EQUILIBRIO QUÍMICO

¿Qué es el equilibrio químico?

Es una reacción que nunca llega a completarse, pues se produce simultáneamente en ambos sentidos (los reactivos forman productos, y a su vez, éstos forman de nuevo reactivos). Es decir, se trata de un equilibrio dinámico.

Cuando las concentraciones de cada una de las sustancias que intervienen (reactivos o productos) se estabiliza, es decir, se gastan a la misma velocidad que se forman, se llega al EQUILIBRIO QUÍMICO.

Constante de equilibrioEn el equilibrio las concentraciones de reactivos y productos permanecen constantes en determinadas condiciones de presión y temperatura. A la relación que hay entre estas concentraciones, expresadas en molaridad [mol/L], se le llama constante de equilibrio.El valor de la constante de equilibrio depende de la temperatura del sistema, por lo que siempre tiene que especificarse.

Así, para una reacción reversible, se puede generalizar:

Energía de activaciónSuele utilizarse para denominar la energía mínima necesaria para que se produzca una reacción química dada. Para que ocurra una reacción entre dos moléculas, éstas deben colisionar en la orientación correcta y poseer una cantidad de energía mínima. A medida que las moléculas se aproximan, sus nubes de electrones se repelen. Esto requiere energía (energía de activación) y proviene del calor del sistema, es decir de la energía traslacional, vibracional, etcétera de cada molécula.

Energía de Ionización

Cantidad mínima de energía que hay que suministrar a un átomo neutro gaseoso y en estado fundamental para arrancarle el e- enlazado con menor fuerza, es decir, mide la fuerza con la que está unido el e- al átomo.

En una energía muy elevada para lo gases nobles y es necesaria una mayo cantidad de energía.

Las energías de ionización pequeña indican que los e- se arrancan con facilidad.A medida que aumenta n el e- está más lejos del núcleo, la atracción es menor y por lo tanto, la energía de ionización es menor.En el mismo periodo aumenta la carga nuclear y la energía de ionización tiene valores más grandes.

Energía de disociaciónEs una manera de medir la fuerza de un enlace químico. Se puede definir como la energía que se necesita para disociar un enlace mediante homólisis.

Energías de enlaceUna reacción química consiste en un nuevo reagrupamiento de los átomos de los reactivos para formar los productos. Esto supone la ruptura de ciertos enlaces y la formación de otros nuevos. Si se conocen las energías necesarias para romper dichos enlaces, se podría calcular la entalpía de la reacción.

Cuanto más alta sea la energía de enlace, querrá decir que más costará romperlo, por lo que el enlace será más fuerte y más estable.

Como en la mayoría de las ocasiones se suele trabajar a presión constante, la variación de las energías de enlace coincidirá con la variación de entalpía de la reacción.

En la siguiente tabla te damos las entalpías o energías de enlace más corrientes:

Enlace Energía (KJ/mol) Enlace Energía (KJ/mol)

H – H 436 C = C 610

C – H 415 C = N 615

N – H 390 C = O 730

O – H 460 N = N 418

C – C 347 O = O 494

C – N 285 C ≡ C 830

C – O 352 C ≡ N 887

N – N 159 N ≡ N 946

 

Como puedes observar, todas las energías de enlace son positivas, ya que siempre hay que aportar energía para romper cualquier enlace. Por otro lado, las energías de formación de un enlace será la misma pero con el signo negativo, ya que en este caso la energía será liberada.

A partir de estas energías medias de enlace pueden calcularse aproximadamente las entalpías de reacción entre sustancias gaseosas de la siguiente manera:

Enlace intermolecularDentro de una molécula, los átomos están unidos mediante fuerzas intramoleculares (enlaces iónicos, metálicos o covalentes, principalmente). Estas son las fuerzas que se deben vencer para que se produzca un cambio químico. Son estas fuerzas, por tanto, las que determinan las propiedades químicas de las sustancias.Existen otras fuerzas intermoleculares que actúan sobre distintas moléculas o iones y que hacen que éstos se atraigan o se repelan. Estas fuerzas son las que determinan las propiedades físicas de las sustancias como, por ejemplo, el estado de agregación, el punto de fusión y de ebullición, la solubilidad, la tensión superficial, la densidad, etc.

Enlaces interatómicos

Este tipo de enlaces se da entre átomos de dos o mas elementos, este tipo de enlaces a su vez se divide en tres tipos diferentes, cada uno con propiedades diferentes a los otros, estos son:

ENLACE IÓNICOEste tipo de enlace se da entre un elemento metal y un no metal, en él, el elemento metal cede electrones al no metal, con esto el no metal llena su ultimo orbital y el metal queda con su ultimo orbital completo, con esto, ambos alcanzan la estabilidad.

