cinetica quimica y equilibrio

8/17/2019 Cinetica Quimica y Equilibrio

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Temas Selectos

de Química I


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Esta publicación se terminó de imprimir durante el mes de junio de 2010.Diseñada en Dirección Académica del Colegio de Bachilleres del Estado de SonoraBlvd. Agustín de Vildósola; Sector Sur. Hermosillo, Sonora, MéxicoLa edición consta de 1,614 ejemplares.

COLEGIO DE BACHILLERESDEL ESTADO DE SONORA

Director GeneralMtro. Jorge Luis Ibarra Mendívil

Director AcadémicoProfr. Julio Alfonso Martínez Romero

Director de Administración y FinanzasC.P. Jesús Urbano Limón Tapia

Director de Planeación

Mtro. Pedro Hernández Peña

TEMAS SELECTOS DE QUÍMICA IMódulo de Aprendizaje.Copyright ©, 2008 por Colegio de Bachilleresdel Estado de SonoraTodos los derechos reservados.Tercera edición 2010. Impreso en México.

DIRECCIÓN ACADÉMICADepartamento de Desarrollo CurricularBlvd. Agustín de Vildósola, Sector SurHermosillo, Sonora. México. C.P. 83280

Registro ISBN, en trámite.

COMISIÓN ELABORADORA:

Elaboración:Rita Elma Romero AndradeJuan Francisco Reprieto García

Revisión Disciplinaria:Francisca Beatriz Badillo Araiza

Supervisión Académica:Diana Irene Valenzuela López

Diseño de Portada:María Jesús Jiménez Duarte

Edición:

Bernardino Huerta Valdez

Coordinación Técnica:Claudia Yolanda Lugo Peñúñuri

Coordinación General:Profr. Julio Alfonso Martínez Romero


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COMPONENTE:

FORMACIÓNPROPEDÉUTICO

CAMPO DE CONOCIMIENTO:

QUÍMICO-BIOLÓGICO

Esta asignatura se imparte en el V Semestre, tiene como antecedente

Química I y II, la asignatura consecuente es Temas Selectos de Química II y

se relaciona con todas las asignaturas del campo de las ciencias exactas.

HORAS SEMANALES: 3 CRÉDITOS: 6

D TOS DEL LUMNO

Nombre: ______________________________________________________

Plantel: _________________________________________________________

Grupo: ____________ Turno: _____________ Teléfono:_______________

Domicilio: _____________________________________________________

______________________________________________________________

Ubicación Curricular


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4

Que explica

de

Tales

como

Tales

como

Que utiliza

explica

Que explica

Relación

en

Mapa Conceptual de la Asignatura

COMPORTAMIENTO DE LA MATERIA

MODELO CINÉTICO

MOLECULAR CINÉTICA QUÍMICA TERMODINÁMICA

PROPIEDADES TEORÍA DE LASCOLISIONES

1ª LEY 2ª LE

SÓLIDOS L QUIDOS GASESLEYES

FORMACIÓNDE

CRISTALES

PRESIÓNDE

VAPOR

CAPILARIDAD

TENSIÓNSUPERFICIAL

DIFUSIÓN

DENSIDAD

EXPANSIÓN

COMPRESIBILIDAD

VELOCIDADDE

REACCIÓN

LEY DE ACCIÓN DE

MASAS

PRINCIPIO DELE

CHATELIER

ENTALPIA ENERGÍAINTERNA

ESPONTAD DE

REACC


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Recomendaciones para el alumno ...................................................................... 7

Presentación .........................................................................................................8

UNIDAD 1 MODELO CINÉTICO MOLECULAR 11

1.1. Estados de agregación de la materia: sus fuerzas intermoleculares

y propiedades físicas intensivas. ..................................................................... 121.1.1. Fuerzas intermoleculares en la materia ............................................. 121.1.2.

Propiedades físicas intensivas de la materia ..................................... 131.2. Características de los gases ............................................................................. 14

1.2.1. Difusión................................................................................................. 141.2.2. Compresión.......................................................................................... 151.2.3. Expansión ............................................................................................. 151.2.4.

Densidad .............................................................................................. 161.3. Leyes de los gases ............................................................................................ 17

1.3.1 Ley de Boyle-Mariotte ............................................................................... 171.3.2. Ley de Charles ......................................................................................... 191.3.3. Ley de Gay-Lussac .................................................................................. 211.3.4. Ley combinada de gases ........................................................................ 23

1.3.5. Ley de Dalton o de Presiones Parciales ................................................. 231.3.6. Ecuación del gas ideal............................................................................. 25

1.4. Características del estado líquido de la materia ............................................... 251.4.1. Presión de vapor .................................................................................. 261.4.2. Punto de ebullición .............................................................................. 261.4.3.

Punto de congelación .......................................................................... 271.4.4. Tensión superficial ............................................................................... 271.4.5. Densidad .............................................................................................. 28

1.5. Características generales del estado sólido de la materia .............................. 291.5.1. Sustancias amorfas ................................................................................. 291.5.2. Sustancias cristalinas .............................................................................. 30

1.6. El modelo cinético molecular. Postulados del modelo ................................... 301.6.1. Teoría cinético molecular: el modelo ...................................................... 301.6.2.

Teoría cinético molecular en los gases .................................................. 311.6.3.

El comportamiento de los estados de la materia a partirdel Modelo Cinético Molecular .......................................................................... 31

Sección de tareas ................................................................................................33

Autoevaluación .....................................................................................................59Ejercicio de reforzamiento ....................................................................................63

UNIDAD 2 CINÉTICA QUÍMICA 67

2.1. Velocidad de Reacción ...................................................................................... 682.1.1 Teoría de las colisiones ............................................................................ 702.1.2. Factores que afectan la velocidad de reacción ...................................... 73

2.2.

Equilibrio químico ............................................................................................... 782.2.1. Reversibilidad de las reacciones químicas ............................................. 782.2.2. Ley de acción de masas ......................................................................... 80

2.3. Principio de Le-Châteliere .................................................................................. 832.3.1. Cambios de concentración ..................................................................... 862.3.2. Cambios de temperatura ......................................................................... 872.3.3. Cambios de presión ................................................................................ 892.3.4. Efecto de la presencia de un catalizador ...........................................89

Sección de tareas ................................................................................................91 Autoevaluación .....................................................................................................97

Ejercicio de reforzamiento ....................................................................................99

Índice


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UNIDAD 3 CONCEPTOS DE TERMODINÁMICA 103

3.1. Sistemas termodinámicos ................................................................................ 1043.1.1. Sistemas .................................................................................................. 1043.1.2. Estado del sistema ................................................................................. 1053.1.3. Funciones de estado .............................................................................. 1053.1.4. Proceso ................................................................................................... 107

3.2.

Primera Ley de la Termodinámica .................................................................... 1103.2.1. Energía interna ........................................................................................ 1103.2.2. Entalpía .................................................................................................... 1103.2.3. Entalpías de formación ........................................................................... 1123.2.4. Entalpías de reacción ............................................................................. 114

3.3. Ley de Hess ...................................................................................................... 1163.4. Segunda Ley de la Termodinámica ................................................................. 118

3.4.1. Entropía ................................................................................................... 1183.4.2. Energía libre de Gibbs .......................................................................... 1193.4.3. Espontaneidad de un proceso ............................................................... 120

Sección de tareas ............................................................................................... 123 Autoevaluación .................................................................................................... 143

Claves de respuestas .......................................................................................... 145

Glosario ............................................................................................................... 146Bibliografía General ............................................................................................. 147

Índice (cont’)


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El presente Módulo de Aprendizaje constituye un importante apoyo para ti, en élse manejan los contenidos mínimos de la asignatura Temas Selectos de QuímicaI

No debes perder de vista que el Modelo Académico del Colegio de Bachilleres del

Estado de Sonora propone un aprendizaje activo, mediante la investigación, elanálisis y la discusión, así como el aprovechamiento de materiales de lecturacomplementarios; de ahí la importancia de atender las siguientesrecomendaciones:

Maneja el Módulo de Aprendizaje como texto orientador de los contenidostemáticos a revisar en clase.

Utiliza el Módulo de Aprendizaje como lectura previa a cada sesión de clase.

Al término de cada unidad, resuelve la autoevaluación, consulta la escala demedición del aprendizaje y realiza las actividades que en ésta se indican.

Realiza los ejercicios de reforzamiento del aprendizaje para estimular y/oreafirmar los conocimientos sobre los temas ahí tratados.

Utiliza la bibliografía recomendada para apoyar los temas desarrollados encada unidad.

Para comprender algunos términos o conceptos nuevos, consulta el glosarioque aparece al final del módulo.

Para el Colegio de Bachilleres es importante tu opinión sobre los módulos deaprendizaje. Si quieres hacer llegar tus comentarios, utiliza el portal delcolegio: www.cobachsonora.edu.mx

Recomendaciones para el alumno


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8

El módulo de aprendizaje de Temas Selectos de Química I ha sido elaborado con elpropósito de que los alumnos y maestros tengan un apoyo didáctico que les permitadesarrollar habilidades académicas tales como lecto-escritura, reflexionar y resolverproblemas como un medio para reforzar el proceso enseñanza-aprendizaje, basadoen el constructivismo del conocimiento; además de que le capaciten para cursar los

estudios de licenciatura en las escuelas de nivel superior para las cuales estamateria es propedéutica, a diferencia de los cursos de Química I y II, donde elobjetivo es proporcionar una cultura científica general.

