Equilibrio Químico

Muchas reacciones químicas finalizan cuando las sustancias

reaccionantes se agotan. A este tipo de reacción se le conoce como

reacción irreversible. Sin embargo, en la mayoría de los casos, los

reactantes se convierten en productos y los productos en reactantes.

Cuando esto ocurre, se dice que la reacción es reversible.

Se produce un Equilibrio Químico cuando los reactantes se forman tan

rápidamente como los productos, de modo que la composición de la

mezcla permanece constante y no cambia con el tiempo.

Un equilibrio químico se representa con la siguiente ecuación:

a A + b B c C + d D Proceso dinámico y reversible

Se define entonces una Constante de Equilibrio según la Ley deacción de masas Kc, la cual es una medida cuantitativa delequilibrio químico.

Kc = [C]c [D]d

[A]a [B]b

En toda reacción química reversible, el producto de las

concentraciones de las sustancias que se obtienen en la reacción,

dividido por el producto de las concentraciones de las sustancias

reaccionantes, tomadas las concentraciones en el momento de

equilibrio, es una cantidad constante llamada constante de

equilibrio.

Cambios de concentración

Cambios de presión o volumen

Cambios de temperatura

Presencia de catalizadores

Principio de Le Chatelier

Si un sistema en equilibrio se somete a una modificación, el sistema

reaccionará desplazándose en el sentido de compensar el cambio

introducido.

Dirección del desplazamiento

+ [ ] de A o B derecha

+ [ ] de C o D izquierda

- [ ] de A o B izquierda

- [ ] de C o D derecha

Un aumento de cualquier componente de un sistema en equilibrio hará

que éste se desplace en la dirección que tienda a consumir parte de la

sustancia agregada.

La Kc no depende de las proporciones en las cuales los reactantes se

mezclan.

a A + b B c C + d D

Dirección del desplazamiento

+ Presión hacia donde disminuye el número total de

moles de gases

- Presión hacia donde aumenta el número total de

moles de gases

+ Volumen hacia donde aumenta el número total de

moles de gases

- Volumen hacia donde disminuye el número total de

moles de gases

Cuando se aumenta la presión de un sistema en equilibrio, el equilibrio

se desplaza en la dirección que tiende a disminuir la presión o en la

dirección que se produzca el menor volumen (relacionar con recuadro).

aA (g) cC (g)

CO (g) + 2H2 (g) CH3OH (g)

Condición inicial 3 volúmenes de gas 1 volumen de gas

En este caso al aumentar la presión el equilibrio se desplazará hacia la

formación de productos.

Cuando no existe diferencia de volúmenes entre reactantes y

productos, la variación de presión no afectará al sistema en equilibrio,

por lo tanto, tampoco modificará el valor de la constante de equilibrio.

a A + b B c C + d D

Dirección del desplazamiento

+ T izquierda (favorece reacciones endotérmicas)

- T derecha (favorece reacciones exotérmicas)

Cuando la temperatura de un sistema en equilibrio se aumenta,

el equilibrio se desplaza en la dirección que absorbe el calor. Si la

temperatura de un sistema disminuye, el equilibrio se desplaza en

la dirección que se libera calor.

Si la energía que entra en juego en la reacciones químicas es la calórica,

entonces las reacciones se denominan exotérmicas cuando se desprende

calor y endotérmicas cuando absorbe calor.

Si la reacción ocurre a presión constante y se produce un cambio de energía

calórica estos cambios se conocen con el nombre de cambios de entalpía

(DH).

Si DH > 0, significa que al sistema se le ha suministrado (absorbe) calor

(reacción endotérmica).

Si DH < 0, significa que el sistema desprende calor, disminuyendo su

contenido calórico (reacción exotérmica).

Reacción endotérmica Reacción exotérmica

Los catalizadores son sustancias que influyen en la velocidad de

reacción, aumentando o disminuyendo dicha velocidad.

No provocan reacción química y tampoco sufren transformación

alguna.

No provocan cambios ni efectos sobre las concentraciones de

equilibrio, por lo tanto, tampoco afectan ni cambian la constante de

equilibrio. Sólo establecen más rápido o más lento dicho equilibrio.

