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1 ¿En qué se parecen el equilibrio físico y el equilibrio químico?

Grado 10 Tema

Ciencias naturalesUnidad 4¿Cómo cambian los componentes del mundo?

¿En qué se parecen el equilibrio físico y el equilibrio químico?

¿Has intentado sostener alguna vez un libro sobre tu cabeza intentando no dejarlo caer? ¿Has visto a las malabaristas logrando sostener montones de pelotas en diferentes partes de su cuerpo… al mismo tiempo? Podríamos coincidir en que conseguir esto no es tan sencillocomo se podría imaginar.

Andar por el mundo, con el equilibrio en las manos conlleva tiempo de preparación y de práctica. Los malabaristas deben pasar horas al día intentando que las pelotas no caigan en sus cabezas, hombros y piernas, intentando mantenerlas todas al mismo tiempo sin chistar.

Actividad Introductoria: La temperatura como factor que condiciona la velocidad de las reacciones químicas.

La velocidad de las reacciones bioquímicas

Asimismo conseguir caminar con un libro o una canasta sobra la cabeza tampoco es algo que se logre de la noche a la mañana (Imagen 1).

En conclusión, alcanzar el equilibrio en nuestras vidas no resulta ser del todo una cosa fácil y menos para las reacciones químicas. El equilibrio físico tiende a verse como algo estático, pero ¡No pasa lo mismo en el equilibrio químico! Es todo lo contrario, es dinámico.

Existen reacciones químicas que se llevan a cabo en el cuerpo humano, estas ocurren, bajo condiciones normales, a una temperatura constante de 37°C, por consiguiente, para que muchas de estas reacciones puedan suceder en los tiempos requeridos que le permitan al hombre mantener un estado de equilibrio u homeostasis, deben de participar en dichos procesos bioquímicos unas sustancias llamadas enzimas. Las enzimas ayudan a catalizar estos tipos de reacciones bioquímicas, es decir, estas sustancias generan las condiciones energéticas para que se aumente la velocidad en la reacción, por ejemplo, la descomposición del peróxido de hidrógeno. Este es un producto

Imagen 1. Equilibrio

¡Empieza a descubrirlo! Divirtiéndote y aprendiendo mucho con tus amigos y profesor.

¡Empieza a poner en juego tus conocimientos! Para ello, reúnete con tu grupo de trabajo, lean y comprendan el libro interactivo que aparece en el objeto de aprendizaje y respondan las preguntas que aparecen a continuación.

2 ¿En qué se parecen el equilibrio físico y el equilibrio químico?

En este sentido, tanto los catalizadores como la temperatura son factores que generan las condiciones energéticas, para que los reactivos alcancen la energía mínima necesaria que les permite el debilitamiento y fortalecimiento simultáneo de los enlaces químicos para formar los productos. Por ejemplo, a pesar de que el papel es considerado un combustible y está interaccionando constantemente con el oxígeno (comburente), dicha reacción química no se puede lograr, sí dicha interacción sistémica no suministra la mínima energía o energía de activación (Imagen 2).

Ahora bien, en la mayoría de las reacciones químicas los reactivos se transforman completamente en los respectivos productos; pero, en algunos casos, estos productos pueden reaccionar entre sí y formar de nuevo los reactivos que lo produjeron. Por ejemplo, el transporte del oxígeno en la sangre de la especie humana, desde los órganos respiratorios hasta los tejidos, se lleva a cabo por la reacción entre el oxígeno y proteína hemoglobina (Hb), situación que produce la molécula de oxíhemoglobian, la cual llega a todas las células (Imagen 3). Posteriormente, estos productos interaccionan liberando el oxígeno en cuestión e interaccionando con las moléculas de CO2, formando un nuevo complejo molecular que tiene como función llevar este producto de desecho a los pulmones para ser excretado (ver imagen 4).

Otro factor que condiciona la homeostasis del cuerpo humano es la temperatura, dado que, una elevación en unos pocos grados centígrados (fiebre), hace que el sistema cuerpo pierda su estado de equilibrio. Desde luego, que el incremento de este factor se traduce en un aumento de la velocidad de las reacciones bioquímicas, como un incremento tanto en el ritmo cardíaco como en la respiración. Por el contrario, un descenso en la temperatura del cuerpo humano de unos cuanto grados, reduce de manera considerable la velocidad de los anteriores procesos bioquímicos. Por ejemplo, cuando ocurre una disminución significativa de la temperatura interna del cuerpo, éste llega a un estado de hipotermia, el cual lleva al cuerpo a manifestar los siguientes síntomas: temblor incontrolable, confusión, amnesia, rigidez muscular, envenenamiento, inconsciencia y falla cardíaca (ver imagen 5).

