La reacción química - Física y Química en Flash
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http://fisicayquimicaenflash.es Cinética química La reacción química Se trata de un proceso por el que en una serie de compuestos (reactivos) se rompen enlaces y se crean otros nuevos dando lugar a los productos de la reacción. La reacción química se representa por la ecuación química en la que los reactivos se representan a la izquierda separados por el signo de la suma y los productos se colocan a la derecha. Entre los reactivos y los productos se coloca una flecha cuyo sentido es de reactivos a productos. La ecuación química debe estar ajustada, es decir, el número de átomos de cada especie debe ser el mismo entre los reactivos y los productos lo que se consigue anteponiendo coeficientes a las fórmulas de los compuestos. H2 + Cl2 → 2 HCl En realidad una reacción química es una reordenación de la posición de los átomos en las moléculas que llevará consigo la ruptura de unos enlaces y la creación de otros nuevos. H Cl Cl H H Cl H Cl Este proceso irá acompañado de una transferencia de energía, la necesaria para romper los viejos enlaces y la desprendida en la formación de los nuevos. Es decir que todos estos procesos vienen acompañados de una absorción o desprendimiento de energía. La energía transferida puede manifestarse en forma de calor, variación de volumen (trabajo de expansión) cuando se trata de gases, energía eléctrica (en reacciones redox)… Conceptos • Estado es la situación en la que se encuentra un sistema cuando cada una de sus variables tiene un valor definido. Todas las variables que determinan el estado del sistema se llaman variables de estado. Las variables de estado se llaman también funciones de estado por tratarse de propiedades del sistema que tienen un valor determinado para cada estado. Las funciones de estado presentan las siguientes propiedades: 1. En los cambios de estado las funciones de estado varían pero sus valores solamente dependen del estado inicial y final del sistema y nunca del camino seguido para alcanzar el estado final desde el inicial. 2. Unas pocas funciones de estado pueden determinar los valores de las otras mediante el uso de ecuaciones de estado. En cualquier proceso se cumple que la variación de energía interna solamente dependerá de los estados inicial y final del sistema. Se trata por tanto de una función de estado. • Calor: Se define como la energía que se transfiere de un cuerpo a otro cuando se ponen en contacto hasta que sus temperaturas se igualan. Por esta razón el calor no es una función de estado depende del camino seguido en el proceso. El calor absorbido o cedido en un proceso químico puede ser a presión constante o a volumen constante. El calor absorbido o cedido a presión constante se llama variación de entalpía (∆H). La entalpía (H) es una función de estado y su valor y su variación depende de las condiciones inicial y final. Podemos calcular la variación de entalpía de una reacción como la entalpía de los productos menos la entalpía de los reactivos. Página 1 de 4 http://fisicayquimicaenflash.es Cinética química El calor absorbido o cedido a volumen constante se corresponde con la variación de energía interna del sistema (∆U). La energía interna U también es una función de estado. Se hablaba de ella en el tema de la Energía. Criterio de signos: Cuando un sistema desprende energía, su contenido energético disminuye y esta energía desprendida se considera negativa puesto. Por el contrario si el sistema absorbe energía su contenido energético aumenta y esta energía absorbida se considera positiva. De igual forma cuando un sistema realiza un trabajo de expansión contra el exterior, esto supone una pérdida de energía (negativo), por el contrario si es el exterior el que realiza el trabajo sobre el sistema esto implica un aumento de energía desde el punto de vista del sistema (positivo). Según este criterio de signos cuando una reacción se produce con desprendimiento de calor esa reacción es exotérmica ∆H < 0, mientras que, si la reacción absorbe calor del medio (endotérmica) ∆H > 0 Una ecuación termoquímica indica además de reactivos y productos, su estado y la variación de entalpía del proceso. H2 (g) + Cl2 (g) → 2 HCl (g) + ∆H (kJ) Calor normal de reacción: Es el calor intercambiado a presión constante cuando los reactivos en sus estados normales se transforman en los productos también en sus estados normales (estados normales son las formas mas estables a 1 atm y 25 ºC). La entalpía de una reacción química es la diferencia entre las entalpías de formación de los productos y las entalpías de formación de los reactivos ∆H = ∑Hproductos - ∑Hreactivos Calor normal o entalpía de formación: Es el calor intercambiado en la formación de un mol de compuesto, a presión constante, en su estado normal a partir de la reacción de los elementos que lo forman en sus estados normales. Diagramas entálpicos Representan en el eje de ordenadas la entalpía de productos y reactivos y nos indican si el balance entálpico del proceso es positivo (endotérmico) o negativo (exotérmico) Una ecuación termoquímica es una ecuación química en la que se añade el estado en que se encuentran reactivos y productos así como el valor del calor intercambiado en el proceso. Ejemplo: CH4 + O2 → CO2 + H2O -889,7 KJ/mol Ley de Hess Si una ecuación química se puede obtener como combinación lineal de otras ecuaciones también se puede calcular la entalpía de dicho proceso combinando en la misma forma las entalpías de las ecuaciones correspondientes. Nos basamos en el hecho de que la entalpía es una función de estado y su variación solamente depende del estado inicial y final del sistema y no del camino. La reacción química se puede explicar por las siguientes teorías: Página 2 de 4 http://fisicayquimicaenflash.es Cinética química • Teoría de las colisiones El proceso tiene lugar por tanto por interacciones (choques) entre las moléculas de los reactivos que, para que sean eficaces, deben producirse con la energía y la dirección adecuada. Productos Reactivos Complejo activado • Teoría del complejo activado Los reactivos forman entre si una agrupación intermedia (complejo activado) de energía superior a la de los reactivos y la de los productos de la reacción. Cinética Cinética química es la parte de la Química-Física que estudia la velocidad de las reacciones químicas. En primer lugar definiremos velocidad de reacción como la disminución de la concentración de los reactivos con el tiempo o el incremento de la concentración de los productos con el tiempo. Reactivos → Productos r=− d [reactivos] d [ productos] = dt dt Como se ve en el caso de referirse a la disminución de la concentración de reactivos con el tiempo se pone el signo menos para que el resultado sea positivo. Hemos de tener en cuenta que la función concentración molar de los reactivos en función del tiempo es decreciente y por el contrario la función concentración molar de los productos en función del tiempo es creciente. Supongamos una reacción cualquiera por ejemplo la formación del amoniaco: 3 H2 (g) + N2 (g) → 2 NH3 (g) En general para una reacción del tipo aA + bB → Productos la velocidad de reacción es función de las concentraciones molares de A y B. r = k [A]a [B]b Página 3 de 4 http://fisicayquimicaenflash.es Cinética química Donde k es la constante de velocidad de reacción. El exponente de [A] es el orden de la reacción respecto de A y el de [B] es el orden de reacción respecto de B. El orden total de la reacción es a + b. El orden se calcula experimentalmente analizando los valores de las concentraciones de los reactivos a distintos tiempos. Estos valores pueden o no coincidir con los coeficientes que acompañan a los reactivos en la ecuación química. No se debe confundir el orden de una reacción con la molecularidad. Molecularidad es el número de moléculas que deberían chocar en un punto para que, según la teoría de las colisiones se produjese la reacción química. La molecularidad siempre será un número entero y por razones de probabilidad es casi imposible que sea mayor que tres. El orden puede ser fraccionario y mayor que tres. La constante de velocidad para una reacción depende de la temperatura según la siguiente ecuación: k=Ae – Ea/(RT) Donde la Ea es la energía de activación que depende de la reacción química de que se trate, R la constante de los gases y T la temperatura del proceso. A es la constante de Arrhenius. Factores que afectan a la velocidad de reacción Como se puede ver la velocidad de reacción depende de la temperatura. Teniendo en cuenta la teoría de las colisiones se podría explicar este fenómeno ya que una temperatura mayor propiciaría que un mayor número de las moléculas de los reactivos tuviesen energía suficiente para que el choque fuese eficaz. El aumento de probabilidad del número de choques favorece un aumento en la velocidad de reacción: • • • • En el caso de reactivos sólidos un mayor grado de división de los reactivos que aumenta la superficie de contacto entre ellos significa un aumento de la probabilidad de choques (el hierro en virutas se oxida primero que un bloque de hierro). Cuando los reactivos están en disolución un aumento de sus concentraciones favorece un aumento de la velocidad de reacción. Si están en estado gaseoso un aumento de sus presiones parciales aumenta la velocidad de reacción. La presencia de catalizadores aumentan la velocidad de reacción. Los catalizadores no reaccionan por lo que al final del proceso se recuperan en su totalidad. Pueden existir sustancias que se adhieren a su superficie dejándolos inutilizados (venenos del catalizador). Los mal llamados catalizadores negativos inhibidores son sustancias que reaccionan con alguno de los reactivos pero que se gastan en el proceso con lo que no son catalizadores puesto que reaccionan. Complejo1 Energía • • Un aumento de temperatura favorece el hecho de que sean más las moléculas con la energía suficiente para superar la energía de activación y formar el complejo activado. • El mayor grado de división de los reactivos, su mayor Productos concentración o la mayor presión parcial en el caso de los gases implicaría la mayor probabilidad de tener moléculas CdeR con energía mayor o igual a la energía de activación. Los catalizadores tendrán el efecto de disminuir la energía de activación necesaria para alcanzar la forma de complejo activado. Complejo2 Reactivos Desde el punto de vista de la teoría del complejo activado podemos tener otro tipo de explicación de los factores que afectan a la velocidad de reacción: Página 4 de 4
