Cinética y EquilibrioQuímico

Abdías I. FuentesColegio Secundario de Volcan

Introducción

PROCESO QUÍMICO: puntos de vistaTERMOQUÍMICA -> ∆H energía intercambiada (calor a P cte); ∆S variación en el grado de desorden; ∆G revela porqué el proceso ocurre espontáneamente en un determinado sentido y no en otro

CINÉTICA QUÍMICA -> v velocidad con que transcurre el proceso, factores que influyen y mecanismo por el que ocurre

EQUILIBRIO QUÍMICO -> Kc en qué extensión ocurre una reacción; en el estado de equilibrio las concentraciones de las sustancias permanecen constantes

Reacciones lentas y rápidas

Muy rápida (explosiva) a temperatura ambienteNa (s) + H2O(l) →NaOH(aq) + ½H2(g)

Muy lenta a temperatura ambienteH2(g) + I2(g) → 2 HI (g)

Muy lento a tª ambiente y muy rápido a 500 °CH2(g) +½ O2(g) → H2O (l); ∆G°=-236kJ

Velocidad de reacción

0 2 4 6 8 10tiempo (min)

0.08

0.16

0.24

0.32

[M]

[N2O5]

[NO2]

[O2]

Δ[c]ΔtVelocidad=

Velocidad de reacciónLa velocidad de reacción es una magnitud positiva que expresa cómo cambia la concentración de un reactivo o producto con el tiempo.

EJ. 2N2O5(g) 4NO2(g) + O2(g)

1. Velocidad de reacciónEs el cambio en la concentración de un reactivo (o de un producto) que tiene lugar en un período de tiempo unidad (1 segundo) - Unidades: mol·L-1·s-1

La concentración de los reactivos disminuye con t

La concentración de los productos aumenta con t

tiempoproductos

tiempotesreac

][]tan[

Las reacciones químicas se producen por los choques eficaces entre las moléculas de reactivos

I

I

HH

Choqueeficaz

No eficaz

I

I

I

I

HH

HH

I

I

H

H

I

I

HH

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.

Teoría de las colisiones

2. Factores que influyen en la velocidad

LA NATURALEZA DE LAS SUSTANCIAS

LA CONCENTRACIÓN

LA TEMPERATURA

LA PRESIÓN

LOS CATALIZADORES

Factores que influyen en la velocidad

LA NATURALEZA DE LAS SUSTANCIAS:

Las reacciones entre iones en disolución son muy rápidas;

Las reacciones homogéneas en las que intervienen líquidos y gases son más rápidas que aquellas en las que intervienen sólidos.

La reacción es más rápida si aumenta la superficie de contacto o si elevamos el nivel de agitación

Factores que influyen en la velocidad

LA CONCENTRACIÓN DE LOS REACTIVOS

En las reacciones en las que intervienen sustancias gaseosas o sustancias en disolución, un aumento de la concentración de los reactivos provoca un incremento en la velocidad de la reacción.

aA + bB cC + dD

A y B reactivos de la reacción

a y b son los coeficinetes estequiométricos para balancer la ecuación química

ba BxAKV ][][

Factores que influyen en la velocidad

LA TEMPERATURA

La experiencia indica que al elevar la temperatura, la velocidad de cualquier reacción aumenta, tanto si se trata de una reacción exotérmica como si es endotérmica

Arrhenius (1889)

la constante de proporcionalidad k crece de forma exponencial con la temperatura

k=A· e−EaR·T

Factores que influyen en la velocidad

LA PRESIÓN

En el caso de que los reactantes sean gases al aumentar la presión del gas, que participa en la reacción, se aumenta la concentración de este y por lo tanto aumenta la velocidad de la reacción química

Si se disminuye el volumen del recipiente las partículas se encuentran más fácilmente y la velocidad es mayor

Factores que influyen en la velocidad LOS CATALIZADORES

Un catalizador es una sustancia que aumenta la velocidad de reacción sin experimentar al final de la transformación variaciones en su estructura o en su concentración.

Existen catalizadores positivos que aceleran la velocidad y catalizadores negativos que disminuyen la velocidad de la reacción química.

Los catalizadores son específicos de cada reacción.