Imagen 2. Combustión de un papel. Imagen 3. Representación del transporte de O2 por la Hemoblogina.

Imagen 4. Aire en el aparato respiratorio. Imagen 5. Niña enferma.

que presenta diversas reacciones bioquímicas y que puede ser perjudicial para la homeostasis (equilibrio del cuerpo). Esta reacción no podría llevarse a cabo de manera rápida sin la presencia de las catalasas (enzimas). 2H2O2 → 2H2O+O2

3 ¿En qué se parecen el equilibrio físico y el equilibrio químico?

1. ¿Cuáles son las principales ideas que abordan en los diferentes párrafos de desarrollo?

En conclusión, los efectos de la temperatura sobre los sistemas vivos juegan un papel clave para la vida de éstos, dado que, este factor condiciona las velocidades de las diferentes reacciones bioquímicas, las cuales mantienen el equilibrio de dichos sistemas biológicos (ver imagen 6). Por lo general, un aumento en la temperatura de estos sistemas pueden desnaturalizar las enzimas que controlan las reacciones químicas en el interior de las células que son imprescindibles para la vida.

Teniendo en cuenta la información aportada por el libro interactivo que has observado, responde:

Imagen 6. Curva de temperatura óptima.

2. ¿Cuál es la idea general que recoge el cuerpo del texto?

4 ¿En qué se parecen el equilibrio físico y el equilibrio químico?

Actividad 1: Cinética Química

El peróxido de hidrógeno es un compuesto químico que se utiliza a diario para llevar a cabo muchísimos procesos: desde el blanqueamiento de telas, hasta de algunos productos alimenticios; como el combustible de algunos cohetes, pero el uso más frecuente de él, es como antiséptico y desinfectante, también conocido como ‘agua oxigenada’, ésta la puedes conseguir con facilidad en una farmacia, especialmente para desinfectar heridas como raspones y cortaduras. Justo para esto intentó usarlo Clara, pero miren lo que le pasó…

Clara observó la etiqueta del agua oxigenada pero faltaban algunas semanas para que esta venciera. ¡Ayúdale a resolver este misterio!

» Analizar en términos energéticos y cinéticos las reacciones químicas reversibles.

3. Escribe los objetivos que consideras llegar a alcanzar durante la clase.

Imagen 7. Historieta.

b. ¿Qué explicación puedes darle al sonido que se provocó cuando Manuela destapó el agua oxigenada?

c. ¿Por qué crees que se vence el agua oxigenada? Explica tu respuesta.

5 ¿En qué se parecen el equilibrio físico y el equilibrio químico?

2. Teniendo en cuenta la historieta sobre el Peróxido de Hidrógeno y Mariana, contesta las siguientes preguntas.

1. Reúnete con tus compañeros y realicen la siguiente actividad.

a. Escribe aquí los nombres de los integrantes.

a. ¿Qué sustancias constituyen el agua oxigenada?

d. ¿Qué reacción química ocurre para producir los gases en el momento en el cual se vence el agua oxigenada? Representa ésta a nivel submicroscópico, para ello puedes utilizar gráficos que simbolicen las moléculas de reactivos y productos. Siendo que la fecha de vencimiento de la mezcla de agua oxigenada no se había cumplido, ésta no provocó el efecto esperado, ¿a qué se debió esta situación? Justifica tu respuesta a partir de la velocidad de la reacción química.

6 ¿En qué se parecen el equilibrio físico y el equilibrio químico?

Dibuja los gráficos:

e. ¿Cómo cambia la concentración de los reactivos y productos a medida que transcurre la reacción química entre las sustancias que constituye el sistema agua oxigenada, tanto en condiciones óptimas como descontroladas de almacenamiento de esta mezcla? Utiliza gráficas donde se represente la relación entre las variables concentración de sustancias vs tiempo.

7 ¿En qué se parecen el equilibrio físico y el equilibrio químico?

Dibuja las gráficas:

8 ¿En qué se parecen el equilibrio físico y el equilibrio químico?

El campo de la química que se ocupa de la rapidez o velocidad de las reacciones químicas, se llama cinética química. La cinética química es un tema de gran importancia, ayuda al estudio por ejemplo de la rapidez con la que un medicamento actúa, la formación y el agotamiento de la capa de ozono. Para que dos sustancias reaccionen, sus partículas (iones, moléculas o átomos) deben de acercarse lo suficiente para que sus electrones de valencia interactúen. Esta interacción es posible cuando las partículas de los reaccionantes chocan o colisionan entre sí, pero con unas ciertas condiciones de energía y orientación, porque no siempre una colisión conduce a una reacción.