CARACTERISTICAS DE LOS COMPUESTOS FORMADOS POR ENLACES IONICOS:

Son solidos

Son buenos conductores del calor y la electricidad

Tienen altos puntos de fusión y ebullición

Se disuelven fácilmente en agua

ENLACE COVALENTE

Este tipo de enlace se da entre elementos no metales, en el los átomos lo forman comparten los electrones de su ultimo orbital con los otros átomos para que así alcancen la estabilidad. En este tipo de enlace, los átomos no ganan ni pierden electrones, los comparten,

CARACTERISTICAS DE LOS COMPUESTOS FORMADOS POR ENLACES COVALENTES:

Se pueden presentar en cualquier estado de agregación de la materia.

Son malos conductores del calor y la electricidad.

Tienen puntos de fusión y ebullición relativamente bajos.

Son solubles en diversos solventes pero no en el agua.

ENLACE METÁLICOEste tipo de enlace se da solo entre metales, por medio de este, se mantienen unidos dos o mas metales entre sí. En este tipo de enlace, al igual que en el enlace covalente, los átomos que lo forman comparten sus electrones de valencia para alcanzar la estabilidad.

CARACTERÍSTICAS DE LOS COMPUESTOS FORMADOS POR ENLACES METALICOS:

Suelen ser sólidos, excepto el mercurio

Son excelentes conductores del calor y la electricidad

Sus puntos de ebullición y de fusión son muy variados

Presentan brillo

Energía exotérmica y endotérmica

Cuando una reacción libera energía en forma de calor o energía térmica al entorno se dice que la reacción es exotérmica y cuando la energía es suministrada del entorno para que se efectúe la reacción es endotérmica.

Reacción exotérmicaEn una reacción exotérmica la energía contenida en los reactivos es mayor que la requerida en la formación de los productos, por esta razón la energía no utilizada se libera.

Reacción endotérmica

En el caso de una reacción endotérmica la cantidad de energía contenida en los reactivos es menor, con respecto a la necesaria para la formación de los productos, por esta razón es necesario suministrar constantemente energía del entorno para que la reacción progrese.

Energía potencial relativa vs transcurso de una reacción

Factores que afectan a la velocidad de una reacción

química

Temperatura

Al aumentar la temperatura, también lo hace la velocidad a la que se mueven las partículas y, por tanto, aumentará el número de colisiones y la violencia de estas. El resultado es una mayor velocidad en la reacción. Se dice, de manera aproximada, que por cada 10 °C de aumento en la temperatura, la velocidad se duplica.

Grado de División o Estado Físico de los ReactivosEn general, las reacciones entre gases o entre sustancias en disolución son rápidas ya que las mismas están finamente divididas, mientras que las reacciones en las que aparece un sólido son lentas, ya que la reacción sólo tiene lugar en la superficie de contacto.

Si en una reacción interactúan reactivos en distintas fases, su área de contacto es menor y su rapidez también es menor. En cambio, si el área de contacto es mayor, la rapidez es mayor.

Si los reactivos están en estado líquido o sólido, la pulverización, es decir, la reducción a partículas de menor tamaño, aumenta enormemente la velocidad de reacción, ya que facilita el contacto entre los reactivos y, por tanto, la colisión entre las partículas.

Naturaleza de los reactivos

Dependiendo del tipo de reactivo que intervenga, una determinada reacción tendrá una energía de activación:

Muy alta, y entonces será muy lenta.

Muy baja, y entonces será muy rápida.

Concentración de los reactivosSi los reactivos están en disolución o son gases encerrados en un recipiente, cuanto mayor sea su concentración, más alta será la velocidad de la reacción en la que participen, ya que, al haber más partículas en el mismo espacio, aumentará el número de colisiones.

El ataque que los ácidos realizan sobre algunos metales con desprendimiento de hidrógeno es un buen ejemplo, ya que este ataque es mucho más violento cuanto mayor es la concentración del ácido.

Para una reacción: aA + bB ® cC + dD

La variación de la velocidad de reacción con los reactivos se expresa, de manera general, en la forma:

v = k [A]α [B]β

Presencia de un catalizador

Los catalizadores son sustancias que aumentan o disminuyen la rapidez de una reacción sin transformarse. La forma de acción de los mismos es modificando el mecanismo de reacción, empleando pasos elementales con mayor o menor energía de activación. En ningún caso el catalizador provoca la reacción química; no varía su calor de reacción.Los catalizadores se añaden en pequeñas cantidades y son muy específicos; es decir, cada catalizador sirve para unas determinadas reacciones. El catalizador se puede recuperar al final de la reacción, puesto que no es reactivo ni participa en la reacción.

Teoría de las colisionesPropuesta por Max Trautz y William Lewis en 1916 y 1918, cualitativamente explica como reacciones químicas ocurren y porque las tasas de reacción difieren para diferentes reacciones.

Basada en la idea que partículas reactivas deben colisionar para que una reacción ocurra, pero solamente una cierta fracción del total de colisiones tiene la energía para conectarse efectivamente y causar transformaciones de los reactivos en productos. Esto es porque solamente una porción de las moléculas tiene energía suficiente y la orientación adecuada (o ángulo) en el momento del impacto para romper cualquier enlace existente y formar nuevas.

