?

<p>Los cambios de color durante la reacción. (B)</p> Signup and view all the answers

¿Cuál es la base para la formulación de la ecuación de velocidad en un estado de equilibrio, según el texto?

<p>La ley de acción de masas. (D)</p> Signup and view all the answers

En una reacción en equilibrio, ¿qué indica una constante de equilibrio mucho menor que 1?

<p>Los reactivos predominan en el equilibrio. (B)</p> Signup and view all the answers

Según el principio de Le Châtelier, ¿cómo responde un sistema en equilibrio a la adición de calor si la reacción es exotérmica?

<p>Desplazándose hacia los reactivos. (A)</p> Signup and view all the answers

Para una reacción en fase gaseosa con igual número de moles de gas en reactivos y productos, ¿qué efecto tiene un aumento en la presión parcial de un reactivo sobre el equilibrio?

<p>Desplaza el equilibrio hacia los productos. (C)</p> Signup and view all the answers

En un sistema cerrado que contiene la reacción en equilibrio $A(g) + B(g) \rightleftharpoons C(g)$ , se duplica la concentración de A. ¿Cuál de las siguientes afirmaciones es más precisa con respecto al nuevo estado de equilibrio en comparación con el equilibrio original?

<p>La concentración de B disminuirá y la concentración de C aumentará. (A)</p> Signup and view all the answers

Considere la reacción $A(g) \rightleftharpoons B(g) + C(g)$ en equilibrio. Si se disminuye el volumen del sistema, ¿qué principio explica el desplazamiento del equilibrio?

<p>El principio de Le Châtelier. (D)</p> Signup and view all the answers

Para una reacción $A + B \rightleftharpoons C$ en equilibrio, se añade una gran cantidad de un disolvente que no reacciona con A, B o C. ¿Cuál es el efecto en el equilibrio?

<p>El equilibrio no se ve afectado. (D)</p> Signup and view all the answers

Se tiene la reacción $A(g) + 2B(g) \rightleftharpoons C(g)$. Si se aumenta la presión total del sistema añadiendo un gas inerte, ¿cómo afectará esto al equilibrio?

<p>No se verá afectado. (A)</p> Signup and view all the answers

Si se calienta un sistema en equilibrio, ¿cómo se desplazará una reacción endotérmica?

<p>Hacia los productos. (C)</p> Signup and view all the answers

En la reacción $2A(g) \rightleftharpoons B(g)$, ¿cómo afectará la adición de un catalizador al rendimiento de B?

<p>No afectará el rendimiento de B. (B)</p> Signup and view all the answers

Según la ley de acción de masas, ¿a qué es proporcional la velocidad de una reacción química?

<p>Al producto de las masas activas de las sustancias reaccionantes. (D)</p> Signup and view all the answers

En un sistema en equilibrio con una reacción exotérmica, ¿qué efecto tendrá una disminución en la temperatura?

<p>Desplazará el equilibrio hacia los productos. (B)</p> Signup and view all the answers

Flashcards

Irreversible Reactions

Reactions where reactants transform into products without reverting back.

Reversible Reactions

Reactions where products can revert back to reactants.

Chemical Equilibrium

A state where forward and reverse reaction rates are equal.

Equilibrium in Closed Systems

Equilibrium achieved in a closed system. Can be achieved by manipulating HgO, Hg and O2

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Law of Mass Action

The rate of a chemical reaction is proportional to the product of the active masses (concentrations) of the reactants.

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Mass action law

Relates reaction rates in forward and reverse directions at equilibrium.

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Chemical Equilibrium Law

It does not include solvents in excess, pure liquids, or solids.

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Equilibrium Constant (K)

Ratio of product to reactant concentrations at equilibrium. Indicates if products or reactants are favored.

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Factors Affecting Equilibrium

Concentration, pressure (for gases), and temperature.

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Le Châtelier's Principle

When a system at equilibrium is subjected to a change, it will adjust itself to counteract the change to reestablish a new equilibrium.

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Concentration Effect

Adding reactants shifts equilibrium to products; removing reactants shifts it back.

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Temperature Effect

Increasing temperature favors endothermic direction; decreasing favors exothermic.