Lo anterior quiere decir que las partículas de los reaccionantes deben alcanzar entre ellas un mínimo de energía para reaccionar. Esta energía se conoce como energía de activación.

En el trascurso de una reacción, los reaccionantes van desapareciendo en la medida en que se van formando los productos. En consecuencia, la velocidad de una reacción se expresa generalmente en términos del cambio de concentración de los reaccionantes o de los productos con el tiempo.

Respecto a la reacción:

aA + bB → cC + dD

4. Para ampliar tus conocimientos sobre las velocidades de las reacciones químicas exotér-micas y endotérmicas, lee el siguiente modelo teórico, contrástalo con tus conocimientos y discutan al respecto con sus demás compañeros y profesor. Traten con este nuevo conocimiento dar respuesta a las preguntas.

Imagen 8. Reacciones endotérmicas y exotérmicas

3. Interpreta junto con tus compañeros y profesor las siguientes gráficas (imagen 8). Trae a colación los conocimientos que has logrado construir.

Teoría de colisiones y energía de activación.

¿Cómo se mide la velocidad de una reacción?

9 ¿En qué se parecen el equilibrio físico y el equilibrio químico?

Según la Teoría del Complejo Activado, cuando los reactantes se aproximan se produce la formación de un estado intermedio de alta energía, alta inestabilidad y por tanto de corta duración, que se denomina complejo activado. La energía que necesitan los reactantes para alcanzar este complejo se llama energía de activación (Ea).

Cuanto mayor sea la energía de activación, en general, menor será la velocidad de la reacción.La magnitud de la energía de activación de una reacción química determina la velocidad de ésta; si la energía de activación es muy alta, la reacción ocurre en un largo periodo de tiempo; si esta energía es baja, los reactantes pueden adquirirla fácilmente acelerando la reacción.

De acuerdo al cambio neto de energía, es decir, a la diferencia entre la energía de los productos y de los reactantes, las reacciones se clasifican en endergónicas, si se requiere energía y exergónicas, si se libera. Cuando la energía se manifiesta como calor, las reacciones se denominarán endotérmicas y exotérmicas (ver imagen 8) respectivamente. Para representar estos procesos se utilizan diagramas de energía, que dan cuenta de la cantidad de energía en función del avance de una reacción.

Existen factores que influyen en las velocidades de las reacciones químicas, la temperatura es uno de ellos. Ésta, incrementa la energía cinética de las moléculas, y al moverse con mayor rapidez, las moléculas chocan con más frecuencia y también con mayor energía, lo que origina velocidades mayores.

5. Responde:

¿Cómo quedaría la gráfica del comportamiento energético en un tiempo determinado para una reacción en la que se forma agua a partir de H2 y O2 gaseoso? Dibújala:

Teoría del complejo activado.

1∆ ∆ [A]Velocidad

1∆ ∆ [B] 1∆ ∆ [C] 1∆ ∆ [D]

∆ a ∆ [t] ∆ b ∆ [t] ∆ c ∆ [t] ∆ d ∆ [t]= - = - = - = -

La velocidad está dada por:∆

10 ¿En qué se parecen el equilibrio físico y el equilibrio químico?

6. En los mismos grupos de trabajo, conceptualiza la velocidad de una reacción química, utilizando los términos concentración, tiempo, moléculas y enlaces químicos.

1. Con base en esta lectura, con tu grupo de trabajo, resuelvan los siguientes problemas:

Imagen 9. Cavidad corporal donde se forma el complejo HbO2 u Oxihemoglobina.

a. En términos de reacción química y a nivel submicroscópico, ¿qué ocurrió con las moléculas de oxihemoglobina para que el oxígeno fuera liberado? Represéntalo de una forma molecular y simbólica, para ello puedes utilizar dibujos que simplifiquen la representación de las moléculas.

Teniendo en cuenta la lectura de la actividad de introducción, el oxígeno reacciona con la hemoglobina formando oxihemoglobina con el propósito de llevar éste a todas las células del cuerpo. Naturalmente, la hemoglobina regresa a los pulmones como una molécula compleja de carboxihemoglobina.

Actividad 2: Reacciones reversibles y equilibrio químico

11 ¿En qué se parecen el equilibrio físico y el equilibrio químico?

b. ¿Qué diferencia encuentras entre esta reacción y la reacción del peróxido de hidrógeno?

c. Conceptualiza las reacciones reversibles e irreversibles teniendo en cuenta los términos reactivos, productos, átomos, moléculas, energía, enlaces químicos:

12 ¿En qué se parecen el equilibrio físico y el equilibrio químico?