Se recomienda que algunos ejercicios sean resueltos en equipo para propiciar eldesarrollo de la solidaridad, para el trabajo en equipo y la tolerancia paraescuchar y respetar la opinión de los demás.

Se sugiere a los docentes, que bien el contenido y los ejercicios pueden seraumentados para un aseguramiento de las habilidades académicas que sesugieren en cada Unidad.

Presentación


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RIEMS

Introducción El Colegio de Bachilleres del Estado de Sonora, en atención a los programas deestudio emitidos por la Dirección General de Bachillerato (DGB), ha venidorealizando la elaboración del material didáctico de apoyo para nuestrosestudiantes, con el fin de establecer en ellos los contenidos académicos adesarrollar día a día en aula, así como el enfoque educativo de nuestra Institución.

Es por ello, que actualmente, se cuenta con los módulos y guías de aprendizajepara todos los semestres, basados en los contenidos establecidos en la ReformaCurricular 2005. Sin embargo, de acuerdo a la reciente Reforma Integral deEducación Media Superior, la cual establece un enfoque educativo basado encompetencias, es necesario conocer los fines de esta reforma, la cual se dirige ala totalidad del sistema educativo, pero orienta sus esfuerzos a los perfiles del

alumno y profesor, siendo entonces el camino a seguir el desarrollo de lascompetencias listadas a continuación y aunque éstas deberán promoverse entodos los semestres, de manera más precisa entrará a partir de Agosto 2009, enel primer semestre.

Competencias Genéricas CATEGORIAS COMPETENCIAS GENÉRICAS

I Se autodetermina

y cuida de sí

1 Se conoce y valora a sí mismo y aborda problemas y retosteniendo en cuenta los objetivos que persigue.2 Es sensible al arte y participa en la apreciación e interpretación

de sus expresiones en distintos géneros.3 Elige y practica estilos de vida saludables.

II Se expresa y

comunica

4 Escucha, interpreta y emite mensajes pertinentes en distintoscontextos mediante la utilización de medios, códigos yherramientas apropiados.

III Piensa crítica y

reflexivamente

5 Desarrolla innovaciones y propone soluciones a problemas apartir de métodos establecidos. 6 Sustenta una postura personal sobre temas de interés yrelevancia general, considerando otros puntos de vista de maneracrítica y reflexiva.

IV Aprende de

forma autónoma

7 Aprende por iniciativa e interés propio a lo largo de la vida.

V Trabaja en forma

colaborativa

8 Participa y colabora de manera efectiva en equipos diversos.

VI Participa con

responsabilidad en

la sociedad

9 Participa con una conciencia cívica y ética en la vida de sucomunidad, región, México y el mundo.10 Mantiene una actitud respetuosa hacia la interculturalidad y ladiversidad de creencias, valores, ideas y prácticas sociales. 11 Contribuye al desarrollo sustentable de manera crítica, conacciones responsables.


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Competencias Disciplinarias BásicasCiencias experimentales

1. Establece la interrelación entre la ciencia, la tecnología, la sociedad y el ambiente encontextos históricos y sociales específicos.

2. Fundamenta opiniones sobre los impactos de la ciencia y la tecnología en su vidacotidiana, asumiendo consideraciones éticas.

3. Identifica problemas, formula preguntas de carácter científico y plantea las hipótesisnecesarias para responderlas.

4. Obtiene, registra y sistematiza la información para responder a preguntas de caráctercientífico, consultando fuentes relevantes y realizando experimentos pertinentes.

5. Contrasta los resultados obtenidos en una investigación o experimento con hipótesisprevias y comunica sus conclusiones.

6. Valora las preconcepciones personales o comunes sobre diversos fenómenos naturalesa partir de evidencias científicas.

7. Explicita las nociones científicas que sustentan los procesos para la solución deproblemas cotidianos.

8. Explica el funcionamiento de maquinas de uso común a partir de nociones científicas.9. Diseña modelos o prototipos para resolver problemas, satisfacer necesidades o

demostrar principios científicos.10. Relaciona las expresiones simbólicas de un fenómeno de la naturaleza y los rasgos

observables a simple vista o mediante instrumentos o modelos científicos.11. Analiza las leyes generales que rigen el funcionamiento del medio físico y valora las

acciones humanas de riesgo e impacto ambiental.12. Decide sobre el cuidado de su salud a partir del conocimiento de su cuerpo, sus

procesos vitales y el entorno al que pertenece.13. Relaciona los niveles de organización química, biológica, física y ecológica de los

sistemas vivos.14. Aplica normas de seguridad en el manejo de sustancias, instrumentos y equipo en la

realización de actividades de su vida cotidiana.

Competencias docentes:1. Organiza su formación continua a lo largo de su trayectoria profesional.2. Domina y estructura los saberes para facilitar experiencias de aprendizaje

significativo.3. Planifica los procesos de enseñanza y de aprendizaje atendiendo al enfoque

por competencias, y los ubica en contextos disciplinares, curriculares ysociales amplios.

4. Lleva a la práctica procesos de enseñanza y de aprendizaje de maneraefectiva, creativa e innovadora a su contexto institucional.

5. Evalúa los procesos de enseñanza y de aprendizaje con un enfoqueformativo.

6. Construye ambientes para el aprendizaje autónomo y colaborativo.7. Contribuye a la generación de un ambiente que facilite el desarrollo sano eintegral de los estudiantes.

8. Participa en los proyectos de mejora continua de su escuela y apoya lagestión institucional.


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UUnniiddaadd 22

CCiinnééttiiccaa

QQuuíímmiiccaa

Objetivos

El alumno:

Explicará la cinética química, a

partir de la observación y análisis

de la velocidad de reacción de los

procesos químicos en función de

diferentes factores, infiriendo el

significado de la constante de

equilibrio en los cambios

químicos e identificando la

dirección de una reacción

química, mediante la aplicación

experimental o conceptual de la

teoría de colisiones; colaborando

con una actitud crítica y

responsable.

Temario

Velocidad de Reacción.

Equilibrio químico.

Principio de Le-Chateliere.

Lo que caracteriza al hombre de cienciano es la posesión del conocimiento o deverdades irrefutables, sino la investigación

desinteresada e incesante de la verdad.

Karl Popper


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Temas Selectos de Química I

68

Evaluación Diagnóstica de Conocimientos Previos

Ejemplo: Antes de iniciar esta Unidad, elabora un mapa conceptual utilizando losconceptos que aparecen en la siguiente lista y muéstrala a tu profesor cuando telo solicite.

Reacción química. Reactivos.

Coeficientes. Balanceo de ecuaciones. Productos.

Subíndices.

VVEELLOOCCIIDDAADD DDEE RREEAACCCCIIÓÓNN

El concepto de velocidad es algo que la mayoría de nosotros tenemos claro:Medimos la velocidad con la que se desplazan los automóviles, la que adquiere

una pelota de béisbol al ser lanzada por un pitcher, la que alcanza un corredor de

100 metros planos, etcétera.

La velocidad y las condiciones que puedan influir para alcanzarla, son aspectos

importantes en la vida de muchos deportistas, a mayor velocidad, mayor

posibilidad de ganar; por lo tanto, mayores recursos económicos. Las unidades

que usualmente empleamos para medir velocidad son kilómetros por hora

(Km./hr ) y millas por hora (Mi/hr ).

En los procesos químicos, la velocidad con la que ocurren las reacciones afectadicha velocidad. Por ejemplo, en tiempo de verano, es común escuchar lo

siguiente: “No dejes la comida fuera del refrigerador... se va a echar a perder”.

Algunos alimentos se descomponen muy rápidamente, como la leche; otros, más

lentamente como la carne o las verduras.

Para comprender lo anterior, debemos recurrir a la cinética química , la cual se

define como: Rama de la química que se encarga del estudio de la velocidad de

una reacción y los factores que la afectan.

Para medir la velocidad de un automóvil, tomamos en cuenta el cambio de posiciónen un determinado tiempo y, como ya se estableció, las unidades que se utilizanson kilómetros por hora o millas por hora.

2.1.

v = d/t

www.fisicanet.com.ar/qui

mica/index.php

La rapidez promediode recorrido en estas

actividades se basa enel cambio de distancia

a través del tiempo.

www.deciencias.net/proyectos/quimica/reacciones/concentra.htm


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Cinética Química

Instrucciones para el profesor Instrucciones para el alumno

1. Coloca una cinta de magnesio en un vidrio dereloj.

1. Prepárate para medir tiempo, consigue un relojcon segundero.

2. Enciende la tira de magnesio, con ayuda de unfósforo o encendedor.

2.

Toma el tiempo desde el momento en que seenciende la tira de magnesio, hasta que seconvierte totalmente en polvo blanco (producto).

3. Plantea las siguientes preguntas.3.

Anota el tiempo en que se llevó a cabo la reacciónde combustión.

Preguntas

a) ¿Cuánto tiempo tardó en formarse el óxido de magnesio? ___________________________________

b) ¿Qué tiempo es el que medimos? ¿La desaparición de reactantes o la aparición de productos?