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Pressure/Volume Effect

Pressure changes affect gaseous equilibria; higher pressure favors fewer gas molecules.

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Study Notes

  • This text is about chemical equilibrium covering irreversible and reversible reactions, dynamic equilibrium states, the law of mass action, equilibrium constant, factors affecting equilibrium, and Le Châtelier's principle

Irreversible Reactions

  • Reactants transform into products without reverting to the original reactants
  • Reactions proceed until at least one reactant is completely consumed
  • Examples include the combustion of a match or cooking food

Reversible Reactions

  • Products react to regenerate the original reactants
  • Leads to a state of chemical equilibrium
  • Equilibrium states are common in nature
  • Understanding these states is important

Dynamic Equilibrium States

  • Mercury oxide (HgO) decomposes into mercury and oxygen when heated
  • Reversibility is evident through color changes
  • HgO is originally an orange solid, turning red and then silver-gray (the color of elemental mercury) as it decomposes
  • When HgO is depleted, the reverse reaction is favored, benefiting the direct reaction and re-forming the original reactants
  • Equilibrium is reached when the rates of formation of reactants and products are equal
  • Equilibrium is a dynamic state, with reactions continuing in both directions
  • No further changes in concentrations occur because the rates of the direct and reverse reactions are equal
  • Most equilibria are achieved in closed systems
  • Equilibrium can be attained by:
    • Decomposing HgO
    • Reacting Hg with O2
    • Reacting a mixture of Hg, O2, and HgO

Law of Mass Action

  • Each reaction has its own equilibrium state, characterized by a specific relationship between the concentrations of substances involved
  • The rate of a chemical reaction is proportional to the product of the active masses of the reacting substances
  • Active masses refer to the concentrations of substances participating in the reaction
  • This law forms the basis for the rate equation
  • At equilibrium, the law relates the rates in the forward (reactants to products) and reverse (products to reactants) directions

Equilibrium Constant

  • The law of chemical equilibrium doesn't include the concentrations of solvents in large quantities, pure liquids or solids
  • Numerator: concentrations of products C and D, each raised to the power of its stoichiometric coefficient
  • Denominator: concentrations of reactants A and B, each raised to the power of its stoichiometric coefficient
  • The equilibrium constant depends only on temperature and the specific nature of the reaction once chemical equilibrium has been reached
  • Magnitude indicates if the formation of products or reactants is favored
    • Constant >> 1: equilibrium favors product formation (shifts to the right)
    • Constant << 1: equilibrium favors reactant formation (shifts to the left)
    • Constant ≈ 1: the proportion of reactants and products is similar; neither is favored

Factors Affecting Equilibrium

  • Only the concentration of substances, pressure (for gases), and temperature affect the equilibrium point of a reaction

Le Châtelier’s Principle

  • Henry le Châtelier postulated that altering any factor in a system at equilibrium affects the reaction rate
  • The equilibrium point will shift in the direction that counteracts the primary effect of the alteration

Effect of Concentration

  • Adding more reactant promotes the direct reaction, counteracting the excess reactant
  • Equilibrium shifts toward product formation to consume the added reactant
  • Decreasing the concentration of a reactant causes the system to readjust by replenishing what was lost
  • Equilibrium shifts to produce the missing species

Effect of Temperature

  • For an exothermic reaction, the reverse direction is endothermic
  • Adding energy increases the system's temperature, creating excess heat
  • Compensated by increasing the rate in the direction of reactant formation, absorbing the excess heat
  • Increasing the temperature of an endothermic reaction increases the rate of product formation
  • Temperature changes increase reaction rate in the direction that absorbs heat, favoring the endothermic reaction
  • Formally stated by Van't Hoff in 1884

Effect of Pressure or Volume

  • Pressure variation has significant effects only for substances in the gaseous state
  • Changing pressure also changes volume
  • Volume change affects the density of molecules, modifying the concentrations (or partial pressures) of the species present
  • Based on Avogadro's principle, equal numbers of moles/particles occupy the same volume under the same conditions
  • The volume of a gas is proportional to the number of molecules
  • Increased pressure favors the reaction that reduces the volume occupied
  • Decreased pressure favors the reaction that occupies a larger volume, i.e., has a greater number of particles

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