Seguro has oído hablar del Amoníaco, pero si no, te diré que es un gas incoloro que se utiliza en la fabricación de explosivos, fertilizantes y productos de limpieza como los que se usan en casa. Es un producto que está compuesto por un átomo de nitrógeno, que representaremos teóricamente con un triángulo rojo y tres átomos de hidrógeno, que representaremos como círculos azules. Ten en cuenta que en la realidad los átomos no tienen color.

Así, en el transcurso del tiempo de la reacción se mostrará las reacciones de las moléculas de reactivos y producto.

Tiempo cero de la reacción: Ahora observemos la producción de amoniaco a nivel submicroscópico. Tenemos como reactivos 18 moléculas de hidrógeno y 6 de Nitrógeno, interaccionando entre sí, a una temperatura de doscientos grados centígrados y una presión constante de 150 atmósferas.

Tiempo uno: Observa cómo 6 moléculas de hidrógeno reaccionan con 2 moléculas de nitrógeno para formar 4 moléculas de amoniaco.

Tiempo dos: Ahora tenemos ocho moléculas de amoniaco. Pero mira lo que sucede ahora. Tiempo tres: Como vemos, es una reacción de tipo reversible en la que el amoníaco, que en este caso es el producto, reacciona para formar de nuevo los reactivos, es decir: el nitrógeno y el hidrógeno.

Tiempo cuatro: Observa cómo las moléculas siguen reaccionando, con la misma velocidad de reacción en los dos sentidos.

Animación sobre la producción de amoniaco:

2. A continuación, observa en el objeto de aprendizaje la animación sobre la producción de amoniaco donde se muestra el transcurso de la producción de amoniaco a nivel submicroscópico, a una temperatura de 200ºC. Esta reacción es reversible.

b. Con lo anterior, grafica la concentración (cambios de reactivos y productos) y la velocidad de la reacción reversible (reacción directa e inversa) en el transcurso del tiempo.

13 ¿En qué se parecen el equilibrio físico y el equilibrio químico?

3. Teniendo en cuenta la información presentada durante la animación sobre la producción de Amoniaco, responde las siguientes preguntas:

a. Explica qué pasa en cada uno de los tiempos de reacción y el cambio que hay entre ellos. ¿Por qué en el tiempo tres no cambian la concentraciones de reactivos y productos? Para ello, ten en cuenta la concentración y la velocidad de la reacción directa e inversa.

c. Conceptualiza el equilibrio químico dinámico teniendo en cuenta conceptos de: velocidad de la reacción, concentración de reactivo, reacción directa e inversa, reactivos y productos.

14 ¿En qué se parecen el equilibrio físico y el equilibrio químico?

Las Reacciones ReversiblesEn la mayoría de las reacciones los reactivos se transforman completamente en los respectivos productos. Algunos reacciones, sin embargo, no llegan a completarse porque los productos de la reacción vuelven a reaccionar entre sí para reconstruir los reaccionantes; a estas reacciones se les llama reversibles y para identificarlas se utiliza una doble flecha, así:

Es decir, las reacciones reversibles son aquellas en las que los reactivos no se transforman totalmente en productos, ya que éstos vuelven a formar los reactivos, dando lugar así a un proceso con doble en el que los reactivos se transforman en productos pero los productos también se transforman de nuevo en los reactivos, desembocando así en un equilibrio químico.

Este estado de equilibrio de una reacción reversible es el estado final del sistema en el que las velocidades de reacción directa e inversa son iguales ( Vrd = Vri) y las concentraciones de las sustancias que intervienen permanecen constantes. Pero este estado es dinámico, ya que hay una incesante transformación química de las sustancias en los dos sentidos de la reacción, a pesar de que las concentraciones de reactivos y productos se mantengan constantes. Esto ocurre independientemente de las concentraciones iniciales, por lo que se establece un cociente entre las concentraciones de productos y reactivos en el equilibrio, a una temperatura dada, conocida como constante de equilibrio o Kc.

A + B ↔ C + D

15 ¿En qué se parecen el equilibrio físico y el equilibrio químico?

Por ejemplo, en la reacción que representa la animación, se puede comprender que el nitrógeno e hidrógeno reaccionan para formar amoniaco, pero ninguno de los dos reactivos se consume totalmente. Lo que ocurre es que en cierto punto de la reacción parece detenerse, con los tres componentes de la mezcla de reacción presentes al mismo tiempo.