_________________________________________________________________________________

c) ¿Puedes definir la velocidad de reacción a partir de estos datos? Si esto es posible, anótala:

__________________________________________________________________________________

En este experimento, utilizaremos una tableta de Alka Seltzer®, la cual estácompuesta de ácido cítrico y bicarbonato de sodio (reactantes). Estos doscompuestos, no reaccionan espontáneamente entre sí. Cuando colocamos latableta en agua, se inicia la efervescencia, la cual se debe a la reacción entre elbicarbonato de sodio y el ácido cítrico.

Como productos de esta reacción, se forman: Bióxido de carbono, citrato desodio y agua. El CO2 se libera en forma de gas.

3NaHCO

3(ac)

+ H

3

C

6

H

5

O

7(ac)

3CO

2(g)

+ 3H

2

O

(l)

+ Na

3

C

6

H

5

O

7(ac)

Sigue las instrucciones que a continuación se detallan.

EJERCICIO 1Para definir el concepto de

velocidad de reacción

, realiza, dentro del aula, el siguienteejercicio sobre la combustión de una cinta de magnesio.

La combustión es una reacción química de combinación, en este caso el magnesioy el oxígeno, son los reactantes, mientras que el óxido de magnesio es el producto.

2Mg

(s)

+ O

2(g)

2MgO

(s)

Sigue las instrucciones que a continuación se detallan:

TAREA 1

Página 91.

EJERCICIO 2


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Instrucciones para el profesor Instrucciones para el alumno

1. Prepara un vaso conteniendo una pequeñacantidad de agua.

1. Prepárate para medir tiempo, consigue un relojcon segundero.

2. Deposita la tableta de Alka Seltzer® en el

interior del vaso con agua.

2. Toma el tiempo desde el momento en que sedeposita la tableta, hasta el momento en quedesaparece.

3. Plantea las siguientes preguntas. 3. Anota el tiempo.

Preguntas

a) ¿Cuánto tiempo tardó en desaparecer la tableta?____________________________________________

b) ¿Qué tiempo es el que medimos? ¿La desaparición de reactantes o la aparición de

productos?____________________________________________________________________________

c) ¿Puedes definir la velocidad de reacción a partir de estos datos? Si esto es posible, anótala:

____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Consulta la página de Internet http//es.encarta.msn.com/enciclopedia_961522212/velocidad_de_reacc%C3%B3n.html

Los resultados obtenidos en los dos experimentos anteriores, nos permitenconcluir con una definición para la

velocidad de reacción

.

Se define como la cantidad de producto que aparece, o bien, la cantidad de

reactante que desaparece por unidad de tiempo.

Las unidades que se emplean para medir velocidad de reacción son moles porsegundo (Mol/s).

Existen diversas maneras de medir en el laboratorio, la velocidad de una reaccióncomo pueden ser: Formación de precipitados, cambios de color, variación deconductividad eléctrica, etcétera.

http://www. Consulta pag. Inernetdeciencias.net/proyectos/quimica/reacciones/concentra.htm

2.1.1. Teoría de Colisiones.

Cuando colisionan dos moléculas que sufren una reacción química, el choquepuede ocasionar la ruptura de los enlaces químicos en las moléculas de losreactivos a medida que se forman nuevos enlaces en las moléculas de losproductos.

La suposición de que las reacciones químicas se efectúan a través de colisionesde moléculas se conoce como la teoría de colisiones.

A 2 + B 2 2AB


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Cinética Química

La ruta o método por el que las moléculas de reactivo se transforman en

moléculas de producto se conocen como mecanismo de reacción.

El mecanismo de la reacción involucra una colisión entre las dos moléculas dereactivo que conduce a la ruptura de los enlaces entre los átomos de las dosmoléculas elementales y a la formación de nuevos enlaces entre los átomos dedos moléculas elementales y a la formación de nuevos enlaces para producir

dos moléculas de los productos AB.

1. Las colisiones entre dos moléculas de reactivos deben efectuarse en laorientación geométrica adecuada.

2. La colisión debe ocurrir con suficiente energía para romper los enlacesde los reactivos, de tal modo que puedan formarse nuevos enlaces enlos productos.

Esta energía mínima requerida para la reacción se conoce como energía de

activación.

Los investigadores han tratado de elaborar teorías que expliquen

satisfactoriamente el comportamiento de las reacciones, con el fin de predecir lavelocidad de una reacción antes de que se efectúe. Una de éstas, es la Teoría decolisiones, la cual se explica a través de los siguientes puntos:

Consulta la pag.internethttp://educared.net.concurso2001/410/reaccion.htm http://fisicanet.com.ar/quimica/cinetica_quimica/ap01_cinetica_quimica.php

a) Para que en una reacción se formen los productos, es necesario queprimeramente se rompan los enlaces de las sustancias que están participandocomo reactantes. Esto lo podemos explicar con la siguiente reacción:

Como puedes observar en la reacción, los átomos de hidrógeno están enlazados ounidos entre sí, lo mismo pasa con los oxígenos. Si existe unión, debe existir unafuerza que los mantenga unidos; si estamos de acuerdo en esto, entonces:

¿De dónde se obtuvo la energía necesaria para separar a los átomos de hidrógeno y

oxígeno?

b) Posteriormente, los átomos libres se recombinan y se unen a través de nuevos

enlaces. Por ejemplo:

O2

2H +O2 2

O O +

X2H O2

2H2

2H H 2H +2H X

X

X O X

X O

O x

x

H x

H

H

H

2H O2

O +

+ X

El producto de una reacciónquímica es el resultado de

colisiones entre átomos, ionesy/o moléculas.

http://educared.net.concurso2001/410/reaccion.htmhttp://educared.net.concurso2001/410/reaccion.htmhttp://fisicanet.com.ar/quimica/cinetica_quimica/ap01_cinetica_quimica.phphttp://fisicanet.com.ar/quimica/cinetica_quimica/ap01_cinetica_quimica.phphttp://fisicanet.com.ar/quimica/cinetica_quimica/ap01_cinetica_quimica.phphttp://educared.net.concurso2001/410/reaccion.htm


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Si queremos unir algo, es lógico pensar que debemos emplear una cierta cantidadde fuerza que haga posible esta unión. La pregunta que nos hacemos aquí es:

¿De dónde se obtiene la energía que hace posible que los hidrógenos se

unan a los oxígenos para formar la molécula de agua?

c)

Para resolver las dos preguntas anteriores, debemos considerar que losátomos, iones o moléculas no son estáticos, están en constante movimiento;es decir, poseen energía cinética o energía de movimiento.

d) Debido a esta energía cinética, los átomos, iones o moléculas que participanen una reacción química, colisionan o chocan entre sí y, en ocasiones, laenergía de este choque es suficiente para separar o unir a los átomos, iones omoléculas o bien, para romper o formar enlaces. (Ver figura 1).

e) Para que los átomos, iones o moléculas se unan, los choques deben serefectivos; esto significa que el choque entre las especies reaccionantes debeser suficiente para formar productos. A mayor número de choques efectivos,mayor velocidad de reacción.

De lo anterior, podemos concluir que la teoría de colisiones establece lo siguiente:

La velocidad de una reacción es directamente proporcional

al número de choques efectivos que se dan entre las

sustancias reaccionantes.

Según la teoría de las colisiones, los choques efectivos se dan entre moléculas oátomos que hayan alcanzado la energía de activación, la cual se define de lasiguiente manera:

Es la energía que se requiere para romper

o formar un enlace.

Una reacción no se efectúa si las moléculas de reactivos no han alcanzado suenergía de activación. Algunas especies reaccionantes requieren de mucha energíapara unirse, por lo que su velocidad de reacción es baja; otras, en cambio,requieren pequeñas cantidades de energía para realizar la unión, por lo que suvelocidad de reacción será mayor.

Fig. 1 Energía cinética de las moléculas, factor importante en la velocidad de una reacción.


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73

Cinética Química

En la figura 2, se puede observar “la montaña” que hay que vencer para que lassustancias que participan como reactivos se activen y la reacción suceda:

Energía de activación y reacciones

Las colisiones en a y b no producen una reacción debido a que lasmoléculas no están en posición de formar enlaces

Las moléculas en c están en la posición correcta cuando colisionan, yoriginan una reacción.Las moléculas en d también están en posición correcta para colisionar,pero la falta de suficiente energía en el punto de colisión impide unareacción química.

2.1.2. Factores que afectan la velocidad de reacción

Experimentalmente se ha demostrado que existen ciertos factores que afectan lavelocidad de una reacción. Entre éstos, podemos mencionar los siguientes:

a) Naturaleza química de los reactivos.b) Concentración de las especies reaccionantes.c) Temperatura.

Mayor energía de activación = menor velocidad de reacción.

Menor energía de activación = mayor velocidad de reacción.

Fig.2 Coordenadas de reacción.

Reactivos

Productos

E

a

n

g

í

a

p

o

e

a


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d) Presión.e) Catalizadores.

a) Naturaleza química de los reactivos.

Uno de los factores que influyen en la velocidad de una reacción, esla naturaleza

química de los reactivos. En algunas ocasiones, las sustancias reaccionan muyfácilmente entre sí, en otras, la reacción tarda mucho o simplemente no ocurre.

Por ejemplo, el oxígeno del aire reacciona rápidamente con el sodio; con el hierro lohace más lentamente y con el oro no da señales de reacción.

