Unidad temática 6 Cinética Química y Equilibrio quimico Contenido Cinética química Velocidad de reacción Equilibrio químico Ley de acción de masas Constante de equilibrio Principio de Le Chatelier Cinética química Es parte de la Química de se encarga del estudio de la velocidad y los mecanismos de reacción, es decir como se llevan a cabo. La velocidad de reacción, nos establece la rapidez con que los reactivos se convierten en productos y viceversa, con que rapidez cambia la concentración de los reactivos o productos, en función del tiempo. Por ejemplo la rapidez con que se oxida un metal, o la descomposición de los alimentos; hay sustancias como el papel en presencia de aire que no reaccionarían jamás sin una temperatura elevada. Velocidad de reacción Ejemplo: Para la reacción aA + bB cC + dD La velocidad de la reacción se puede expresar: Si es función de un reactivo ∆𝐴 𝑣=− ∆𝑡 Velocidad de reacción aA + bB cC + dD La velocidad de la reacción se puede expresar: Si es función de un producto ∆𝐷 𝑣= ∆𝑡 FACTORES QUE INFLUYEN EN LA VELOCIDAD DE REACCION • Concentración de los reactivos • Estado físico de los reactivos • Temperatura • Catalizadores Concentración de los reactivos La velocidad de la reacción se incrementa al aumentar la concentración de los reactivos, ya que aumenta el número de choques entre ellos. Teoría de las colisiones Las reacciones químicas se producen por los choques eficaces entre las moléculas de reactivos Veamos la reacción de formación del HI a partir de I2 e H2 H H I I Choque I I H H H HI + HI I I I I2 + H 2 H H H I I I I2 H H H2 Además del choque adecuado las moléculas tienen que tener una energía suficiente, esta energía mínima se denomina energía de activación. Factores que influyen en la velocidad de reacción Estado físico de los reactivos Las reacciones son más rápidas si los reactivos son gaseosos o están en disolución. En las reacciones heterogéneas la velocidad dependerá de la superficie de contacto entre ambas fases, siendo mayor cuanto mayor es el estado de división. Factores que influyen en la velocidad de reacción • Temperatura Un incremento de la temperatura provoca un incremento en la energía cinética de las moléculas, lo que hace que sea mayor el número de moléculas que alcanza la energía de activación. Factores que influyen en la velocidad de reacción Catalizadores Un catalizador es una sustancia química, simple o compuesta, que modifica la velocidad de una reacción química, interviniendo en ella pero sin llegar a formar parte de los productos resultantes de la misma. Tipos de catalizadores • HOMOGÉNEOS • HETEROGÉNEOS • ENZIMATICOS CATÁLISIS HOMOGÉNEA El catalizador homogéneo es aquel que se encuentra en solución con la mezcla de reacción, estos pueden ser gases, líquidos o solidos solubles. CATÁLISIS HETEROGÉNEA Se presenta cuando el catalizador se encuentra en una fase separada a la mezcla de reacción. A menudo se utiliza un solido que interactúa con sustancias en estado liquido o gaseoso. CATÁLISIS ENZIMATICA Las enzimas tienen una función esencial en los organismos vivos donde aceleran reacciones que de otra forma requerirían temperaturas que podrían destruir la mayoría de la materia orgánica. Equilibrio químico A medida que ocurre una reacción, la concentración de los reactivos va disminuyendo y la concentración de los productos va aumentando, se dice entonces que llego a su ESTADO DE EQUILIBRIO Que se presenta cuando las velocidades de las reacciones directa e inversas se igualan y las concentraciones netas de los reactivos y productos permanecen constantes. Es un proceso dinámico Equilibrio químico Por ejemplo, si se introduce una moneda caliente en un vaso de agua fría, el sistema formado por el agua y la moneda alcanzará el equilibrio térmico cuando ambos estén a la misma temperatura. En ese punto, las propiedades macroscópicas del sistema (es decir, la temperatura del agua y de la moneda) no cambian a lo largo del tiempo. En mecánica, un sistema está