En el equilibrio, las presiones parciales relativas de hidrógeno, nitrógeno y amoniaco son las mismas, independiente de que la mezcla inicial haya sido una relación molar de 3:1 de H2 y N2, o bien, NH3 puro. La condición de equilibrio se alcanza en uno u otro sentido.

El estudio de las reacciones en equilibrio fue realizado primeramente por los científicos noruegos Cato M. Guldberg y Peter Waage y quienes desarrollaron una expresión matemática (ley de acción de masas) que relaciona la concentración (expresadas como presiones parciales en el caso de los gases y como molaridades en el de disoluciones) de los reactivos y productos presentes en el equilibrio en cualquier reacción.

Supóngase la siguiente ecuación general de equilibrio:

aA + bB ↔ cC + dD

Donde A, B, C Y D son las especies químicas participantes, y a, b, c y d son sus coeficientes en la ecuación química balanceada. Según la ley de acción de masas, la siguiente ecuación expresa la condición de equilibrio cuando todos los reactivos y productos están en fase gaseosa:

O cuando los reactivos y productos están en disolución, la condición del equilibrio se expresa mediante una ecuación del mismo tipo, con la diferencia de que las concentraciones se dan en molaridad.

Esta relación se conoce como la expresión de la constante de equilibrio de la reacción. La constante K_eq llamada constante de equilibrio, es el valor numérico que se obtiene al sustituir presiones parciales o concentraciones molares reales de equilibrio en la expresión de la constante de equilibrio.

Keq= (PC)

c (PD)d

(PA)a (PB)

b

Keq= (C)c (D)d

(A)a (B)b

Keq=

4. Según lo que acabas de leer ¿cuál sería a expresión de equilibrio para la reacción de la animación?

16 ¿En qué se parecen el equilibrio físico y el equilibrio químico?

Experimiento I: Facto de temperatura

Materiales:

Procedimiento:

Predicción:

Observación:

Toma dos recipientes de vidrio. Al primero, viértele agua a temperatura 25ºC, (aproximadamente) y al segundo, agua fría (4ºC, aproximadamente). Ahora, al mismo tiempo añade en cada uno de los recipientes una pastilla de Alka-Seltzer.

• Dos pastillas enteras de antiácido efervescente.

• Dos recipientes de vidrio.• Agua a 25° C (aproximadamente).• Agua a 4° C (aproximadamente).

1. A continuación tu profesor o profesora realizará varios experimentos. Para cada experimento deberás predecir lo que ocurrirá, tomar nota de lo observas del experimento y explica las resultados que arrojó la realización de cada uno de ellos.

Actividad 3: Factores que afectan la velocidad de la reacción.

Imagen 10. Materiales para experimento sobre temperatura.

¡Antes de realizar el experimento, predice! ¿En qué recipientes crees que el Alka-Seltzer reaccionaría más rápido? Explica por qué.

Toma nota de lo que ves en la experimentación.

Experimiento 2: Factor catalizador.

17 ¿En qué se parecen el equilibrio físico y el equilibrio químico?

Materiales:

Explicación:

Procedimiento:Vierte agua oxigenada en ambos recipientes. Seguidamente, en el primero agrega los trozos de papa común. Luego de haber observado lo que ocurre en esta reacción, se procederá a agregar el óxido de manganeso en el recipiente restante. Para los dos casos, coloca un cerillo encendido después de agregar la papa o el óxido de manganeso, según sea el caso.

• Dos recipientes de vidrio. • Agua oxigenada.• Trozos de papa común (Solanum tuberosum).• Óxido de manganeso (lo puedes encontrar dentro de las pilas secas).

Imagen 11. Materiales para experimento sobre catalizadores.

¡Explica lo que acaba de ocurrir! Da una explicación a lo que has observado durante la realización del experimento:

¿Qué pasará a la reacción 2H2O2 →→2H2O + O2 cuando se agregue la papa y el óxido de manganeso?

Observación:

Toma nota de lo que ves en la experimentación

18 ¿En qué se parecen el equilibrio físico y el equilibrio químico?

Predicción:

¡Antes de realizar el experimento, predice!

Explicación:

Explica lo que acaba de ocurrir! Construye una explicación de lo que has observado usando estas preguntas como guía:

a. ¿Qué efecto producen la papa y el óxido de manganeso en la reacción química? b. ¿Cómo alteran la energía de activación de la reacción?

Contrasta tu explicación con tus predicciones realizadas.

