Órdenes de reacción y equilibrio en la síntesis de NOCl
Un grupo de investigación mide la velocidad inicial de la reacción 2 NO(g) + Cl2(g) → 2 NOCl(g) a 298 K en un reactor de 1,00 L. En la serie de experimentos obtiene: (1) [NO]0 = 0,100 M, [Cl2]0 = 0,100 M, v0 = 1,20×10^−3 M·s^−1; (2) [NO]0 = 0,200 M, [Cl2]0 = 0,100 M, v0 = 4,80×10^−3 M·s^−1; (3) [NO]0 = 0,100 M, [Cl2]0 = 0,200 M, v0 = 2,40×10^−3 M·s^−1. En un ensayo independiente, una vez alcanzado el equilibrio a la misma temperatura, las concentraciones son [NOCl] = 0,50 M, [NO] = 0,10 M y [Cl2] = 0,05 M. Después mezclan 0,80 mol de NOCl, 0,10 mol de NO y 0,05 mol de Cl2 en un recipiente de 1,00 L. El responsable quiere saber si debe aumentar la presión total para obtener más NOCl y si añadir un catalizador cambiará la constante de equilibrio.
1. Determina los órdenes de reacción respecto de NO y Cl2, la ecuación de velocidad y el valor de k con sus unidades.
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Comparando (1) y (2): al duplicar [NO] y mantener [Cl2], la velocidad se multiplica por 4. Por tanto, orden respecto de NO = 2. Comparando (1) y (3): al duplicar [Cl2] y mantener [NO], la velocidad se multiplica por 2. Orden respecto de Cl2 = 1. Ecuación de velocidad: v = k[NO]²[Cl2].
k = v/([NO]²[Cl2]) = 1,20×10^−3/(0,100²×0,100) = 1,20×10^−3/1,00×10^−3 = 1,20 M^−2·s^−1.
2. Calcula Kc a 298 K y decide en qué sentido evoluciona la mezcla de 0,80 mol de NOCl, 0,10 mol de NO y 0,05 mol de Cl2 en 1,00 L.
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Kc = [NOCl]²/([NO]²[Cl2]) = (0,50)²/[(0,10)²(0,05)] = 0,25/(0,01×0,05) = 0,25/5,00×10^−4 = 500.
Para la mezcla: [NOCl] = 0,80 M; [NO] = 0,10 M; [Cl2] = 0,05 M. Q = (0,80)²/[(0,10)²(0,05)] = 0,64/5,00×10^−4 = 1280. Como Q > Kc, la reacción evoluciona hacia reactivos: se descompone parte del NOCl hasta que Q = 500.
3. Explica el efecto de aumentar la presión total por compresión y el de añadir un catalizador sobre la cantidad de NOCl en el equilibrio.
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En la reacción hay 3 mol de gas en reactivos (2 NO + 1 Cl2) y 2 mol de gas en productos (2 NOCl). Al comprimir aumenta la presión total y el sistema se desplaza hacia el lado con menor número de moles gaseosos, es decir, hacia productos. Por tanto, aumenta la cantidad de NOCl en el equilibrio.
Un catalizador acelera la llegada al equilibrio, pero no cambia Kc ni la posición de equilibrio; las concentraciones finales de NOCl serán las mismas.