En el equilibrio : N2 (g) + 3H2 (g) 2NH3 (g) DH = -92 KJ

Kc = -------------

[N2] [H2]3

Qué sucede si:

-Aumenta la concentración de H2

-Aumenta la concentración de NH3

-Aumenta la concentración de N2

-Disminución de la concentración de NH3

-Disminución de la concentración de H2

-Aumenta la presión

-Aumenta la temperatura

-Presencia de un catalizador

[NH3]2

nada

Cuando todas las especies presentes en una reacción están en la

misma fase.

a A(g) + b B(g) c C(g) + d D(g)

Kc = [C]c [D]d

[A]a [B]b

N2O4 (g) 2NO2 (g)Ejemplo

Kc = --------[NO2]

2

[N2O4]

[H2][CO2]

[H2O] [CO]

[HI]2

[H2] [I2]

[NOBr]2

[Br2][NO]2

[O2]3

[O3]2

[C10H12]

[C5H6]2

[NH3]

[N2]1/2[H2]

3/2

[H+] [HS-]

[H2S]

Cuando las especies presentes en una reacción coexisten en dos o

más fases.

Las concentraciones de los reactantes o productos sólidos insolubles

o líquidos puros convencionalmente se omiten de la constante de

equilibrio, porque sus concentraciones no varían.

a A(s,l) + b B(g) c C(g) + d D(g)

Kc’ = [C]c [D]d

[A]a [B]b

Kc = [C]c [D]d

[B]b

CaCO3 (s) CaO (s) + CO2 (g)

Kc’ = ----------------[CaO][CO2]

[CaCO3]

Kc = [CO2]

[CO2]

[CO]

[H2O]2

[CO2] [H2]2

[CO2]

[CO2] [H2O]

[O2]

[H2O2]2

[H2O]3

1

(s)

(s)

(s) (s)

(s)

(s) (s)

(s)(s) +

Proceso dinámico y reversible

a A (g) + b B (g) c C(g)

Para una reacción en fase gaseosa, la constante de equilibrio está dada por:

Kp = PCc

PAa x PB

b

N2O4 (g) 2NO2 (g)

Kp = --------P2

NO2

PN2O4

Ejemplo

1) Considere la reacción: 2H2 (g) + S2 (g) 2H2S (g) a la temperatura de

700ºC. En el equilibrio se encuentran 2,5 mol de H2, 1,35x10-5 mol de S2

y 8,7 mol de H2S. Determine Kc sabiendo que el volumen del recipiente

es 12L.

Kc = 1,08 x 107

[H2S]2

[H2]2[S2]

Kc = ------------

(8,7 mol/12L)2

[(2,5 mol/12L)2 x (1,35x10-5 mol/12L)]Kc = -------------------------------------------------

Cinética Química

Objetivos de la Cinética Química:

• Medir las velocidades de las reacciones químicas y

encontrar ecuaciones que relacionen la velocidad de

las reacciones

• La velocidad de una reacción es proporcional al

aumento de la concentración de un producto o a la

disminución de concentración de un reactivo por

unidad de tiempo.

Teoría de Colisiones de las velocidad de reacción

• Para que una reacción pueda ocurrir es necesarios

que los átomos, iones o moléculas colisionen.

•A mayor número de moléculas presentes, mayor

número de colisiones por unidad de tiempo, sin

embargo, no todas las colisiones son efectivas.

Teoría de las colisionesLas reacciones químicas se producen por los choques

eficaces entre las moléculas de reactivos

I

I

H

H

Choque

I

I

I

I

H

H

H

H

I

I

H

H

I

I

H

H

I2 + H2

HI + HI

I2 H2

Veamos la reacción de formación del HI a partir de I2 e H2

Además del choque adecuado las moléculas tienen que tener una energía

suficiente, esta energía mínima se denomina Energía de activación.

Colisión Efectiva

Se requiere que la especie reaccionante tenga.

• Una energía mínima necesaria para el

reordenamiento de las electrones externos, para

facilitar la ruptura y formación de enlaces.

Denominada Energía de Activación (Ea).

• Una orientación adecuada entre partículas, con el

fin de hacer efectiva la colisión.

