QuímicaMedio2,5 pts

Constante de equilibrio y grado de disociación

También trata: Desplazamiento del equilibrio

Cataluña · 2024 · Junio

Enunciado

El acetato de etilo (denominado también etanoato de etilo) es un disolvente orgánico ampliamente utilizado en diferentes sectores industriales como el de pinturas y barnices, el de cosméticos y perfumería, el alimentario, el farmacéutico o el de adhesivos. El acetato de etilo se obtiene principalmente mediante la reacción de esterificación de Fisher a partir de ácido acético y etanol, en presencia de un catalizador ácido y calor, según la reacción siguiente, en la que también se obtiene agua:

\text{CH}_3\text{COOH(l)} + \text{CH}_3\text{CH}_2\text{OH(l)} \rightleftharpoons \text{CH}_3\text{COOCH}_2\text{CH}_3\text{(l)} + \text{H}_2\text{O(l)}

Los envases de ácido acético y de etanol se suministran etiquetados con los pictogramas siguientes:

Cuatro pictogramas de peligro en rombos rojos: los pictogramas 1 (llama) y 2 (corrosión) son los del ácido acético, y los pictogramas 3 (llama) y 4 (signo de exclamación) son los del etanol

a) (1,25 puntos) Se hacen reaccionar

115{,}0\ \text{mL}

de etanol con

1{,}0\ \text{mol}

de ácido acético. Cuando la reacción llega al equilibrio quedan

0{,}15\ \text{mol}

de ácido acético sin reaccionar. Determine el valor de la constante de equilibrio (

K_c

) de la reacción. Considere que el volumen de la mezcla líquida de reacción permanece constante durante el proceso. Indique qué representan cada uno de los pictogramas del ácido acético y el etanol, y qué problemas pueden causar.

b) (1,25 puntos) Para conseguir el máximo rendimiento en un proceso industrial de obtención de acetato de etilo, se utilizan principalmente dos estrategias:

realizar la reacción con un gran exceso de etanol;
ir eliminando el agua del recipiente de reacción.

Razone por qué estas dos estrategias aumentan el rendimiento de la reacción. Explique qué efecto tendría sobre el rendimiento de la reacción el hecho de no utilizar un catalizador.

Datos: Masas atómicas relativas: H = 1,0; C = 12,0; O = 16,0. Densidad del etanol:

0{,}80\ \text{g mL}^{-1}

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Resultado

K_c = 4{,}188

. Pictogramas 1 y 3: inflamable; pictograma 2: corrosivo (quemaduras en la piel y lesiones oculares graves); pictograma 4: irritación cutánea.

b) El exceso de etanol y la eliminación del agua desplazan el equilibrio hacia los productos (Le Châtelier) y aumentan el rendimiento. Sin catalizador el rendimiento es el mismo, pero la reacción es más lenta.

Ver la solución oficialla corrección de la PAU, con los puntos de cada paso

Solución oficial

Corrección oficial de la PAU de Cataluña (Generalitat de Catalunya), traducida del catalán. Las puntuaciones de cada paso son las de la pauta de corrección.

a)

Cálculo de la constante de equilibrio $K_c$

0,10 p. Cálculo de los moles iniciales de etanol. Masa molar del etanol:

\text{CH}_3\text{CH}_2\text{OH} = 2\times 12 + 6\times 1 + 16 = 46\ \text{g mol}^{-1}

115\ \text{mL}\cdot\frac{0{,}80\ \text{g}}{1\ \text{mL}}\cdot\frac{1\ \text{mol etanol}}{46\ \text{g}} = 2\ \text{mol de etanol}

0,15 p. Cálculo de los moles en el equilibrio:

\text{CH}_3\text{COOH(l)} + \text{CH}_3\text{CH}_2\text{OH(l)} \rightleftharpoons \text{CH}_3\text{COOCH}_2\text{CH}_3\text{(l)} + \text{H}_2\text{O(l)}

	$\text{CH}_3\text{COOH}$	$\text{CH}_3\text{CH}_2\text{OH}$	$\text{CH}_3\text{COOCH}_2\text{CH}_3$	$\text{H}_2\text{O}$
Moles iniciales	1 mol	2 mol	--	--
Moles en el equilibrio	$1 - x$	$2 - x$	$x$	$x$

