QuímicaMedioCuestión · 1,5 pts

Desplazamiento del equilibrio

Andalucía · 2022 · Reserva 4

Enunciado

Bloque B · B2. El denominado gas de síntesis (mezcla de

\text{CO}

\text{H}_2

) posee muchas aplicaciones en la industria química y puede obtenerse mediante la siguiente reacción:

\text{CH}_4(g) + \text{H}_2\text{O}(g) \rightleftharpoons \text{CO}(g) + 3\,\text{H}_2(g) \qquad \Delta H > 0

Justifique si las siguientes actuaciones mejorarían el rendimiento de la obtención de gas de síntesis:

a) Aumentar la temperatura a volumen constante.

b) Aumentar la concentración de vapor de agua.

c) Disminuir el volumen del reactor a temperatura constante.

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Resultado

\boxed{\;\textbf{a) SÍ} \;-\; \Delta H > 0 \Rightarrow T \uparrow \text{ desplaza a la derecha}\;}

\boxed{\;\textbf{b) SÍ} \;-\; \text{añadir un reactivo desplaza a la derecha}\;}

\boxed{\;\textbf{c) NO} \;-\; \Delta n = +2 \Rightarrow \text{la presión desplaza hacia los reactivos}\;}

Ver la solución paso a pasoestrategia, desarrollo y consejo

Estrategia

Antes de nada, anota los dos datos que gobiernan las tres respuestas:

\Delta H > 0 \;\Rightarrow\; \text{reacción } \textbf{endotérmica}

\Delta n = (1 + 3) - (1 + 1) = \mathbf{+2} \;\Rightarrow\; \text{hay } \textbf{más moles gaseosos en los productos}

Con eso, el principio de Le Châtelier resuelve los tres apartados: el sistema siempre se opone a la perturbación.

Desarrollo

a) Sí, mejora el rendimiento.

Con

\Delta H > 0

, el calor se comporta como un reactivo:

\text{CH}_4 + \text{H}_2\text{O} + \text{calor} \rightleftharpoons \text{CO} + 3\,\text{H}_2

Al aumentar la temperatura estamos aportando ese "reactivo", y el sistema se opone consumiéndolo: el equilibrio se desplaza hacia la derecha, produciendo más

\text{CO}

y más

\text{H}_2

T \uparrow \;\Longrightarrow\; K \uparrow \;\Longrightarrow\; \text{más productos}

Es un caso poco frecuente en el que subir la temperatura beneficia doblemente: acelera la reacción (mayor

k

, por Arrhenius) y desplaza el equilibrio en el sentido deseado. Por eso este proceso industrial —el reformado del metano con vapor— se opera a

700

–

1\,100\ ^\circ

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

b) Sí, mejora el rendimiento.

El vapor de agua es uno de los reactivos. Al aumentar su concentración, el cociente de reacción cae por debajo de la constante:

Q_c = \frac{[\text{CO}][\text{H}_2]^3}{[\text{CH}_4][\text{H}_2\text{O}]} \;\;\xrightarrow{\;[\text{H}_2\text{O}]\uparrow\;}\;\; Q_c < K_c

Para recuperar el equilibrio, el sistema debe aumentar el numerador y reducir el denominador: se desplaza hacia la derecha, consumiendo metano y agua y generando más gas de síntesis.

En la práctica industrial se trabaja con un exceso de vapor por esta razón (y también para evitar que se deposite carbono sobre el catalizador).

c) No, empeora el rendimiento.

Disminuir el volumen a temperatura constante equivale a aumentar la presión. El sistema se opone desplazándose hacia el lado con menos moles gaseosos:

\underbrace{1 + 1 = 2 \text{ mol}}_{\text{reactivos}} \qquad \underbrace{1 + 3 = 4 \text{ mol}}_{\text{productos}}

Como los productos ocupan más moles, el equilibrio se desplaza hacia la izquierda: se consume gas de síntesis y se regenera metano y agua. El rendimiento disminuye.

Para favorecer la reacción habría que hacer justo lo contrario: aumentar el volumen (o reducir la presión). De hecho, la industria opera a presiones lo más bajas que permite el resto del proceso.

Consejo

Empieza siempre calculando $\Delta n$ y anotando el signo de $\Delta H$ : con esos dos datos respondes cualquier cuestión de Le Châtelier sin pensar dos veces.
Perturbación Se desplaza hacia...
$T \uparrow$ el lado endotérmico
$P \uparrow$ ( $V \downarrow$ ) el lado con menos moles de gas
Añadir un reactivo los productos
Añadir un gas inerte a $V$ constante ningún lado
Y ten cuidado con esa última fila: añadir un gas inerte a volumen constante no cambia las presiones parciales, así que no desplaza nada. Solo si se añade a presión constante (dejando que el volumen crezca) actúa como una expansión.

Perturbación	Se desplaza hacia...
$T \uparrow$	el lado endotérmico
$P \uparrow$ ( $V \downarrow$ )	el lado con menos moles de gas
Añadir un reactivo	los productos
Añadir un gas inerte a $V$ constante	ningún lado