Averigua qué tiene la papa que produce este efecto y cómo el óxido de manganeso afecta el paso a paso de la reacción ¿Qué tipo de catalizadores son: químicos o biológicos?

19 ¿En qué se parecen el equilibrio físico y el equilibrio químico?

Video: Factor concentración

Sinopsis:En este video se muestra una experimentación donde reacciona el peróxido de hidrógeno (al 25% y 50% de concentración) con una solución (tintura de yodo, almidón y ácido ascórbico), para verificar los cambios que pueden presentarse en la velocidad de una reacción según cambien las concentraciones de los reactivos.

Para esta práctica de laboratorio se necesitó:

Antes de observar el video que aparece en el objeto de aprendizaje, predice; después, obsérvalo y toma apuntes de lo que sucede y luego, da una explicación a ello.

• Agua, almidón, una pastilla efervescente de vitamina C o ácido ascórbico• Agua oxigenada o peróxido de yodo • Tintura de yodo• Guantes

• Cronómetro• Cuchara• Jeringas• Recipientes para preparar las soluciones

20 ¿En qué se parecen el equilibrio físico y el equilibrio químico?

21 ¿En qué se parecen el equilibrio físico y el equilibrio químico?

Como primer paso se prepara dos soluciones. La primera consiste en agregar media cucharada de almidón en 100 ml de agua hirviendo. La segunda consiste en una solución de 60 ml de agua con una pastilla efervescente de vitamina C.

Después, se hacen dos pruebas: Prueba 1:Con las soluciones que se obtuvo en el paso anterior se hacen unas soluciones nuevas, que se llamaran A y B. En un recipiente se agrega 3 ml de agua y 1 ml de yodo. También se va agregando la solución de vitamina C agitando el recipiente constantemente hasta que se ve que el yodo se decolora.

Cuando ya se ha decolorado se toma el otro recipiente, y se agregan 3 ml de agua, 1 ml de peróxido de hidrógeno al 25% y 1ml de la solución de almidón que se obtuvo al principio. Se agita el recipiente. Ahora se agrega la solución B en la solución A y se toma el tiempo que tarda en cambiar el color.

Prueba 2:Para la prueba número dos, se repiten los pasos de la prueba número uno, pero esta vez en la solución B se agrega el doble de concentración del peróxido de hidrógeno, es decir 50%. Se agrega 3 ml de agua y un ml de yodo así como también la solución de vitamina C hasta que el yodo se decolore. Se toma el otro recipiente, le agregamos 3 ml de agua, 1ml de la solución de almidón y 1 ml de peróxido de hidrógeno al 50%, o sea el doble que la vez anterior. Se agrega la solución B en la solución A y se toma el tiempo que tarda en cambiar el color.

¿Cómo podría afectar el cambio en la concentración del peróxido de hidrógeno a la reacción química? ¿En cuál de las dos pruebas, la uno o la dos, será menor el tiempo en que cambia de color la solución? ¿Por qué?

Predicción:

Haz una predicción sobre lo que ocurrirá en el experimento que se muestra en el video. Ten en cuenta la siguiente pregunta:

Observación:

Toma nota de lo que ves en la experimentación

Explicación:

Construye una explicación de lo que has observado. Contrasta tu explicación con tus predicciones realizadas.

22 ¿En qué se parecen el equilibrio físico y el equilibrio químico?

Enzimas VS Catalizadores químicos

23 ¿En qué se parecen el equilibrio físico y el equilibrio químico?

• Son específicos para una determinada reacción química o para un grupo de reacciones químicas a para un sustrato

o grupo de sustratos.

• Son proteínas mayoritariamente (hay ARN (Ribozimas) con función enzimática).

• Son saturables

• Son altamente eficaces (son eficaces en bajas concentraciones).

• Puede ser regulada su actividad catalítica.

• Son termolábiles y su actividad puede variar también de acuerdo al pH del medio.

• Aceleran cualquier reacción inespecíficamente.

• Son sustancias simples finamente divididas.

• No son saturables.

• Son medianamente eficaces

• No pueden ser regulados.

• No son termolábiles ni se alteran con cambios de pH.

Factores como la temperatura, los cambios en la concentración de los reactivos y la presencia de un catalizador influyen en las velocidades de las reacciones químicas. La temperatura incrementa la energía cinética de las moléculas, y al moverse con mayor rapidez, las moléculas chocan con más frecuencia y también con mayor energía, lo que origina velocidades mayores.