4Na

(s)

+ O

2 (g)

2Na

2

O reacción rápida2Fe

(s)

+ O

2 (g)

2FeO reacción lenta4Au

(s)

+ O

2 (g)

2Au

2

O no hay señales de reacción

La velocidad de reacción está determinada por la naturaleza química de losreactivos, la cual depende de la estructura química o molecular y la fuerza de los

enlaces químicos que presenten dichas sustancias.Por lo anterior, podemos decir que la naturaleza química de los reactivos determinala energía de activación; es decir, la cantidad de energía que se requiere pararomper o formar nuevos enlaces.

Por lo general, las reacciones entre compuestos iónicos, disueltos en agua ocurrencasi instantáneamente, ya que las colisiones entre los iones con cargas opuestases frecuente y, a mayor número de choques efectivos, mayor velocidad dereacción. Como ejemplos podemos mencionar los siguientes:

Las reacciones de neutralización entre ácidos y bases, son instantáneas.

H

+1

Cl

–

1

+ Na

+1

OH

-1

NaCl + H

2

O

La reacción entre una solución de nitrato de plata y yoduro de potasio, formainmediatamente un precipitado amarillo llamado yoduro de plata.

AgNO

3 (aq)

+ KI

(aq)

AgI

(s)

+ KNO

3 (aq)

Una reacción entre compuestos iónicos en solución es el resultado de unarecombinación entre los iones positivos y iones negativos lo cual requiere menorcantidad de energía de activación, por lo que ocurren en fracciones de segundo(fig. 2).

Las reacciones entre moléculas neutras pueden ser más lentas que las iónicas,debido a la transferencia de electrones y la redistribución de los enlaces. La mayorparte de las reacciones moleculares son elásticos; es decir, simplemente rebotan yse apartan sin sufrir cambios; si la energía de activación es pequeña, pocascolisiones tendrían suficiente energía para ocasionar cambios; por lo tanto, lareacción puede ser tan lenta que no es detectable.

La tendencia de unasustancia a reaccionarinfluye en la rapidez deuna reacción queinvolucre la sustancia.Cuanto más reactiva seala sustancia, tanto mayorserá la rapidez dereacción.


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75

Cinética Química

Como ejemplo de lo anterior podemos mencionar a las moléculas de hidrógeno(H2) y oxígeno (O2), las cuales pueden mantenerse durante años en el mismorecipiente sin reaccionar. Aunque hay colisiones entre las moléculas, no se alcanzala energía de activación que se requiere para la formación de productos

b) Concentración de las especies reaccionantes.

A medida que haya más moléculas de los reactivos en un volumen específico deun líquido o un gas, más colisiones ocurrirán por unidad de tiempo. Un ejemplo,sería al encender una astilla de madera y luego apagarla, la astilla continuaráincandescente porque la madera reacciona con lentitud con oxígeno del aire. Sila astilla incandescente se coloca en oxígeno puro, arderá con llama, lo queindica que la reacción es mucho más rápida. Esta reacción más rápida se puedeinterpretar en términos de la concentración de oxígeno, pues el aire contienealrededor de una quinta parte de oxígeno. La concentración de moléculas deoxígeno en el oxígeno puro a la misma presión y temperatura esaproximadamente cinco veces mayor que en el aire.

De acuerdo con la teoría de colisiones, a mayor cantidad de moléculas por unidadde volumen, mayor probabilidad de choques o colisiones; por lo tanto, mayorvelocidad de reacción. Esto lo podemos ilustrar con la figura 3.

Un ejemplo de la importancia de la concentración de reactivos, lo podemos ver siintentamos mantenernos sumergidos en una alberca por más de un minuto.Después de este tiempo, empieza la desesperación ya que la concentración deoxígeno molecular en la sangre (O2) empieza a disminuir y el que aún se tiene, noes suficiente para mantener funcionando al sistema.

A mayor concentración de reactivos, mayor número de choques; por lo

tanto, mayor velocidad de reacción.

c) Temperatura.

Generalmente las reacciones tienen lugar a una velocidad mayor cuando latemperatura es elevada. Por ejemplo, Un bistec a la parrilla se cocina con másrapidez a temperaturas elevadas. Por otra parte, si se baja la temperatura, bajala velocidad de reacción. Algunos alimentos se introducen en el refrigerador o enel congelador para que las reacciones sean más lentas y no se echan a perderlos alimentos.

La facilidad que tenga una sustancia para reaccionar, depende de la

estructura atómica o molecular que

presente.

Fig.3 Efecto de la concentración sobre la velocidad de reacción.

Si añadimos más “bochocones”, aumenta posibilidad de que hayachoque. Si quitamos algu

botes, se reduce probabilidad de que dos bose encuentren. Mientras mpartículas de añadan a mezcla de reacción, maoportunidad tendrán chocar y reaccionar.


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De manera similar, la batería de un automóvil puede no suministrar suficienteenergía para arrancar un motor en una mañana fría. También los insectos tienenmovimientos más lentos durante el otoño, cuando la temperatura es más fría;esto es debido a que la temperatura del ambiente controla la temperaturacorporal de esos animales de sangre fría y sus reacciones bioquímicas se hacenmás lentas a temperaturas más bajas.Se considera una regla empírica general, en algunos casos:"La velocidad de

reacción se duplica de manera aproximada cuando la temperatura seincrementa en 10 ºC".

Un aumento en la temperatura de reacción origina un aumento en la energíacinética de los reactantes; es decir, aumenta la velocidad con la que éstos semueven en el interior del sistema donde se efectúa la reacción. Al aumentar suenergía cinética, aumenta la frecuencia de choques y además, muchas de laspartículas de reactantes alcanzan más rápidamente la energía de activaciónnecesaria para formar productos (Ver figura 2).

Un ejemplo donde podemos destacar la importancia de la temperatura en lavelocidad de una reacción, lo podemos observar en la descomposición de losalimentos. Si la leche no se refrigera, se descompone rápidamente; para que lavelocidad de descomposición se reduzca, es necesario disminuir la temperaturaunos 20 ºC. La reducción en esta velocidad es aún mayor, si el producto secongela.

Mayor temperatura

Mayor energía cinética, por lo tanto mayor número de colisiones entre lassustancias reaccionantes.

Las sustancias reaccionantes alcanzan más rápidamente su energía deactivación.

......mayor velocidad de reacción

d) Presión.

Los cambios de presión, sólo afectan las velocidades de aquellas reacciones endonde participan sustancias gaseosas. Estos cambios de presión se acompañande cambios de volumen.

Generalmente, las sustancias gaseosas tienden a ocupar la totalidad del volumendel recipiente que los contiene. Un aumento en la presión de un sistema gaseosose traduce en una disminución de su volumen; esto lo podemos ver en la figura 4.

Al disminuir el volumen, las moléculas se aproximan más por lo que incrementa lafrecuencia de choques o colisiones. Esto trae como consecuencia una mayorvelocidad de reacción.

Fig. 4 Efecto de la presión en reacciones donde intervienen sustancias gaseosas.

Añadir calor a los reactivosayuda a romper enlaces y seincrementa la velocidad con laque se mueven los átomos ylas moléculas. Mientras más

rápido se muevan, mayor serála probabilidad de quechoquen y reaccionen. Aldisminuir el calor, lasreacciones se hacen máslentas. Es por eso quecongelar los alimentos sirvepara evitar que sedescompongan pronto.


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77

Cinética Química

Una disminución en la presión separa a las moléculas de reactivos, ocasionandouna disminución en la velocidad de reacción.

Los cambios de presión se utilizan en reacciones gaseosas donde se quiere forzarla formación de un producto determinado, como por ejemplo en la producción deamoníaco a partir de nitrógeno e hidrógeno gaseosos.

N

2 (

g

)

+ 3H

2 (

g

)

2NH

3 (

g

)

e) Catalizadores.

Los catalizadores tienen un a importancia aún mayor par alas reaccionesbioquímicas que tienen lugar en los organismos vivos, donde se efectúan a unatemperatura constante a 37 °C. A los catalizadores biológicos se les llamaenzimas, y catalizan casi todas las reacciones que ocurren en los sistemas vivos.Los catalizadores tienen una gran importancia en la industria química y en losconvertidores catalíticos del escape de los automóviles. Una reacción que deotra manera sería tan lenta que no resultaría práctica, con el catalizadorapropiado se puede hacer que proceda a una velocidad razonable.

Conocemos el término “catalizador”; sin embargo, desconocemos su función. Estedesconocimiento nos lleva en algunas ocasiones, a eliminar el convertidor catalíticode nuestro automóvil, ya que el mecánico nos dijo: “Esto no sirve más que para... estorbar”.

Antes de proceder a eliminar este aditamento, debemos preguntarnos lo siguiente:¿Qué es un catalizador y cuál es su función?

Loscatalizadores

, son sustancias que se utilizan en pequeñas cantidades con lafinalidad de alterar la velocidad de una reacción química; una de las característicasde estas sustancias es que no se consumen durante la reacción.

Utilizamos catalizadores en nuestra vida diaria tales como: Utilizamos medicamentos que son catalizadores. Agregamos limón o vinagre para hacer ceviche y “cocer” el pescado. Los automóviles cuentan con un catalizador para disminuir emisiones

contaminantes. Los procesos vitales en nuestro organismo están catalizados.

