QuímicaFácilCuestión · 1,5 pts

Desplazamiento del equilibrio

Andalucía · 2019 · Junio · Opción A

Enunciado

Opción A · Cuestión 3. Uno de los métodos utilizados industrialmente para la obtención de dihidrógeno consiste en hacer pasar una corriente de vapor de agua sobre carbón al rojo, según la reacción:

\text{C}(s) + \text{H}_2\text{O}(g) \rightleftharpoons \text{CO}(g) + \text{H}_2(g) \qquad \Delta H = +131{,}2\ \text{kJ}\cdot\text{mol}^{-1}

Explique cómo afectan los siguientes cambios al rendimiento de producción de

\text{H}_2

:

a) La adición de

\text{C}(s)

.

b) El aumento de temperatura.

c) La reducción del volumen del recipiente.

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Resultado

\boxed{\;\textbf{a) No afecta: el sólido puro no interviene en } K\;}

\boxed{\;\textbf{b) Aumenta el rendimiento (reacción endotérmica)}\;}

\boxed{\;\textbf{c) Disminuye el rendimiento } (\Delta n = +1)\;}

Ver la solución paso a pasoestrategia, desarrollo y consejo

Estrategia

Anota los dos datos que gobiernan las tres respuestas antes de leer los apartados:

Es un equilibrio heterogéneo: el carbón es un sólido puro y no interviene en la constante.

K_C = \frac{[\text{CO}][\text{H}_2]}{[\text{H}_2\text{O}]}

Moles de gas: $1$ a la izquierda frente a $2$ a la derecha, luego $\Delta n = +1$ .

Es endotérmica ( $\Delta H > 0$ ): el calor se comporta como un reactivo más.

Con eso, cada apartado es una aplicación directa del principio de Le Châtelier.

Desarrollo

a) Adición de $\text{C}(s)$ : no afecta al rendimiento.

El carbón es un sólido puro, cuya actividad es constante y no aparece en la expresión de

K_C

. Añadir más no modifica las concentraciones de los gases, así que el equilibrio no se desplaza y la cantidad de

\text{H}_2

producida no varía.

Lo único que cambia es la superficie de contacto, que puede hacer que el equilibrio se alcance antes (efecto cinético), pero no altera la posición final ni el rendimiento.

b) Aumento de temperatura: aumenta el rendimiento.

Al ser

\Delta H = +131{,}2\ \text{kJ}\,\text{mol}^{-1} > 0

, la reacción directa es endotérmica y podemos escribirla como:

\text{C}(s) + \text{H}_2\text{O}(g) + \text{calor} \rightleftharpoons \text{CO}(g) + \text{H}_2(g)

Aportar calor equivale a añadir un «reactivo»: el sistema lo consume desplazándose hacia la derecha, con lo que se forma más $\text{H}_2$ . Además, en este caso el valor de la propia constante aumenta (

K

solo cambia con la temperatura).

Por eso el proceso industrial se lleva a cabo con el carbón al rojo, a temperaturas muy altas.

c) Reducción del volumen: disminuye el rendimiento.

Reducir el volumen equivale a aumentar la presión total. El sistema responde desplazándose hacia el lado con menos moles de gas:

\underbrace{1\ \text{mol}}_{\text{H}_2\text{O}(g)} \;\longleftarrow\; \underbrace{2\ \text{mol}}_{\text{CO}(g) + \text{H}_2(g)}

(El carbón, por ser sólido, no cuenta en este recuento.)

El desplazamiento es hacia la izquierda, así que se produce menos $\text{H}_2$ y el rendimiento disminuye. Industrialmente conviene, por tanto, trabajar a presiones bajas.

Simulación interactivaVisualiza este problema en una simulación (se abre en una nueva pestaña)

Consejo

Los tres apartados juegan con tres reglas distintas, así que identifica cuál toca en cada uno: sólido puro (a), signo de $\Delta H$ (b) y recuento de moles gaseosos (c). Escribirlas al principio evita mezclarlas.

En c), el error más frecuente es contar el carbón entre los moles: al ser sólido, su volumen es despreciable y no se ve afectado por la presión. Solo cuentan los gases.

Y distingue siempre el efecto termodinámico del cinético: pulverizar el carbón o añadir un catalizador acelera el proceso, pero no cambia el rendimiento; solo la temperatura modifica el valor de la constante.