Los catalizadores químicos o biológicos (ver tabla 1) son agentes que aumentan las velocidades de reacción sin transformarse. Influyen en los tipos de colisiones (el mecanismo) que dan lugar a la reacción. Ellos, desempeñan un papel crucial en nuestra vida. La fisiología de casi todas las especies vivientes depende de las enzimas, unas moléculas de proteína que actúan como catalizadores e incrementan la velocidad de ciertas reacciones bioquímicas.

Factores que alteran la velocidad de las reacciones químicas

Diferencias entre catalizadores biológicos y químicosBiológicos (enzimas) Químicos

Tabla 1, Diferencias entre catalizadores biológicos y químicos

24 ¿En qué se parecen el equilibrio físico y el equilibrio químico?

Cambios en la concentración:

Seguimos observando a nivel submicroscópico la reacción, donde el nitrógeno y el hidrógeno forman amoníaco.

Esta reacción está en este equilibrio a una temperatura de 200ºC. Tenemos 15 moléculas de hidrógeno, 5 moléculas de Nitrógeno y 4 moléculas de amoníaco. Observa ¿qué pasa si se agregan dos moles de nitrógeno?

Cambios en la presión:

Ahora mira cómo se afectan los equilibrios con las variaciones de presión. Esta reacción se encuentra a una temperatura constante de 200 grados centígrados y a 150 atmósferas de presión. Tenemos 9 moléculas de hidrógeno, 7 moléculas de nitrógeno y 8 moléculas de amoniaco. Observa ¿qué pasa si se aumenta la presión primeramente a 240 atmósferas y luego a 300 atmósferas?

Cambios en la temperatura:

Ahora veamos qué sucede cuando en la reacción ocurre cambios de temperatura.

Aumentemos la temperatura a 400 grados centígrados. 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. Ahora veamos qué sucede si la temperatura disminuye. Volvemos al punto inicial, tenemos 15 moléculas de hidrógeno, 5 de nitrógeno y 4 de amoniaco, a una temperatura de 200 grados centígrados. La temperatura disminuye. Entonces, ¿qué reacción es la que está siendo favorecida la disminución de temperatura?

Imagen 12. Buenaventura, Valle del Cauca. Recuperado de: https: //commons.wikimedia.org/wiki/File:Muelle_ Buenaventura.jpg

Imagen 13. Jericó, Boyacá. Recuperado de: https://www.flickr.com/photos/15072398@N00/4400140110/

Actividad 4: : Principio de Le Châtelier.

1. Para esta actividad, empezaras con la observación de una animación que muestra los cambios que sufre la producción de amoniaco cuando se varía la temperatura, la concentración y la presión.

b. ¿Qué reacción se vio favorecida por el suministro de concentración de N2? ¿La directa o inversa? Justifica tu respuesta.

c. ¿Qué pasó cuando se agregó amoniaco en lugar de nitrógeno al equilibrio químico en cuestión?

25 ¿En qué se parecen el equilibrio físico y el equilibrio químico?

2. Con lo que acabas de observar, responde las siguientes preguntas:

En el cambio de concentración:

a. ¿Qué pasó cuando se agregaron las dos moles de N2?

d. ¿Qué reacción se vio favorecida por el suministro de concentración de NH3? ¿La directa o la inversa? Justifica por qué. Contrástala con la situación anterior.

b. Cuál es la reacción es endotérmica y cuál es la reacción exotérmica, en esta reacción reversible?

26 ¿En qué se parecen el equilibrio físico y el equilibrio químico?

En el cambio de presión:

a. ¿Por qué un aumento de presión provoca que se favorezca la producción de amoniaco? ¿Por qué se toma esta nueva condición de equilibrio?

27 ¿En qué se parecen el equilibrio físico y el equilibrio químico?

En el cambio de temperatura:

a. ¿Qué reacción es la que está siendo favorecida con la disminución de temperatura? Explica por qué. Para ello ten en cuenta cuál es la reacción exotérmica y cuál la endotérmica.

El Principio de Le Châtelier se puede enunciar de la siguiente manera: Si 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 concentración 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.

Cambios en la concentración:

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.

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. Si la reacción es endotérmica ocurrirá lo contrario:

N2(g) + 3H2(g)↔ 2NH3(g)

28 ¿En qué se parecen el equilibrio físico y el equilibrio químico?

3. Lee la siguiente historieta y ayúdale a Willy desarrollando las preguntas. Discútelas con tus compañeros.

¡Aplica tus conocimientos!

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.

