CINETICA QUIMICA Y EQUILIBRIO QUIMICO
El área de la química que estudia la velocidad o rapidez con la que ocurre una reacción y los mecanismos por los cuales se lleva a cabo, se denomina cinética química. La importancia de la cinética química abarca dos aspectos: 1. predecir la velocidad que tendrá una reacción en unas condiciones determinadas de presión, temperatura, temperatur a, concentración concentración,, catalizador,… 2. determinar y comprender el mecanismo por el que tiene lugar una reacción. EL MECANISMO es el procedimiento detallado de a. rompimiento de enlaces de los reactivos y b. formación de enlaces de los productos. Es decir, todas las etapas o fases para que las reacciones se lleven a cabo. Estas deben cumplir las siguientes fases 1. Deben poseer una energía de iniciación llamada energía de activación que es la que impulsa la reacción y 2. La teoría de colisiones, propuesta hacia 1920 por Gilbert N. Lewis (1875-1946) y otros químicos, afirma que para que ocurra un cambio químico es necesario que las moléculas de la sustancia o sustancias iniciales (reactivos) entren en contacto mediante una colisión o choque. Pero no todos los choques son iguales. El choque que provoca la reacción se denomina choque eficaz y debe cumplir estos dos requisitos: Que el choque genere la suficiente energía para romper los enlaces entre los átomos. Que el choque se realice con la orientación adecuada para formar la nueva molécula.
VELOCIDAD DE REACCION La velocidad de la reacción expresa la rapidez con que se consume un reactivo dado o se forma un producto. Reactantes: desaparecen con el tiempo tiempo (signo negativo). Productos: aparecen con el tiempo (signo positivo). positivo). Para la siguiente reacción: A B para un intervalo de tiempo dado, podemos expresar la velocidad media de reacción como el aumento del número de moles de B a lo largo de un intervalo de tiempo.
Velocidad en términos de concentración. Si el volumen no cambia podemos expresar la velocidad de una reacción en término de la concentración. Velocidad media formación de B = + ∆ [B]/ ∆t o V = - ∆ [A]/ ∆t
Para la reacción aA + bB
cC + dD de manera general tenemos:
V= - 1/a ∆ [A] / ∆t = - 1/b ∆ [B] [B]// ∆t = +1/c ∆ [C] [C]// ∆t = +1/d ∆ [D] [D]// ∆t FACTORES DE LOS QUE DEPENDE LA VELOCIDAD. la velocidad de una reacción se ve influida por una serie de factores; entre ellos se pueden destacar: Naturaleza de los reactivos Se ha observado que según los reactivos que intervengan, las reacciones tienen
distinta velocidad, pero no se ha podido establecer aún unas reglas generales. Por ejemplo las reacciones en las que participan iones son más rápidas que aquellas en las que participan moléculas.
La velocidad de reacción aumenta con la concentración de los reactivos ya que se aumenta el número de colisiones efectivas. Para aumentar la concentración de un reactivo: Si es un gas, se consigue elevando su presión. Si se encuentra en disolución, se consigue cambiando la relación entre el soluto y el disolvente. Superficie de contacto de los reactivos: Cuanto más divididos están los reactivos, más rápida es la reacción.
Esto es así porque se aumenta la superficie de contacto expuesta a la misma. Temperatura En general, la velocidad de una reacción química aumenta conforme se eleva la temperatura.
Ya que aumenta la energía cinética y aumentan las colisiones. Presencia de catalizadores: Un catalizador es una sustancia, distinta a los reactivos o los productos, que
modifican la velocidad de una reacción. Al final de la misma, el catalizador se recupera por completo e inalterado. En general, hace falta muy poca cantidad de catalizador.