0,15 p. Cálculo de la

x

. Si en el equilibrio hay 0,15 moles de ácido acético, se puede calcular la

x

:

En el equilibrio

\Rightarrow 1 - x = 0{,}15

moles de ácido acético

\Rightarrow x = 0{,}85

moles

Cálculo de concentraciones. Considerando el valor de la

x

y que el volumen se mantiene constante e igual a

V

Moles $\text{CH}_3\text{COOH} = 0{,}15 \Rightarrow [\text{CH}_3\text{COOH}] = 0{,}15/V$
Moles $\text{CH}_3\text{CH}_2\text{OH} = 2 - 0{,}85 = 1{,}15 \Rightarrow [\text{CH}_3\text{CH}_2\text{OH}] = 1{,}15/V$
Moles $\text{CH}_3\text{COOCH}_2\text{CH}_3 = 0{,}85 \Rightarrow [\text{CH}_3\text{COOCH}_2\text{CH}_3] = 0{,}85/V$
Moles $\text{H}_2\text{O} = 0{,}85 \Rightarrow [\text{H}_2\text{O}] = 0{,}85/V$

0,40 p. Cálculo de

K_c

. Como el volumen se mantiene constante, en este caso se puede simplificar el cálculo de

K_c

K_c = \frac{[\text{CH}_3\text{COOCH}_2\text{CH}_3][\text{H}_2\text{O}]}{[\text{CH}_3\text{COOH}][\text{CH}_3\text{CH}_2\text{OH}]} = \frac{0{,}85\cdot 0{,}85}{0{,}15\cdot 1{,}15} = 4{,}188 \;\Rightarrow\; K_c = 4{,}188

Pictogramas 1 y 3

Pictograma de inflamable: llama sobre una línea en un rombo rojo

0,15 p. Inflamable. Los productos con este pictograma suelen presentarse en forma de gas, aerosol, líquido o vapor y presentan un alto riesgo de inflamación.

Pictograma 2

Pictograma de corrosivo: líquido que gotea sobre una superficie y sobre una mano, en un rombo rojo

0,15 p. Corrosivo. Puede ser corrosivo para algunos metales; puede provocar quemaduras en la piel y lesiones oculares graves.

Pictograma 4

Pictograma de irritación: signo de exclamación en un rombo rojo

0,15 p. Irritación cutánea. Este producto, por contacto breve, prolongado o repetido con la piel o las mucosas, puede provocar una reacción inflamatoria.

b)

Razone cómo afectan al rendimiento de la reacción el exceso de etanol y la eliminación de agua

Según el principio de Le Châtelier, la producción de acetato de etilo aumentará cuando la perturbación del equilibrio provoque que el equilibrio se desplace hacia la derecha (en el sentido de los productos). Por tanto, si se forman más productos, se incrementará el rendimiento de la reacción.

0,45 p. Gran exceso de etanol. Si hay un gran exceso de etanol, se está incrementando la concentración de uno de los reactivos; para compensarlo, según el principio de Le Châtelier, el equilibrio se desplazará hacia la formación de productos y, por tanto, el rendimiento de la reacción aumenta.

Favorece la reacción directa (hacia la derecha) y se producirá más acetato de etilo y más agua.
El rendimiento de la reacción aumenta.

0,45 p. Eliminación del agua. El agua es uno de los productos de la reacción; al eliminarla, se disminuye la concentración de uno de los productos. Para compensarlo, según el principio de Le Châtelier, el equilibrio se desplaza hacia la formación de productos y, por tanto, el rendimiento de la reacción aumenta.

Favorece la reacción directa (hacia la derecha) y se producirá más acetato de etilo y más agua.
El rendimiento de la reacción aumenta.

0,35 p. Rendimiento sin catalizador ácido. La presencia o la ausencia de catalizador no afecta al rendimiento de la reacción. Un catalizador modifica la cinética de la reacción (velocidad), pero no altera su equilibrio. Los catalizadores actúan aumentando la velocidad de la reacción; por tanto, la reacción será más lenta sin catalizador.