29 ¿En qué se parecen el equilibrio físico y el equilibrio químico?

a. Willy antes de viajar a Jericó, tenía esta reacción

en un estado de equilibrio, pero cuando llegó al pueblo boyacense, éste varió, ¿de qué manera se vio afectado este equilibrio? Justifica tu respuesta.

b. Si la concentración de los reactivos (en este caso el oxígeno) está cambiando el estado de equilibrio de la formación de oxihemoglobina a partir de hemoglobina y oxígeno y viceversa ¿Qué ordena el cuerpo para restablecer el equilibrio?

Hb + O2 ↔ HbO2

30 ¿En qué se parecen el equilibrio físico y el equilibrio químico?

c. En esta reacción reversible ¿cuál de las dos direcciones será la que libera energía y la que la requiere para poder realizarse? ¿La reacción directa o inversa? Grafica éstas en términos de la energía de activación.

d. Si a Willy le hubiese dado también fiebre, ¿qué es lo más probable que hubiese pasado? ¿Por qué? ¿Cómo afecta este cambio de temperatura corporal al equilibrio dinámico de la reacción? ¿Qué pasa con las concentraciones de reactivos y productos?

31 ¿En qué se parecen el equilibrio físico y el equilibrio químico?

1. Calcula la constante de equilibrio con la siguiente información de las concentraciones de reactivos, para cada experimento. Además, menciona a qué conclusiones podrías llegar a partir del análisis de la información que presenta la tabla y de cómo podrían estos afectar a la constante de equilibrio (ver tabla 2).

Constante de equilibrio

Presiones parciales iniciales y de equilibrio de N2O4 y NO2 a 100ºC

Experimento

1 0.0 0.612 0.0429 0.526

2 0.0 0.919 0.857 0.744

3 0.0 1.22 0.138 0.944

4 0.612 0.0 0.138 0.944

Keq Presión parcial inicial N2O4 (atm)

Presión parcial de equilibrio de N2O4 (atm)

Presión parcial de equilibrio de NO2 (atm)

Presión parcial inicial NO2 (atm)

Tabla 1 Presiones parciales iniciales y de equilibrio de N2O4 y NO2 a 100ºC.

32 ¿En qué se parecen el equilibrio físico y el equilibrio químico?

2. ¿Qué puedes interpretar de la siguiente gráfica respecto a la constante de la reacción? (tabla 3)

Variación de la Keq de la reacción reversible N2 + 3H2 ↔ 2NH3 en función de la temperatura.

Temperatura ºC

400

300

1.64 × 10-5

4.34 × 10-5

450 4.51 × 10-5

500 1.45 × 10-5

550

600

5.38 × 10-6

2.25 × 10-6

Keq

Tabla 3. Factor T, en el equilibrio químico.

3. El cloruro de carbonilo (COCL2), también llamado fosgeno, se utilizó en la Primera

Guerra Mundial como gas venenoso:

CO(g) + CL2(g) ↔ COCL2(g)

Las concentraciones en el equilibrio a 74°C para la reacción entre monóxido de carbono y cloro molecular que produce el cloruro de carbonilo son: [CO]= 0.012 M, [Cl2]= 0,054 M, y [COCL2]= 0.14

33 ¿En qué se parecen el equilibrio físico y el equilibrio químico?

a. Calcula y escribe la constante de equilibrio (Kc).

b. ¿Qué indica un reducido valor de la constante de equilibrio?

c. ¿Qué implica un elevado valor de la constante de equilibrio?

34 ¿En qué se parecen el equilibrio físico y el equilibrio químico?

Completa los cuadros con la información requerida.

Las Reacciones reversibles

El equilibrio químico

Son:

Es:

Se caracterizan por:

35 ¿En qué se parecen el equilibrio físico y el equilibrio químico?

El Principio de Le Châtelier

Estipula que:

¿Cómo funciona la endotermia y la exotermia en las reacciones reversibles?

36 ¿En qué se parecen el equilibrio físico y el equilibrio químico?

Lista de referencias

Izquierdo, J. F. (2004). Cinética de las Reacciones Químicas. Edicions de la Universitat de Barcelona. Barcelona, España.

a. En las industrias químicas se usan con frecuencia perturbaciones de equilibrios de reacciones químicas a través de cambios en temperatura y presión, para lograr que la reacción favorezca la producción de sustancias que ellos requieren. ¿En cuáles de los productos que consumimos con frecuencia y que son producidos por industrias químicas se suelen aplicar este tipo de perturbaciones durante su fabricación y cómo lo hacen? b. ¿Qué otras reacciones de la naturaleza fundamentales para la vida también consiguen llegar a un equilibrio químico?c. ¿Cómo se aplican los conceptos de reacciones reversibles y de equilibrio químico dinámico al funcionamiento de las pilas o baterías recargables y a las que no lo son?

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