Los catalizadores aumentan la
velocidad de la reacción, pero no la cantidad de producto que se forma, ya que disminuye el valor de la energía de activación. Equilibrio químico: Las reacciones químicas pueden ser reversibles e irreversibles. Las reacciones irreversibles son aquellas en las que los reactivos producen productos y cuando los reactivos se agotan la reacción finaliza. Las reacciones reversibles son aquellas en las cuales cuando los reactivos producen productos estos reaccionan entre sí generando reactivos
Se representan así: aA + bB <—-> yY + zZ , Se le llama equilibrio químico al estado de un sistema donde no se observan cambios en la concentración de reactivos o productos, al transcurrir el tiempo, éstas se mantienen constantes. Esto se da en reacciones reversibles, donde la velocidad de la reacción de reactivos a productos es la misma que de productos a reactivos. Un equilibrio químico puede ser representado de la siguiente manera:
Siendo A y B, los reactivos, S y T los productos, y las letras griegas delante de cada uno, sus respectivos coeficientes estequiométricos.
FACTORES QUE MODIFICAN EL EQUILIBRIO Existen diversos factores capaces de modificar el estado de equilibrio en un proceso químico, como son: la temperatura, la presión (afectando al vo lumen) y las concentraciones. La influencia de estos tres factores se puede predecir, de una manera cualitativa por el Principio de Le Chatelier, que dice lo siguiente: Si en una reacción química en equilibrio se modifican la presión, la temperatura o la concentración de alguna de las especies reaccionantes, la reacción evolucionará en uno u otro sentido hasta alcanzar un nuevo estado de equilibrio.
Este principio es equivalente al principio de la conservación de la energía.
Efecto de la temperatura Es la única variable que, además de influir en el equilibrio, modifica el valor de su constante. Si una vez alcanzado el equilibrio se aumenta la temperatura , el sistema se opone a ese aumento de energía calorífica desplazándose en el sentido que absorba calor ; es decir, hacia el sentido que marca la reacción endotérmica . Aquí debemos recordar que en las reacciones químicas existen dos tipos de variación con la temperatura:
Exotérmica: aquella que libera o desprende calor. Endotérmica: aquella que absorbe el calor. Es importante hacer notar que a bajas temperaturas, la reacción requiere más tiempo, debido a que bajas temperaturas reducen la movilidad de las partículas involucradas. Para contrarrestar este efecto se utiliza un catalizador para acelerar la reacción. Respecto a los catalizadores, se ha determinado que estos no tienen ningún efecto sobre la concentración de los reaccionantes y de los productos en equilibrio. Esto se debe a que si un catalizador acelera la reacción directa también hace lo mismo con la reacción inversa, de modo que si ambas reacciones se aceleran en la misma proporción, no se produce ninguna alteración del equilibrio. Efecto de la presión Si aumenta la presión la reacción se desplazará hacia donde exista menor número de moles gaseosos, para
así contrarrestar el efecto de disminución de volumen, y viceversa. Lógicamente, en el caso de que las ca ntidades de moles gaseosos sean iguales para cada lado de la ecuación, no se producirán cambios, es decir que el equilibro no se desplazará. También se puede aumentar la presión del sistema sin afectar el equilibrio agregando un gas noble. Efecto de las concentraciones
Un aumento en la concentración de uno de los reactivos hace que el equilibrio se desplace hacia la formación de productos, y a la inversa en el caso de que se disminuya dicha concentración. Y un aumento en la concentración de los productos hace que el equilibrio se desplace hacia la formación de reactivos, y
viceversa en el caso de que se disminuya. Constante de Equilibrio Las constantes de equilibrio reflejan cuantitativamente a los múltiples estados de equilibrio para cada reacción. Son una medida de la mayor o menor extensión de las reacciones químicas. Una vez alcanzado el equilibrio, la proporción entre los reactivos y los productos no es necesariamente de 1 a 1. Esa proporción es descrita por medio de una relación matemática mostrada a continuación: Dada una reacción genérica: aA + bB <—-> yY + zZ , Donde A, B, Y y Z representan las especies químicas involucradas y a, b, y y z sus respectivos coeficientes estequiométricos. La fórmula que describe la proporción en equilibrio entre las en equilibrio entre las especies involucradas es:
Los paréntesis representan el valor de la concentración (normalmente en mol/L) de la especie que esta representada dentro de ellos Kc
es un concepto llamado constante de equilibrio de la reacción. Cada reacción de equilibrio posee su
constante, la cual siempre posee el mismo valor para una misma temperatura. De un modo general, la constante de equilibrio de una reacción cualquiera es calculada dividiéndose la multiplicación de las concentraciones de los productos (cada una elevada en su respectivo coeficiente estequiométricos) por la multiplicación de las concentraciones de los reactivos (cada uno elevado en su relativo coeficiente estequiométricos).