El catalizador actúa disminuyendo la energía de activación, por lo que la reacciónse llevará a una mayor velocidad. Por ejemplo, el agua oxigenada o peróxido dehidrógeno, se descompone lentamente por sí misma; sin embargo, cuando leagregamos una pequeña cantidad de dióxido de manganeso, la descomposiciónes casi explosiva. (Ver figura 5).

La gelatina preparada copiña fresca no se endurecbien, pero sí la que se haccon piña de lata. La piñfresca contiene enzimaactivas, del tipo de laproteasas, que degradalas moléculas de proteínde la gelatina. La piñenlatada se ha calentado,como las enzimas sosensibles al calor, laproteasas de la fruenlatada no son activas.


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EEQQUUIILLIIBBRRIIOO QQUUÍÍMMIICCOO

El equilibrio es un estado en el que no se observan cambios a medida quetranscurre el tiempo. Cuando una reacción alcanza el equilibrio lasconcentraciones de reactivos y productos permanecen constantes. El equilibrioes un estado dinámico en el que se mantienen iguales las velocidades de dosreacciones opuestas.

El estudio del equilibrio químico es importante, ya que nos permite establecer hastaqué punto puede avanzar un proceso. Si queremos ver a que velocidad ocurren loscambios en dicho proceso, debemos revisar la cinética química de dicho proceso.

Algunas de las áreas donde podemos aplicar los principios en los que se

fundamenta el equilibrio químico y la cinética química, son:

a) Industria de los alimentos: Período de caducidad de alimentos enlatados y eluso de conservadores

b) Industria automotriz: Convertidores catalíticos para disminuir la emisión desustancias nocivas.

c)

Medicina: Determinar la caducidad de los medicamentos.d) Perfumería: Producción de sustancias estables y con olores agradables.e)

Ecología: Control de emisiones tóxicas con ayuda de catalizadores y, evitar lacontaminación por plaguicidas, al conocer su tiempo de permanencia en elambiente.

f) En la casa: Conservación de los alimentos por congelación.

2.2.1. Reversibilidad de las reacciones químicas.

Hasta este momento, hemos considerado que las reacciones químicas ocurrenpartiendo de reactantes y terminando en los productos. Por ejemplo:

2.2.

Fig. 5 Efecto de los catalizadores sobre la velocidad de reacción.

Reactivos

Productos

E

a

n

g

í

a

p

o

e

a

2H

2

O

2 (l)

2H

2

O

(l)

+ O

2 (g)

2H

2

O

2 (l))

MnO

2

2H

2

O

(l)

+ O

2 (g)

_______

2NO2 ( g) N2O4 ( l)Enfriamiento

TAREA 2

Página 93.


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Cinética Química

Sin embargo, la mayoría de las reacciones químicas son reversibles; es decir, unavez formados los productos, éstos reaccionan entre sí y forman nuevamente a losreactantes. Por ejemplo, el dióxido de nitrógeno es un gas café rojizo, que alenfriarse se transforma en tetraóxido de dinitrógeno, el cual es un líquido amarillo.Este último, al calentarse se transforma nuevamente en dióxido de nitrógeno.

La reversibilidad de una reacción, se representa mediante dos flechas encontradas,las cuales nos indican que las dos reacciones se están llevando a cabosimultáneamente. A la reacción que va de reactantes a productos se le conocecomo reacción directa, mientras que a la que va de productos a reactantes, se ledenomina reacción inversa.

Un ejemplo cotidiano de reacciones reversibles, lo observamos en las pilasrecargables, las cuales una vez agotadas pueden ser recargadas nuevamentehaciendo pasar una corriente eléctrica a través de ellas. En este tipo de pilas, losproductos que se forman reaccionan entre sí al hacerles pasar una corrienteeléctrica, formando de nuevo los reactantes encargados de producir la energíaeléctrica.

En algunas reacciones sólo es perceptible la reacción directa, la reacción inversano es evidente. Una reacción de este tipo, que ocurre sólo hacia la derecha, recibeel nombre de reacción irreversible. Un ejemplo de lo anterior es la oxidación de unclavo, la cual representamos con la siguiente ecuación química:

2Fe + O2 2FeO

De acuerdo al sentido de desplazamiento, las reacciones químicas, éstas

pueden ser reversibles o irreversibles.

En la naturaleza, la mayoría de las reacciones químicas son reversibles y una desus características es que después de un cierto tiempo la velocidad de la reaccióndirecta es igual a la velocidad de la reacción inversa; a este estado dinámico se leconoce con el nombre de equilibrio químico.

Durante el equilibrio químico, las cantidades de reactantes y productospermanecen constantes.

Hasta aquí hemos visto que las reacciones pueden ser reversibles e irreversibles.

¿A qué se debe que algunas reacciones sean reversibles y otras irreversible?

Una reacción es irreversible, cuando la energía que se requiere para romper los

enlaces de los reactantes es mucho menor que la que se requiere para romperlos enlaces de los productos. A esta energía se le llama energía de activación;por lo tanto, en una reacción reversible, la energía de activación de los productoses igual o menor que la de los reactantes.

En una reacción reversible, se llevan a cabo dos reacciones que son contrarias,cada una ocurre a cierta velocidad, a esta velocidad se le llama velocidad dereacción y puede ser calculada con base en lo que establece la llamada " ley deacción de masas".

NO2 ( g)

N2O

4 ( l)

Enfriamiento

Calentamiento

Recarga reversible

Cuando la batería de unautomóvil libera energíamientras el automóvil no estáen marcha, la reacción deabajo se dirige hacia la

derecha. Si dejas las lucesencendidas y tienes querecargar la batería con unempujón, la reacción se dirigehacia la izquierda, mientras elmotor del automóvil esté enmarcha.Pb + PbO2 + 2H2 SO4 2PbSO4 +2H2 O + energía

Cuando el peróxido de

hidrógeno, H2O2, se aplica enuna herida, se descompone yse forma agua y oxígeno. Lasburbujas de oxígeno gaseosose escapan, lo que impide quenuevamente se forme H2O2

2H2O2 2H2O + O2


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2.2.2. Ley de acción de masas.

La ley de acción de masas establece que: "La velocidad de una reacción, esdirectamente proporcional al producto (multiplicación) de las moles por litro(concentración molar) de cada uno de los reactantes, elevadas a una potencia

igual a su coeficiente estequiométrico y multiplicadas por una constante (k) de

proporcionalidad, y cuyo valor, depende de la naturaleza química de los reactantes y de la temperatura".

Existe una expresión matemática para la ley, pero antes de darla a conocer esnecesario explicar algunas cosas:

La forma general de representar a una reacción química es la siguiente:

En la expresión anterior, las letras minúsculas representan los coeficienteestequiométricos (número de moles) de cada una de las sustancias que participanen la reacción mientras que, las letras mayúsculas representan las fórmulas de losreactantes (A, B) y productos (C, D).

El paréntesis rectangular [ ] se utiliza en química para indicar que la concentraciónde la sustancia está dada en moles por litro; es decir, que su concentración es

molar.

Con base en lo anterior podemos entonces establecer la expresión matemáticapara la ley de acción de masas en una reacción química:

En una reacción reversible existen dos reacciones químicas diferentes, la primeraes la que se lleva a cabo entre los reactantes para formar a los productos, la

segunda en la cual los productos reaccionan entre sí, una vez que se han formado,para formar de nuevo a los reactantes. A la primera reacción se le llama reaccióndirecta y a la segunda, reacción inversa.

Las expresiones de la velocidad para la reacción inversa y directa en un cambioreversible son las siguientes:

V = [ A ]

a

[ B ]

b

k

aA + bB cC +

aA + bB cC + dD

Reaccióndirecta

Reaccióninversa

V

i

= [ C ]

c

[ D ]

d

k

i

V

d

= [ A ]

a

[ B ]

b

k

d


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Cinética Química

Para cada una de las siguientes reacciones reversibles escribe la expresión dela velocidad de reacción, de acuerdo con la ley de acción de masas, para lareacción directa e inversa:

a)

2H2 + 2NO 2O2 + N2

b)

4NH3 + 5O2 4NO + 6 H2O

c) 2SO2 + O2 2SO3

Las constantes son diferentes dado que su valor, tal y como se establece en la leyde acción de masas, depende de la temperatura y de la naturaleza o propiedadesquímicas de las sustancias que reaccionan. Las propiedades químicas de losreactantes son diferentes a la de los productos.

Por ejemplo, cuando una reacción inicia, en el momento en que se conjuntan todaslas condiciones (concentración de reactantes, temperatura, presión, catalizadores,

etcétera), para que la reacción se efectúe, en ese preciso momento, laconcentración o cantidad de productos es igual a cero y la de los reactantes igual ala cantidad que se tenga para la reacción. Conforme pasa el tiempo, laconcentración de reactantes empieza a disminuir mientras que, la de los productosaumenta.

El cocimiento de un trozo de carne es una reacción o cambio químico, donde lacarne cruda es el reactante y la carne cocida es el producto, en el momento en quecolocamos la carne al fuego, en ese preciso momento no existe carne cocida; esdecir, la cantidad de producto en la reacción es igual a cero y la cantidad dereactantes es igual al peso de la carne que hayamos decidido poner a cocer.Conforme pasa el tiempo la carne se va cociendo; es decir, la cantidad de carnecruda o reactantes va disminuyendo, pero la cantidad de carne cocida o producto

va aumentando hasta que todo el reactante desaparece y en su lugar quedasolamente el producto.