P.e.: Döbereiner encontró, en 1823, que el hidrógeno arde en el aire a temperatura ambiente en presencia de “esponja” de platino

Factores que influyen en la velocidad

LOS CATALIZADORES : Disminuyen la energía de activación, que necesita la reacción, para que ésta ocurra

4. Ecuación de velocidadPara la reacción : aA + bB cC + dD

k constante de velocidad (depende de la naturaleza reactivos y la temperaura)

[A] concentración del reactivo A, en mol/L

[B] concentración del reactivo B, en mol/L

a orden de reacción respecto al reactivo A b orden de reacción respecto al reactivo B

a + b orden de reacción total

ba B·Ak·=v

4. Ecuación de velocidad Ej: I2(g) + H2(g) → 2 HI (g)

v=k · [ I 2 ] · [H 2 ]● la reacción es de segundo orden (el orden

total de reacción es 2)● la reacción es de primer orden respecto al

yodo (el orden de reacción respecto al yodo es 1)

● la reacción es de primer orden respecto al hidrógeno (el orden de reacción respecto al hidrógeno es 1)

4. Ecuación de velocidadEj: 2SO2(g) + O2(g) → 2 SO3(g)

22

2 O·SOk·=v● orden de reacción ___________● si se mantiene constante la

concentración de O2 y se duplica la de SO2 entonces la velocidad de reacción se hace ______________

Equilibrio Químico

EQUILIBRIO QUÍMICO :INTRODUCCIÓNEl concepto de equilibrio es fundamental para

conocer y entender la química y el comportamiento de las sustancias.

En la constante de equilibrio se refleja la tendencia que tienen las sustancias de reaccionar, así como también, la dirección y magnitud del cambio químico.

Todas las reacciones químicas pueden ser descriptas bajo una condición de equilibrio.

Todos los sistemas químicos alcanzan en el tiempo la condición de equilibrio

El estado de equilibrio químico es de naturaleza dinámica y no estática.

Cuando se coloca en un recipiente de volumen conocido a temperatura constante una muestra de 2N2O5(g), éste se descompone:

2N2O5(g) 4NO2(g) + O2(g)

Cuando la concentración de los productos aumenta los mismos se convierten en reactantes:

4NO2(g) + O2(g) 2N2O5(g)

El equilibrio en sistemas químicos

Finalmente, las dos reacciones evolucionan de modo tal que sus velocidades se igualan, estableciéndose un equilibrio químico.

Bajo estas condiciones la reacción es reversible y se representa de la siguiente manera:

2N2O5(g) 4NO2(g) + O2(g)

En una reacción reversible, la reacción ocurre simultáneamente en ambas direcciones.

Lo anterior se indica por medio de una doble flecha

En principio, casi todas las reacciones son reversibles en cierta medida.

Reacciones Reversibles

Constante de equilibrio, KeqUna vez alcanzado el equilibrio las concentraciones

de reactantes y productos no cambian en el tiempo.

El equilibrio dinámico establece que a medida que el reactante se descompone, los productos se combinan entre sí para mantener las concentraciones constantes, las cuales se relacionan en la siguiente ecuación (productos en el numerador, reactivos en el denominador):

4

2

eq

22

2 5

; donde indica las

concentraciones en moles/litro y K es

la constante de eq

.

uilibrio.

eq

NO OK

N O

La velocidad de reacción es directamente proporcional a la concentración de los reactivos.

Las reacciones son el resultado de las colisiones entre moléculas de reactivos. Cuanto mayor es [moléculas], mayor es el número de colisiones por unidad de tiempo, por lo que la reacción es más rápida. Cuando el reactivo limitante se consume, la velocidad es cero.

Velocidad = k [N2O5]

0 0.04 0.1

0.02

0.04

0.06

Velocidad

[N2O5]0.08

- Expresión de la velocidad de reacción para la descomposición de N2O5

k =constante de velocidad

Considere la siguiente reacción:

aA + bB cC + dD

[C]c x [D]d

[A]a x [B]b

( [ ] = mol/litro )

Expresión general de Keq

Keq =

Las constantes de equilibrio proporcionan información muy útil sobre si la reacción se desplaza hacia la formación de productos o hacia la formación de reactivos.

Keq > 1, se desplaza hacia la formación productos, predominan los

productos en el equilibrio, reacción directa

Keq < 1, se desplaza hacia la formación de reactivos, predominan los

reactantes en el equilibrio, reacción inversa

Keq = 1 , reactante y productos en igual concentración

El equilibrio del sistema NEl equilibrio del sistema N22OO44-NO-NO22

N2O4 congelado es incoloro

A temperatura ambiente el N2O4 se descompone en NO2

(marrón)

El equilibrio químico es el punto donde las concentraciones de

todas las especie son constantes

Ejemplo de equilibrio químico

El punto en el cual la velocidad de descomposición:

N2O4(g) 2NO2(g)

es igual a la velocidad de dimerización:

2NO2(g) N2O4(g)

es un equilibrio dinámico.

El equilibrio es dinámico porque la reacción no ha parado: Las velocidades de los dos procesos son iguales

V reacción directa = V reacción inversa

En el equilibrio, el N2O4 reacciona para formar una determinada cantidad NO2, y esta misma cantidad de NO2(g) reacciona para volver a formar N2O4.

Equilibrio químico dinámico

N2O4(g) 2NO2(g)

Muchas gracias…