La cantidad mínima de energía necesaria para que esto suceda es conocida como energía de activación.

Partículas de diferentes elementos reaccionan con otras por presentar energía de activación con que aciertan las otras. Si los elementos reaccionan con otros, la colisión es llamada de suceso, pero si la concentración de al menos uno de los elementos es muy baja, habrá menos partículas para otros elementos reaccionar con aquellos y la reacción irá a suceder mucho más lentamente.

Con la temperatura, la energía cinética media y velocidad de las moléculas aumenta, pero esto es poco significativo en el aumento en el número de colisiones.

La tasa de reacción aumenta con la disminución de la temperatura porque una mayor fracción de las colisiones sobrepasa la energía de activación.

La teoría de las colisiones está íntimamente relacionada a la cinética química.

Los átomos de las moléculas de los reactivos están siempre en movimiento, generando muchas colisiones (choques). Parte de estas colisiones aumentan la velocidad de reacción química. Cuantos más choques con energía y geometría adecuada exista, mayor la velocidad de la reacción.

Hay dos tipos de colisiones:

Horizontal – Colisión más lenta

Vertical – Colisión más rápida, colisión efectiva

Veamos los dos modelos de colisiones para la formación de dos moléculas de HCl:

Colisión Horizontal:

Observemos que luego de la primer colisión existe formación de apenas una molécula de HCl. La segunda molécula se formará en la segunda colisión.

Colisión Vertical

Principio de Le ChatelierSi en un sistema en equilibrio se modifica algún factor (presión, temperatura, concentración,..) el sistema evoluciona en el sentido que tienda a oponerse a dicha modificación.

Cuando algún factor que afecte al equilibrio varía, éste se altera al menos momentáneamente. Entonces el sistema comienza a reaccionar hasta que se reestablece el equilibrio, pero las condiciones de este nuevo estado de equilibrio son distintas a las condiciones del equilibrio inicial. Se dice que el equilibrio se desplaza hacia la derecha (si aumenta la contentración de los productos y disminuye la de los reactivos con respecto al equilibrio inicial), o hacia la izquierda (si aumenta la concentración de los reactivos y disminuye la de los productos).

Cambios en la temperatura

Si en una reacción exotérmica aumentamos la temperatura cuando se haya alcanzado el equilibrio químico, la reacción dejará de estar en equilibrio y tendrá lugar un desplazamiento del equilibrio hacia la izquierda (en el sentido en el que se absorbe calor). Es decir, parte de los productos de reacción se van a transformar en reactivos hasta que se alcance de nuevo el equilibrio químico.

Si la reacción es endotérmica ocurrirá lo contrario.

Adición o eliminación de un reactivo o productoConsideremos el siguiente equilibrio químico:

CO(g) + Cl2(g) Û COCl2(g)

para el que, a una cierta temperatura, se tiene:

Si se añade más cloro al sistema, inmediatamente después de la adición tenemos:

[Cl2]>[Cl2]eq1 [CO]=[CO]eq1 [COCl2]=[COCl2]eq1

Entonces:

Por tanto, el sistema no se encuentra en equilibrio. Para restablecer el equilibrio debe aumentar el numerador y disminuir el denominador. Es decir, el sistema debe de evolucionar hacia la formación del COCl2 (hacia la derecha).

Si disminuimos las concentraciones de CO, de Cl2 o de ambas, el equilibrio se desplaza hacia la izquierda, ya que tiene que disminuir el numerador.

Un aumento de la concentración de os reactivos, o una disminución de los productos hace que la reacción se desplace hacia la derecha. En cambio, una disminución de la concentración de los reactivos, o un aumento de la concentración de los productos, hacen que la reacción se desplace hacia la izquierda.

Efecto de cambios en la presión y el volumen

Las variaciones de presión sólo afectan a los equilibrios en los que intervienen algún gas y cuando hay variaciones de volumen en la reacción.

En la reacción de formación del amoniaco, hay cuatro moles en el primer miembro y dos en el segundo; por tanto, hay una disminución de volumen de izquierda a derecha:

N2 (g) + 3 H2 (g) Û 2 NH3 (g)

Si disminuimos el volumen del sistema el efecto inmediato es el aumento de la concentración de las especies gaseosas y , por tanto, de la presión en el recipiente. Dicho aumento se compensa parcialmente si parte del N2 y del H2 se combinan dando NH3, pues así se reduce el número total de moles gaseosos y, consecuentemente, la presión total. El equilibrio se desplaza hacia la derecha.

Si aumentamos el volumen ocurrirá todo lo contrario.

Efecto de un catalizador

Los catalizadores son sustancias que aceleran las reacciones químicas. No afectaran al equilibrio químico ya que aceleran la reacción directa e inversa por igual. El único efecto es hacer que el equilibrio se alcanza más rápidamente.

Equipo 4

- Itzel Roque