Con base en la explicación anterior, contesta lo siguiente: ¿Cuál es elcomportamiento de la velocidad de la reacción conforme pasa el tiempo?Coméntalo con tus compañeros

EJERCICIO 3

EJERCICIO 4


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En el caso de una reacción reversible se presenta una situación un poco diferentedado que, como existen dos reacciones que son contrarias, cada una ocurre acierta velocidad y para entenderlo vamos a explicarlo con un ejemplo general desdeque inicia la reacción:

Suponiendo que para llevar a cabo la reacción:

Utilizamos las siguientes cantidades de reactantes:

[A] = 2.5 [B]= 4.5

En el momento de poner en contacto los dos reactantes ( A y B), la concentraciónde éstos es 2.5 y 4.5 moles/litro respectivamente, mientras que la concentración deproductos (C y D) es igual a cero por lo que, si calculáramos, de acuerdo con la leyde acción de masas, la velocidad para la reacción inversa, ésta sería igual a cero

dado que, la concentración de los productos es cero.

Conforme pasa el tiempo y tal como ya se había visto, las concentraciones de losreactantes disminuye y la de los productos aumenta, por lo que, la velocidad de lareacción directa va disminuyendo mientras que la velocidad de la inversa, a partirde cero, aumenta; por lo que, forzosamente en cierto momento debe ocurrir que lasdos velocidades sean iguales, es decir:

V

d

= V

i

Cuando esta situación ocurre, la reacción llega o alcanza lo que se conoce como elestado de equilibrio químico, el cual se caracteriza por lo siguiente:

1. Es un estado dinámico, ya que tanto la reacción directa como la inversa sesiguen llevando a cabo a pesar de tener la misma velocidad.

2. Las concentraciones de reactantes y productos, en el momento en que sellega al equilibrio, dejan de cambiar; es decir, en ese momento lasconcentraciones permanecen constantes.

3.

Si no se modifica ninguna de las condiciones de temperatura, presión yconcentración a las cuales la reacción alcanzó el equilibrio químico, éstapermanecerá de manera indefinida en este estado de equilibrio.

¿Qué ocurre si se modifican algunas de las condiciones con las cuales la

reacción llegó al equilibrio químico?

aA + bB cC + dD


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Cinética Química

Esto fue explicado por un investigador llamado Le Châtelier‟

Explicaremos más en detalle lo que dice Le Châteli r‟acerca de las reacciones osistemas en equilibrio:

PPRRIINNCCIIPPIIOO DDEE LLEE CCHHÂÂTTEELLIIEERR

Consulta la pag. Internet

http://www.jpimentel.com/ciencias_experimentales/pagwebciencias/pagweb/mat

erias/quimica_2_bach/quimica_enlaces_u5.htm

1. Una reacción en equilibrio químico permanecerá en este estado de maneraindefinida, siempre y cuando no se alteren alguna de las condiciones detemperatura, presión y concentración de reactantes o productos a las cuales sealcanzó dicho estado.

2. Cuando se altera alguna de las condiciones a las cuales se alcanzó el estadode equilibrio, el equilibrio de la reacción se verá alterado y se desplazará ya seahacia reactantes o productos, pero siempre tratando de contrarrestar el efectode la variación, hasta alcanzar un nuevo estado de equilibrio que se mantendrábajo las nuevas condiciones.

Cuando se dice que la reacción se desplaza o está desplazada hacialos productos significa que, en una reacción reversible, la cantidad deproductos aumenta o es mayor y la de los reactantes disminuye o esmenor.

Cuando se dice que la reacción se desplaza o está desplazada hacialos reactantes significa que, en una reacción reversible, la cantidad dereactantes aumenta o es mayor y la de los productos disminuye o es menor.

2.3.

Châtelier, Henri Louis Le, (1850-1936), químico y metalúrgico francés que contribuyó al

desarrollo de la termodinámica. Nació en París y estudió en la Escuela Politécnica y en la Escuela de

Minas de esta ciudad. Entre 1878 y 1925 enseñó química sucesivamente en la Escuela de Minas, enel Colegio de Francia y en la Sorbona, y en 1907 fue inspector general de minas. En 1888 formuló el

principio conocido como „Principio de Le Châtelier‟, según el cual cuando en un sistema en equilibrio

se modifica un factor externo (presión, temperatura o concentración), el equilibrio se desplaza de

forma que compensa la alteración producida. Trabajó también en calores específicos de gases a altas

temperaturas e inventó un pirómetro óptico para medir temperaturas más allá de los límites de los

termómetros de mercurio.

Le Châtelier fomentó la aplicación de la química en la industria francesa y sus investigaciones afectan

a productos como el amoníaco y el cemento; realizó también trabajos sobre siderurgia y cerámica.

Entre sus obras destacan Ciencia e industria (1925) y Método de las ciencias experimentales (1936).

Châtelier, Henri Louis


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El principio de Le Chât li r‟, se explica viendo lo que ocurre cada vez que semodifican algunas de las variables ya mencionadas, pero antes es necesariohablar de un valor constante que se deduce a partir de que una reacción llega alequilibrio químico.

Cuando una reacción llega al equilibrio ocurre que:

V

d

= V

i

De acuerdo con la ley de acción de masas tenemos que :

Si en la primera igualdad sustituimos Vd y Vi por su equivalente, tenemosentonces que:

Si colocamos términos iguales en el mismo lado de la igualdad tenemos que laexpresión anterior se convierte en:

Cuado se divide una constante entre otra constante, el resultado es unaconstante nueva, en este caso al dividir kd entre ki se obtiene una nuevaconstante denominada "Constante de equilibrio" (keq)

Con base en lo anterior tenemos entonces que la expresión para esta nuevaconstante llamada constante de equilibrio es:

Ejemplo:

Vamos a suponer que la reacción entre el ácido acético y el metanol,logra el equilibrio químico a una temperatura de 35 °C y cuando lasconcentraciones de reactantes y productos son las siguientes:

[ A ]

a

[ B ]

b

k

d

= [ C ]

c

[ D ]

d

k

i

k

d

[ C ]

c

[ D ]

d

k

i

[ A ]

a

[ B ]

b =

k

d

k

i

=

keq

keq

[ C ]

c

[ D ]

d

[ A ]

a

[ B ]

b =

Ecuación: CH

3

- COOH + CH

3

OH CH

3

- COO- CH

3

+ H

2

O

Los químicos noruegos CatoMaximilian Guldberg y PeterWaage propusieron la Ley delEquilibrio Químico, la cualestablece que a una temperaturadada, un sistema químico puedealcanzar un estado en el cualuna razón particular deconcentraciones de reactivos yproductos tiene un valorconstante.

V

i

= [ C ]

c

[ D ]

d

k

i

V

d

= [ A ]

a

[ B ]

b

k

d


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85

Cinética Química

Para calcular el valor del constante equilibrio (Keq) para la reacción, aplicamos lafórmula y sustituimos los datos correspondientes:

Calculando tenemos que el valor de la constante de equilibrio a una temperaturade 35 °C es igual a:

Otro ejemplo sería calcular el valor de la constante de equlibrio para la reacción:PCl5 PCl3 + Cl2

cuando las concentraciones de equilibrio para cada una de los componentesson:

[PCl

5

] = 0.45

[PCl

3

] = 0.096

[Cl

2

] = 0.096

La expresión para la keq

de la reacción es:

Sustituyendo datos

Concentraciones de equilibrio:

[

CH

3

- COOH] = 0.5

[CH

3

OH] = 0.8

[CH

3

- COO- CH

3

] = 1.2

[H

2

O] = 1.2

keq

[ C ]

c

[ D ]

d

[ A ]

a

[ B ]

b =

keq

[CH

3

- COO- CH

3

]

1

[H

2

O]

1

[CH

3

OH ]

1

[CH

3

- COOH]

1 =

keq =3.6

keq

[PCl

3

]

1

[Cl

2

]

1

[PCl

5

]

1 =

keq

[1.2]

1

[1.2]

1

[0.8 ]

1

[0.5]

1 =


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tenemos:

Realizando los calculos tenemos que el valor de la keq para la reacción es:

K

eq

= 0.02

“El valor de la constante de equilibrio, nos indica hacia donde se encuentradesplazada la reacción en el equilibrio”.

Si el valor es mayor que uno 1), la reacción en el equilibrio se

encuentra desplazada hacia los productos

Si el valor es menor que uno 1) se encuentra desplazada hacia los

reactantes.

Por lo tanto, la reacción anterior debido a que el valor de keq es mayor que uno(1), ésta se encuentra desplazada, en el equilibrio, hacia los productos.

Cuando se dice que una reacción química en equilibrio se encuentradesplazada hacia los productos, esto significa que la concentración de losproductos en el equilibrio es mayor que la de los reactantes y viceversa.

Consulta pag.internet

http://es.wikipedia.org/wiki/Equilibrio_qu%C3%ADmico

2.3.1. Cambios de la concentración.

Cuando a una reacción que se encuentra en equilibrio químico, se le modifica laconcentración de alguno de los reactantes o productos el equilibrio de lareacción se desplazará (formará más o menos productos o reactantes) haciadonde pueda contrarrestar el efecto de la variación.