en equilibrio cuando la fuerza total o resultante que actúa sobre un cuerpo y el momento resultante son nulos. En este caso, la propiedad macroscópica del cuerpo que no cambia con el tiempo es la velocidad. Equilibrio químico Sin embargo, desde el punto de vista microscópico, la configuración del sistema no es estática porque en todo momento se están produciendo la reacción directa e inversa. En general, las propiedades microscópicas de un sistema en equilibrio se compensan de forma que las propiedades a gran escala sean constantes. Ley de acción de masas Constante que equivale al producto de las concentraciones de las sustancias formadas en una reacción química reversible en la que se ha alcanzado el equilibrio, dividido entre el producto de las concentraciones de las sustancias que reaccionan, elevada cada una a un exponente igual al coeficiente que precede a su respectiva fórmula en la ecuación química ajustada. Ley de acción de masas Sea la reacción reversible entre los reactivos A y B para dar los productos de reacción C y D, según: aA + bB ⇄ cC + dD siendo A, B, C y D especies químicas cualesquiera y [A], [B], [C] y [D] sus concentraciones respectivas expresadas en mol/litro. La velocidad de la reacción directa, v, es directamente proporcional al producto de las concentraciones de los reactivos, elevada cada una a un exponente igual al coeficiente del reactivo en la reacción: v = k [A]a · [B]b donde k es la constante de velocidad de la reacción de A con B a una temperatura determinada. La velocidad de la reacción inversa, v ’, es, de forma análoga: v ’= k’ [C]c · [D]d Cuando se alcanza el equilibrio, la velocidad de las dos reacciones es la misma y, por tanto: donde Kc es la constante de equilibrio, que depende únicamente de la temperatura. En reacciones entre gases se utilizan las presiones parciales en lugar de las concentraciones molares, y la constante de equilibrio se denomina Kp. En las reacciones heterogéneas, las sustancias sólidas no aparecen en la expresión de la constante de equilibrio, ya que no influyen en las constantes de velocidad. Por ejemplo, en la reacción: FeO(s) + CO(g) ⇄ Fe(s) + CO2(g) la constante de equilibrio Kc = [CO2]/[CO], y Principio de Le Châtelier Si se aplica una tensión externa a un sistema en equilibrio, el sistema se ajusta de tal manera que se cancela parcialmente dicha tensión alcanzando una nueva posición de equilibrio”. “tensión” significa un cambio de concentración, presión, volumen o temperatura que altera el estado de equilibrio de un sistema. Factores que alteran el punto de equilibrio temperatura concentración presión Efecto del cambio de temperatura en el equilibrio Un aumento de temperatura (a volumen constante) hace que el equilibrio se desplace en el sentido de absorción de calor, se favorece las reacciones endotérmicas. El descenso de la temperatura provoca que el equilibrio se desplace de tal manera que el sistema desprenda calor, se favorecen las reacciones Exotérmicas Efectos de los cambios de concentración • Si se aumenta la concentración de cualquiera de las sustancias en la reacción, el punto de equilibrio se desplazará en la dirección donde se utilice esa sustancia • La disminución de la concentración de una sustancia provoca el desplazamiento del equilibrio hacia la formación de esa sustancia. Efectos de los cambios de presión Un cambio en la presión sólo afecta al equilibrio si intervienen en la reacción sustancias gaseosas, ya que los solidos y líquidos son casi incompresibles, un cambio en la presión no afecta el punto de equilibrio Efectos de los cambios de presión El aumento de presión desplaza el equilibrio en el sentido en el que exista un menor número de moles de sustancias gaseosas; hay que recordar que, según la ecuación de los gases ideales, la presión es directamente proporcional al número de moles. Efectos de los cambios de presión El descenso de la presión desplaza el equilibrio hacia la formación de sustancias gaseosas.