Factores que afectan la velocidad de reacción

• Naturaleza de los reactivos

• Concentración de los reactivos

• Temperatura

• Catalizadores

1. Concentración de sustancias reaccionantes

Al aumentar la concentración aumenta la posibilidad de que

el numero de choques sean efectivos, y por tanto aumentara

la velocidad de la reacción.

Asi : Cl2(g) + H2(g) --> 2HCl(g)

experimentalmente se sabe que la velocidad de la reacción

es proporcional a la concentración de Cl2 y H2

v = K[H2] [Cl2]

Grafica de concentración de reactivos en el tiempo

N2 + 3H2 2NH3

2. Temperatura

Se observa experimentalmente que la velocidad de

las reacciones químicas aumenta con la temperatura.

Al aumentar la temperatura aumentara la energía

cinética y también el porcentaje del numero de

choques efectivos entre moléculas, puesto que al

aumentar adquieren una mayor energía de activación

(Ea) y con ello aumentara la velocidad de reacción.

3.Estado físico de los reactivos

Las condiciones más favorables para que se produzcan

choques eficaces entre las sustancias reaccionantes son

aquellas en que las moléculas se encuentran en estado

gaseoso o bien disueltas formando iones.

“ cuando en la reacción intervienen especies gaseosas, la

velocidad de reacción dependerá del numero de enlaces que

han de romperse y del numero de moléculas que han de

colisionar”

4. Influencia de catalizador

Un catalizador “es una sustancia que, aun en cantidades

muy pequeñas, varia en gran medida la velocidad de un

proceso químico sin apreciar apenas ningún cambio en si

mismo”

Su acción se limita, exclusivamente a modificar la energía

de activación (Ea).

Teoría del Estado de Transición

En las reacciones químicas ocurre la ruptura y la

formación de enlaces químicos. La energía asociada a

estos procesos es del tipo potencial

Un Estado de Transición se define como una especie,

en la cual se estan rompiendo y formando enlaces.

Perfil de reacción: N2O + NO N2 + NO2

Reacción exotérmica

A + B2 AB + B + calor

TEORIA DEL ESTADO DE

TRANSICION

Sup. una reacción exotérmica:

A + B2 AB + B + calor

Según la teoría del estado de transición los reactivos atraviesan por un estado intermedio de alta energía de corta duración, llamado ESTADO DE TRANSICIÓN antes de formar los productos

TEORIA DEL ESTADO DE

TRANSICION

Sup. una reacción endotérmica:

A + B2 + calor AB + B

Reacción Endotérmica

A + B2 + calor AB + B

Energía

de activación

Transcurso de la reacción

Complejo

activado

Reactivos

DH<0

Energía

de activación

Transcurso de la reacción

Complejo

activado

Reactivos

DH>0

Reacción exotérmica Reacción endotérmica

Productos

Productos

E.A

E.A

Los catalizadores

negativos aumentan la

energía de activación

Los catalizadores

positivos disminuyen

la energía de activación

E.A sin catalizador

E.A con catalizador negativo

E.A con catalizador positivo

Medidas de velocidad de reacción

Durante una reacción química, las concentraciones

de las especies cambian con el tiempo.

La velocidad de una reacción se mide a través de

la variación de las concentraciones de reactantes o

productos con respecto al tiempo.

CONCENTRACION DE LOS

REACTIVOS

Dada la reacción:

aA + bB cC + dD

Velocidad por desaparición de reactivos:

-D[A]/aDt o -D[B]/bDt

Velocidad de aparición de productos:

D[C]/cDt o D[D]/dDt

Variación de las concentraciones en el tiempo

CONCENTRACION DE LOS

REACTIVOS

aA + bB cC + dD

VELOCIDAD DE REACCION será la velocidad de cada especie dividida por su coeficiente estequiométrico.

V = -D[A] = -D[B] = D[C] = D[D]

aDt bDt cDt dDt

Expresión de la velocidad

EJEMPLO

2 ICl(g) + H2(g) I2(g) + 2 HCl(g)

V =-D[H2] = -D[ICl] = D[I2] = D[HCl]

Dt 2Dt Dt 2Dt