Ejemplo:

Vamos a suponer que la reacción siguiente logra alcanzar el estado de equilibriocuando las concentraciones de reactantes y productos son las que aparecendebajo de ellos:

Si a esta reacción, cuando ya está en equilibrio se le adiciona NH4OH, que es unreactante, la reacción desplazará el equilibrio hacia los productos, ya que es laúnica manera de disminuir la concentración del reactante que se estáaumentando; es decir, el equilibrio de desplaza en contra de la variación.

CH

3

COOH + NH

4

OH CH

3

COONH

3

+ H

2

O

[0.9] [ 0.5] [2.3] [ 2.3]

keq

[0.096 ]

1

[0.096]

1

[0.45 ]

1 =

Viajar a la Ciudad de México2240m s.n.m. puede ocasionarhipoxia (deficiencia de oxígeno enlos tejidos), produciendo síntomascomo mareos, vómitos ycansancio. A esa altura, laconcentración atmosférica de O2 esmenor y eso hace que baje suconcentración en la sangre.

Los habitantes de las ciudadesaltas llegan a tener 50% máshemoglobina que los que viven alnivel del mar.


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87

Cinética Química

Tomando como base la reacción anterior contesta:Hacia donde se desplazará el equilibrio si se llevan a cabo las siguientesmodificaciones de concentración:a) Se aumenta [CH3COONH3 ] b) Se aumenta [CH3COOH ]

c) Se disminuye[

CH3COONH3]

d) Se disminuye [NH4 OH ]

Debido a que el valor de la constante de equilibrio depende de latemperatura y naturaleza química de los reactivos y estas dos variables, al variarla concentración, no cambian tenemos entonces, por lógica, que las variacionesde concentración no modifican el valor de la constante de equilibrio (Keq).

2.3.2. Cambios de temperatura.

Vamos a recordar algunos conceptos que viste en Química 2:

Las reacciones exotérmicas, son aquéllas que liberan calor al momento de llevarsea cabo y cuyo "delta H" ( ΔH) presenta un valor negativo

Las reacciones endotérmicas, son aquéllas que para llevarse a cabo necesitanabsorber calor y cuyo valor de ΔH es positivo.Todas las reacciones reversibles son endotérmicas en una dirección y exotérmicas

en la otra es decir, si la reacción directa presenta un ΔH negativo, la reacción

inversa tendrá un valor de ΔH positivo.

Las reacciones exotérmicas liberan calor y por lo tanto aumentan la

temperatura del sistema.

Las reacciones endotérmicas absorben calor y por lo tanto disminuyen

la temperatura del sistema.

Gases disueltos ytemperatura.La disolución de un gasen agua.CO2 +H2O H2CO3Es un procesoexotérmico. Si se elevala temperatura de unrefresco, éste pierde sugas disuelto. Pero si serevierte sobre hieloconserva su gas

EJERCICIO 5


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88

Por lo tanto y con base en lo anterior y aplicando el principio de Le Châtelier‟ tenemos que:

Un aumento en la temperatura desplaza al equilibrio de una reacción en equilibrio

en la dirección de la reacción endotérmica y viceversa.

Un aumento en la temperatura, aumenta la velocidad de cualquier reacción; en unequilibrio, las velocidades de las reacciones opuestas aumentan en formadesigual; por lo tanto, la temperatura sí afecta el valor de la keq.

Por lo tanto, para cada temperatura, una reacción tendrá un valor de Keqdiferente.

¿Y para qué sirve conocer el valor de la keq a diferentes temperaturas?

Aclararemos la duda anterior con un ejemplo:

Vamos a suponer que para la reacción anterior los valores de la Keq a dostemperaturas diferentes son:

¿Qué se puede deducir de los valores anteriores?

Deducciones.

1.

Al aumentar la temperatura el equilibrio se desplaza hacia losproductos.

2. La reacción inversa es de tipo exotérmica y la directa endotérmica.3. Que para obtener la mayor cantidad de productos la reacción debe

ser llevada a temperaturas elevadas.

Tomando como base la reacción anterior y considerando que ya se encuentre enequilibrio, contesta:

1.

¿Qué ocurre (aumenta, disminuye, queda igual) con la concentración de N2 si se aumenta la temperatura?

2. ¿Qué pasa con la concentración de H2 si la temperatura disminuye?

N2(g) + 3H2(g) 2NH3 (g) .

Keq 25°C = 0.35

Keq 150°C = 2.39

En una botella de refrescocon gas se tiene elequilibrio:CO2 +H2O H2CO3El único gas es el bióxidode carbono, por lo que aldestapar la corcholata yreducir la presión de labotella la reacción sedesplaza del ácidocarbónico hacia el Bióxido

de carbono y el aguamineral se derrama por elburbujeo súbito.

EJERCICIO 6


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89

Cinética Química

2.3.3. Cambio de la presión.

Para hablar de los efectos de la presión, diremos que ésta no afecta a todas lasreacciones químicas, solamente a reacciones que contengan, al menos, unreactante o producto gaseosos ya que la presión no tiene efectos perceptiblessobre sólidos y líquidos.

Recordaremos lo que vimos anteriormente, que la presión ejercida por un gasdepende directamente del número de mol n) del gas; es decir, a mayor númerode moles, mayor presión y viceversa.

Con base en lo anterior, tenemos que para la siguiente reacción química enequilibrio, N

2(g)

+ 3H

2(g)

2NH

3 (g) un desplazamiento del equilibrio haciaproductos provocaría una disminución en la presión y, por el contrario, undesplazamiento del equilibrio hacia los reactantes provocará un aumento en lapresión.

Si comparamos el número de mol de reactantes gaseosos con el número de molde productos, observaremos que en los reactantes tenemos un total de cuatro mol

de gas, mientras que en los productos tenemos solamente dos:

Por lo tanto, un aumento en la presión provocará un desplazamiento en elequilibrio hacia donde la reacción, en general, ejerza menor presión y viceversa.

2.3.4. Efecto de la presencia de un catalizador.

Los catalizadores son sustancias que no intervienen químicamente en la reacción;

por lo tanto, al introducir un catalizador en un sistema en equilibrio no afecta a lasconcentraciones del sistema.

Según Le Châtelier‟, el catalizador no influye en el estado de equilibrio, solamente influye en el tiempo que tarda la reacción en alcanzar dicho estado.

N

2(g)

+ 3H

2(g)

2NH

3 (g)

1 Mol + 3 Mol 2 Mol

4 Mol

El efecto de unincremento en la

presión en elequilibrio deN2O4 2NO2

EJERCICIO 6 Tomando como base la siguiente reacción, contesta lo que se tepide:

N2 (g) + 3H2 (g) 2NH3 (g)

1. Señala qué ocurre con la concentración de N2 si...a) Se aumenta la presión.b) Se aumente N2 c) Se disminuye H2 d) Se disminuye NH3

TAREA 3

Página 95.


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90

¡Ojo Recuerda que

debes resolver la

autoevaluación y los

ejercicios de

reforzamiento; esto te

ayudará a enriquecer

los temas vistos en

clase.


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Cinética Química

INSTRUCCIONES: Realiza una investigación bibliográfica, resuelve correctamente cada una de las siguientespreguntas. Las respuestas que obtengas, serán discutidas en la siguiente clase, elabora un mapa conceptual

que te sirva de apoyo para participar en dicha discusión. Anota al final la bibliografía utilizada.

1. Define el concepto de catalizador.

2. ¿Cómo se clasifican los catalizadores?

3.

¿Qué es un catalizador heterogéneo o de contacto y cómo funciona?

4. ¿Cuál es la función que desempeña el sitio activo de un catalizador de contacto?

5. ¿Qué es un catalizador homogéneo y cómo funciona?

Nombre ____________________________________________________________

Núm. de lista ____________ Grupo __________________ Turno ___________

Núm. de Expediente _____________________ Fecha _____________________

TAREA 1


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6. ¿Qué tipo de sistemas catalíticos se utilizan en los automóviles para controlar las emisionescontaminantes?

7.

¿Qué tipo de contaminantes se pretende controlar con la ayuda de los catalizadores automotricesdenominados sistemas de metales de transición activados?

8. ¿Qué le sucede al convertidor catalítico de los automóviles cuando utilizamos gasolina con altocontenido de plomo?

9.

¿Cuál es la función que desempeñan las sustancias denominadas inhibidores?

10. Desde el punto de vista comercial, ¿por qué son importantes los inhibidores?

11. ¿Cómo se llaman los catalizadores que utiliza nuestro organismo para controlar la velocidad de lasreacciones que ocurren en las células?

Revisión: _____________________________________________________

Observaciones:________________________________________________

______________________________________________________________

______________________________________________________________

______________________________________________________________


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Cinética Química

INSTRUCCIONES: Realiza una investigación bibliográfica, resuelve correctamente cada una de las siguientes

preguntas. Las respuestas que obtengas, serán discutidas en la siguiente clase, elabora un mapa conceptual

que te sirva de apoyo para participar en dicha discusión. Anota al final la bibliografía utilizada.

1. De acuerdo al sentido de su desplazamiento, ¿cómo se clasifican las reacciones químicas?

2. ¿En qué sentido se desplazan las reacciones reversibles?

