Examen resuelto de equilibrio químico para estudiantes

Los ejercicios de equilibrio químico son fundamentales para comprender una de las bases de la química moderna. Estos ejercicios no solo ayudan a los estudiantes a afianzar sus conocimientos teóricos, sino que también preparan el camino para la resolución de problemas complejos en la química. En este artículo, exploraremos diversos ejercicios resueltos, proporcionando ejemplos claros y pasos detallados que faciliten la comprensión del equilibrio químico.

Ejercicios de exámenes de equilibrio químico resueltos

En esta sección, recopilaremos ejercicios de exámenes anteriores, específicamente de la selectividad de 2º de Bachillerato, que proporcionan una visión integral sobre el tema de equilibrio químico. Cada ejercicio será desglosado para mostrar el proceso de resolución y los conceptos aplicados.

Ejercicio resuelto 1: Equilibrio de PCl5

En este ejercicio, se establece el equilibrio: PCl₅ (g) ⇆ PCl₃ (g) + Cl₂ (g), calentando 10,4 g de pentacloruro de fósforo a 150 ºC en un recipiente de 1 L. La presión total en equilibrio es de 1,91 atm.

• Parte a): Calcular las concentraciones molares de todas las especies en equilibrio.
• Parte b): Calcular las constantes del equilibrio K_c y K_p.
• Parte c): Justificar cómo afecta a la disociación de PCl₅ un aumento de la presión del sistema.

Para resolver cada una de estas partes, se aplican las definiciones de concentración, constantes de equilibrio y el principio de Le Chatelier, que describe cómo un sistema en equilibrio reacciona ante cambios en las condiciones.

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Ejercicio resuelto 2: Equilibrio entre I2 y Br2

En un recipiente cerrado de 400 mL se introducen 2,032 g de yodo (I₂) y 1,280 g de bromo (Br₂). Se eleva la temperatura a 150 ºC y se alcanza el equilibrio:

I₂ (g) + Br₂ (g) → 2 IBr (g).

• Parte a): Calcular K_p para este equilibrio a 150 ºC.
• Parte b): Calcular la presión total en el equilibrio.
• Parte c): Determinar la masa de yodo que queda en el equilibrio.

Los cálculos se realizarán utilizando la relación entre presión y concentración, así como la constante de equilibrio ya que K_c y K_p están conectadas por la ecuación: K_p = K_c(RT)^Δn, donde Δn es el cambio en el número de moles de gas.

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Cálculo del grado de disociación en equilibrio

Consideremos el compuesto NOBr (g) que se descompone según la reacción:

2 NOBr (g) ⇆ 2 NO (g) + Br₂ (g).

En un matraz de 1 L se introducen 2,0 mol de NOBr. Cuando se alcanza el equilibrio a 25 °C, se observa que se han formado 0,050 mol de Br₂.

• Parte a): Calcular el grado de disociación del NOBr.
• Parte b): Determinar las concentraciones de cada especie en el equilibrio.
• Parte c): Calcular K_c y K_p y la presión total.

Estos cálculos son vitales para entender cómo las variaciones en la cantidad de reactivos afectan la posición del equilibrio y las condiciones del sistema.

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Ejercicios sobre equilibrio heterogéneo

Los equilibrios heterogéneos involucran diferentes fases de materia. Aquí se presentan dos ejercicios relevantes.

Ejercicio 1: Descomposición de NH4HS

Se coloca 7,2 g de NH₄HS(s) en un recipiente de 4,0 L, cerrado al vacío y a 23 ºC. La muestra se descompone alcanzando el equilibrio:

NH₄HS(s) ⇆ NH₃(g) + H₂S(g).

• Parte a): Determinar la cantidad en mol de cada especie en el equilibrio.
• Parte b): Obtener K_c y K_p.
• Parte c): Calcular el porcentaje de sólido descompuesto.

Este tipo de ejercicio es clave para entender cómo los sólidos pueden influir en la cantidad de productos gaseosos en equilibrio.

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Ejercicio 2: Descomposición de NH4I

En un matraz de 5 L se introducen 14,5 g de yoduro de amonio (NH₄I) sólido. Cuando se calienta a 650 K, se descompone según la reacción:

NH₄I (s) ⇄ NH₃ (g) + HI (g) K_c= 7,6·10^-5.

• Parte a): Calcular K_p a 650 K y la presión total dentro del matraz.
• Parte b): Determinar los moles de NH₄I que quedan en el matraz.

Las reacciones de equilibrio heterogéneo son esenciales en la química industrial, donde se evalúan las condiciones óptimas para maximizar la producción de productos deseados.

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Ejercicios sobre el principio de Le Chatelier

El principio de Le Chatelier establece que si un sistema en equilibrio es sometido a un cambio, el equilibrio se desplazará para contrarrestar ese cambio. Analicemos un ejercicio relacionado.

Para el equilibrio: CO₂(g) + H₂(g) ⇆ CO(g) + H₂O(g), se dan las concentraciones en equilibrio de las sustancias reaccionantes:

• [CO₂] = 0,086 M
• [H₂] = 0,045 M
• [CO] = 0,50 M
• [H₂O] = 0,04 M

Las preguntas son:

• a) Calcular K_c y K_p.
• b) Si se eleva la concentración de CO₂ hasta 0.5 M, ¿cuáles serán las nuevas concentraciones cuando se restablezca el equilibrio?

Este tipo de ejercicio ayuda a los estudiantes a entender cómo manipular los sistemas químicos para obtener resultados deseados en procesos industriales.

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Ejercicios de equilibrio químico en exámenes de selectividad

Los exámenes de selectividad suelen incluir una variedad de ejercicios sobre equilibrio químico. Analicemos algunos ejemplos relevantes.

Ejercicio sobre el equilibrio de H2 y CO2

Para el equilibrio: H₂ (g) + CO₂ (g) ⇌ H₂O (g) + CO (g), la constante K_C = 4,40 a 200 K.

• a) Calcular las concentraciones en el equilibrio cuando se introducen 1 mol de H₂ y 1 mol de CO₂ en un reactor de 4,68 L a dicha temperatura.
• b) Calcular la presión parcial de cada especie en equilibrio y el valor de K_P.

Los ejercicios sobre este tema son recurrentes y permiten a los estudiantes practicar la aplicación de conceptos teóricos a situaciones prácticas.

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Ejercicio sobre el pentacloruro de antimonio

Se introducen 0,5 moles de pentacloruro de antimonio en un recipiente de 2 L. Se calienta a 200 ºC y se alcanza el equilibrio:

PCl₅ (g) ⇆ PCl₃ (g) + Cl₂ (g).

• a) Escribir la reacción de descomposición del pentacloruro de antimonio.
• b) Calcular K_c para la reacción anterior.
• c) Calcular la presión total de la mezcla en el equilibrio.

Este ejercicio es un excelente ejemplo de cómo los conceptos de equilibrio se aplican a reacciones específicas en condiciones controladas.

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En conclusión, practicar ejercicios de equilibrio químico es esencial para comprender tanto la teoría como la aplicación práctica de este tema. Los ejemplos presentados aquí ilustran cómo se pueden resolver problemas complejos y cómo aplicar las leyes de la química en situaciones reales. Para aquellos que buscan profundizar más en este tema, se recomienda consultar recursos adicionales y practicar con más ejercicios.

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