Un ejemplo de esto es la formación de trióxido de azufre (SO 3) a partir del gas oxígeno (O2) y el dióxido de azufre (SO 2(g)), que es una etapa del proceso de fabricación del ácido sulfúrico: 2 SO2(g) + O2(g) <—-> 2 SO3(g) La constante de equilibrio de esta reacción esta dada por:
Cuestionario: 1. Cuál es el propósito de la cinética química? 2. Que explican los mecanismos de las reacciones? 3. Cuáles son las condiciones para que se den las reacciones químicas? 4. Explica el concepto de velocidad de reacción. 5. Escribe la expresión de velocidad para la reacción 2 y 4 del ejercicio 1 6. Cuáles son los factores que alteran la velocidad de reacción? 7. Escribe 5 ejemplos de tu vida diaria en donde hallas utilizado o puedas utilizar los factores que alteran la velocidad de reacción. 8. Que es el equilibrio químico? En qué tipo de reacciones se da? Ejercicio 1. Escribe la constante de equilibrio de las siguientes reacciones 1. H2(g) + CO2(g) <—->
CO(g)
H2O(g) +
2. N2O4(g) <—-> 2NO2(g) 3. 2ICl(g) <—-> I2(g)+ Cl2(g) 2NH3(g) + 4. 3H2(g) + N2(g) <—-> calor 5. H2(g) + I2(g) <—-> 2HI(g) 2. Analiza para donde se desplaza el equilibrio en cada reacción anterior si: a. Se aumenta la concentración de un reactivo b. Si de disminuye la concentración de un reactivo c. Si se aumenta la concentración de un producto d. Si disminuimos la presión y si la aumentamos
Principio de Le Chatelier Ejemplo: PCl5 (g) + calor
PCl3 (g) + Cl2 (g)
1. Temperatura. Si aumentamos la temperatura entonces el sistema se opondrá al aumento de la temperatura. En el ejemplo se desplaza hacia la derecha porque absorbe calor. Si disminuimos la temperatura, la reacción se opondrá a la disminución y el equilibrio se desplaza hacia la izquierda para producir calor. 2. Presión: Los cambios de presión no afectan a sólidos ni a líquidos, sólo a gases. Aumentamos la presión a temperatura constante, según el Principio de Le Chatelier el sistema se opondrá a este aumento. En este caso se desplazará hacia la izquierda, donde hay menos moles de sustancias gaseosas, para disminuir la presión.. Las variaciones de volumen producen el efecto opuesto a las variaciones de presión (siempre con temperatura constante), porque al disminuir el volumen aumenta la presión. 3. Concentración: Si aumentamos Cl2 , entonces el equilibrio de desplaza hacia la izquierda para disminuir la concentración de Cl2 produciendo PCl 5 .Si aumentamos PCl5 entonces el equilibrio se desplaza hacia la derecha para disminuir la concentración de PCl 5
Responde: 1. Hacia donde se desplaza el equilibrio de la reacción estudiada si disminuimos la presión 2. Dado el equilibrio: 2NH3(g) + calor N 2 + 3H2(g) justifica si son verdaderas o falsas las siguientes afirmaciones: a. Al aumentar la temperatura se favorece la formación de NH 3 b. El aumento en la presión favorece la formación de H 2 c. Esta reacción será espontánea a cualquier temperatura. d. Si disminuimos la cantidad de N 2 el equilibrio se desplazará a la derecha 3. Sea el sistema de equilibrio 2C(s) + O2 (g) 2CO(g) + calor explica razonadamente como modifica el equilibrio: a. Aumentar la temperatura b. Disminuir la presión c. Disminuir la cantidad de C d. Añadir un catalizador