3.

¿Cómo debe ser la energía de activación de reactantes o productos para que la reacción seareversibles?

4. Con ayuda de coordenadas de reacción, similar la figura 2, representa la energía de activación para unareacción reversible.

Nombre ____________________________________________________________



TAREA 2


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94

5. ¿En que sentido se desplazan las reacciones irreversibles?

6. ¿Cómo debe ser la energía de activación de reactantes o productos para que la reacción seairreversible?

7. Con ayuda de coordinas de reacción, similar a la figura 2, representa la energía de activación para unareacción irreversible.

Revisión: _____________________________________________________

Observaciones:________________________________________________

______________________________________________________________

______________________________________________________________

______________________________________________________________


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Cinética Química

INSTRUCCIONES: Con la siguiente lista de palabras, elabora un mapa conceptual correspondiente al tema

“Cinética Química” aprendido en esta unidad Puedes añadir las palabras de enlace que consideres que

hacen falta para tener un panorama más completo del tema.

Cinética química. Temperatura. Tamaño de partícula. Reacción reversible. Principio de Le Chateliere. Catalizadores. Velocidad de reacción.

Presión. Concentración. Reacción irreversible. Equilibrio químico. Inhibidores.

Nombre ____________________________________________________________



TAREA 3


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Revisión: _____________________________________________________

Observaciones:________________________________________________

______________________________________________________________

______________________________________________________________

______________________________________________________________


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Cinética Química

INSTRUCCIONES: Lee cuidadosamente y responde los siguientes cuestionamientos, rellenando el círculo de laopción que consideres correcta.

1. ¿Qué campo de la química emplearías para estudiar la velocidad de reacción?EstequiometríaCinética química

Electroquímica Termodinámica

2.

Es a lo que nos referimos cuando hablamos de “Cantidad de producto formado por unidad de tiempo”. Reversibilidad de reacciónIrreversibilidad de reacción

Energía de activación

Velocidad de reacción

3.

La teoría de colisiones nos explica la velocidad de una reacción, a través del siguiente postulado:La velocidad de una reacción es directamente proporcional a la energía de activación de los reactantes.La velocidad de una reacción es inversamente proporcional a la energía de activación de los reactantes.

La velocidad de una reacción es directamente proporcional al número de choques efectivos entre lasmoléculas de los reactantes.

La velocidad de una reacción es inversamente proporcional al número de choques efectivos entre las

moléculas de reactantes.

4. De acuerdo a la teoría de colisiones, ¿qué sucede cuando a una reacción química le aumentamos laconcentración de uno de los reactantes?

Aumenta la velocidad de reacción ya que a mayor cantidad de reactantes, mayor número de choques entrelas moléculas.

Disminuye la velocidad de reacción ya que al aumentar la concentración de uno de los reactantes, disminuyeel número de choques efectivos entre las moléculas.

Aumenta la velocidad de reacción, ya que a mayor cantidad de reactantes, mayor será la energía deactivación.

Disminuye la velocidad de reacción, ya que al aumentar la cantidad de reactantes, la energía tambiéndisminuye.

5. Es, para la reacción: 4 N H 3 + 5 0 2 4 NO + 6 H 2 O la expresión correcta para la velocidad de lareacción directa con base en la ley de acción de masas:Vd = [NH3] [O2]

5 kdVd = [NH3]

3 [O2]5 kd

Vd = [NH3]4 [O2] kd

Vd = [NH3]4 [O2]

5 kd

Nombre _________________________________________________________

Núm. de lista ____________ Grupo ________________ Turno __________

Núm. de Expediente ___________________ Fecha ____________________

AUTOEVALUACIÓN


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6. Condición que se debe de cumplir para que una reacción química alcance el equilibro químico:reactantes] = [productos]Vr directa = Vr inversa

Keq1 = Keq2 Ka = Kb

7. Disolución en la cual no es posible que se presente un estado de equilibrio: Ácido láctico en el agua.Hidróxido de amonio en agua.

Hidróxido de potasio en agua.

Ácido cítrico en agua.

8. Cuando a la reacción: H2 + I2 2HI, en equilibrio se le adiciona HI ocurre que: Aumenta la concentración de H2.Disminuye la cantidad de I2.

La concentración de H2 no se altera. Disminuye la concentración de H2.

9. Es lo que ocurre cuando a la reacción: 4NH3(g) + 5O2(g) 4NO(g) + 6H2O(g) que se encuentra enequilibrio se le aumenta la presión:

Aumenta la concentración de NH3.Disminuye la cantidad de O2.

Aumenta la concentración de H2O. Aumenta la cantidad de NO.

10. Si a una reacción química en equilibrio se le adiciona un catalizador, el valor de la constante de equilibrio: Aumenta.Disminuye.

Se hace menor que uno. No se altera su valor.

Si todas tus respuestas fueron correctas: excelente, por lo que te

invitamos a continuar con esa dedicación.

Si tienes de 8 a 9 aciertos, tu aprendizaje es bueno, pero es

necesario que nuevamente repases los temas.

Si contestaste correctamente 7 o menos reactivos, tu aprendizaje esinsuficiente, por lo que te recomendamos solicitar asesoría a tuprofesor.

Consulta las

claves de

respuestas en la

página 135.

ESCALA DE MEDICIÓN DEL APRENDIZAJE


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99

Cinética Química

INSTRUCCIONES: Examina la etiqueta de un paquete de carnes frías. Averigua lo más que puedas de loscompuestos químicos que se le añaden. ¿Alguno de ellos se añade como inhibidor? Escribe un resumen de

tus investigaciones y muéstralo a tu profesor.

EJERCICIO DE

REFORZAMIENTO 1

Nombre _________________________________________________________




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100


45/147

101

Cinética Química

INSTRUCCIONES

: Para cada uno de los siguientes términos, escribe una frase que demuestre que conocessu significado.

Catalizador. Coeficiente. Concentración. Energía de activación. Equilibrio. Inhibidor. Producto. Reactivo.

EJERCICIO DE

REFORZAMIENTO 2

Nombre _________________________________________________________




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102


47/147

UUnniiddaadd 33Conceptos de

termodinámica

Objetivos

El alumno:

Formulará cálculos y ecuaciones sobre

las propiedades derivadas de los

conceptos básicos de la

termodinámica, a partir de significar sus

leyes y principios en situaciones

experimentales, en donde se puedan

inferir los cambios energéticos y la

espontaneidad de una reacción

química, destacando su importancia en

los procesos del mundo que le rodea,

con una actitud crítica y responsable.

Temario

Sistemas termodinámicos.

Primera ley de la

termodinámica.

Ley de Hess.

Segunda ley de la

termodinámica.

Todas las actividades que realizamos día con día, como el

caminar o mover un objeto, podemos considerarlas como

un trabajo que va a aumentar la energía del ambiente. De

igual manera, continuamente perdemos energía, irradiando

una forma de calor, siempre que la temperatura de nuestro

cuerpo sea mayor que la del exterior. Posteriormente, esa

misma energía se recupera a través de los alimentos y de

la respiración.


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104

Evaluación diagnóstica de conocimientos previos:

Describe, en un párrafo bien redactado, cómo se altera la materia de un estadoa otro. Usa el siguiente vocabulario en tu descripción: sólido, líquido, gaseoso,

sublimación, evaporización.

SSIISSTTEEMMAASS TTEERRMMOODDIINNÁÁMMIICCOOSS..

3.1.1. Sistemas.

Se puede definir un sistema termodinámico como una cantidad de materia, ouna región del espacio seleccionada para su estudio. Si en el sistema no entra nisale materia, se dice que se trata de un sistema cerrado, también se le conocecomo masa de control; este sistema intercambia energía. Se dice que es unsistema aislado si no hay intercambio de materia y energía. En la naturaleza,encontrar un sistema estrictamente aislado es imposible, pero es posible hacer

aproximaciones. Un sistema del que sale y/o entra materia y energía, recibe elnombre de sistema abierto, también se le llama volumen de control. Ejemplos deestos tipos de sistemas son los siguientes:

Un sistema abierto: Un automóvil, debido al combustible desprendediferentes gases y calor (figura No.1). Otro ejemplo es el cuerpo humano.

Un sistema cerrado: Un reloj de cuerda, no se introduce ni se obtienemateria de él. Sólo precisa un aporte de energía que emplea para medir eltiempo (figura No. 1).

Un sistema aislado: ¿Cómo encontrarlo si es imposible interactuar con él?Sin embargo, un termo lleno de café caliente es una aproximación, ya que elenvase no permite el intercambio de materia e intenta impedir que la energía

(calor

) salga de él (figura No. 1).

Figura No. 1. La figura muestra los tres tipos de sistema.

3.1.


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105

Conceptos de termodinámica

3.1.1.1. Medio ambiente del sistema

Se llama medio externo, entorno o ambiente del sistema a todo aquello que noestá en el sistema pero que puede influir en él. Por ejemplo, consideremos unrecipiente con agua, que está siendo calentada por un mechero. Siconsideramos un sistema al formado por el recipiente y el agua, entonces el

medio ambiente del sistema está formado por el mechero, el aire, etcétera.

3.1.2. Estado del sistema.

Los sistemas termodinámicos pueden describirse en función de los valores deuna serie de propied

cinetica quimica y equilibrio

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