El pH es una medida de la acidez o alcalinidad de una solución. El pH indica la concentración de + iones hidronio [H3O+]o [H ] presentes en determinadas sustancias. La sigla significa "potencial de hidrógeno" (pondus Hydrogenii o potentia Hydrogenii; del latín pondus, n. = peso; potentia, f. = potencia; hydrogenium, n. = hidrógeno). Este término fue acuñado por el químico danés Sørensen, quien lo definió como el logaritmo negativo de base 10 de la actividad de los iones hidrógeno. Esto es: + pH = - log [H ] + Donde [H ] representa la concentración de iones de hidrógeno. Por lo tanto, en el agua neutra, donde la concentración de iones de hidrógeno es de 10-7 M, el valor del pH será: pH = - log 10-7 M
Resolviendo la ecuación:
pH = - (- 7 log 10) = -(-7 x 1) = - (- 7) = 7
En consecuencia el agua neutra posee un pH de 7. El término pH es el coeficiente que indica el grado de acidez o basicidad de una solución acuosa: el pH neutro es 7: si el número es mayor, la solución, es básica, y si es menor, es ácida. Desde entonces, el término pH ha sido universalmente utilizado por la facilidad de su uso, evitando así el manejo de cifras largas y complejas. Por ejemplo, una concentración de [H+] = 1×10-7 M (0,0000001) es simplemente un pH de 7 como se explica arriba. Desde el punto de vista práctico, podemos decir que el pH es el exponente positivo de la concentración de H+ de la solución. Por ejemplo: +
[H ] = 10-7 : pH 7
+
[H ] = 10-5 : pH 5
+
[H ]= 10-9 : pH 9
La escala de pH típicamente va de 0 a 14 en disolución acuosa, siendo ácidas las disoluciones con pH menores a 7 y alcalinas o básicas las que tienen pH mayores a 7. El pH = 7 indica la neutralidad de la disolución (cuando el disolvente es agua). Ejercicio: En la siguiente gráfica se muestra la relación entre [H+] y pH para varias sustancias.
1. Se requiere neutralizar una solución de NaOH, para ello podría A. Amoniaco B. Agua C. Leche de magnesia D. Jugo gástrico 2. si el NaOH 1M (hidróxido de sodio)es una base fuerte y el agua una sustancia neutra, es probable que la leche agria sea. A. Una base débil B. Una base fuerte C. Un acido débil D. Un acido fuerte 3. un tanque contiene agua cuyo pH es 7.Sobre el tanque cae una cantidad de lluvia acida que hace variar el pH. De acuerdo con lo anterior, el pH de la solución resultante. A. Aumenta, porque aumenta[H+]
B. Aumenta, porque disminuye [H+]
C. Disminuye, porque aumenta[H+]
D. Disminuye, porque disminuye[H+]
4. el pH de 10 corresponde al y su carácter es a. amoniaco casero básico b. jugo intestinal acido c. leche de magnesia básico d. lluvia acida básico 5. se ha recogido una cantidad de lluvia acida y accidentalmente se le agrega amoniaco casero para limpiar lo que hace que el pH del agua lluvia cambie. De acuerdo a lo anterior podemos afirmar que el pH: a. Aumenta, porque aumenta[H+] b. Aumenta, porque disminuye [H+] c. Disminuye, porque aumenta[H+] d. Disminuye, porque disminuye[H+] 6. Se tienen 1000 ml de una solución 0,5 M de KOH con pH=13,7. Si a esta solucion se le adiciona 1 mol de KOH es muy probable que. A.
Permanezca constante la concentración de la solución.
B.
Aumente la concentración de iones (OH-)
C.
Permanezca constante el pH de la solución
D.
Aumenta la concentración de iones(H+)
