CINÉTICA QUÍMICA, EQUILIBRIOS QUÍMICOS Y REACCIONES REVERSIBLES

Diana Camila Ariza Monroy

Décimo Grado

CINETICA QUIMICACINETICA QUIMICA

VELOCIDAD DE REACCIONESVELOCIDAD DE REACCIONES

La velocidad de una reacción es la rapidez con la cual los reactivos se La velocidad de una reacción es la rapidez con la cual los reactivos se transforman en productos, teniendo en cuenta ciertas condiciones. transforman en productos, teniendo en cuenta ciertas condiciones.

La velocidad de una reacción química no es constante, es rápida al principio y La velocidad de una reacción química no es constante, es rápida al principio y va disminuyendo a medida que los reactivos se gastan.va disminuyendo a medida que los reactivos se gastan.

Velocidad media, cantidad (moles) de una sustancia formada o consumidaVelocidad media, cantidad (moles) de una sustancia formada o consumidadurante una reacción química, en la unidad de tiempo.durante una reacción química, en la unidad de tiempo.

La unidad de tiempo será aquella que resulte apropiada a la velocidad de laLa unidad de tiempo será aquella que resulte apropiada a la velocidad de lareacción: microsegundos para explosivos, segundos o minutos para reacción: microsegundos para explosivos, segundos o minutos para reacciones comunes.reacciones comunes.

A + B C + DA + B C + D

TEORIA DE LAS COLISIONESTEORIA DE LAS COLISIONES

Para que una reacción química se produzca, es necesario que las Para que una reacción química se produzca, es necesario que las moléculas de los reactantes choquen o colisionen unas con otras. moléculas de los reactantes choquen o colisionen unas con otras. Cuanto más partículas o moléculas choquen, más rápido ocurrirá la Cuanto más partículas o moléculas choquen, más rápido ocurrirá la reacción. Sin embargo, no todas las colisiones son efectivas. Pueden reacción. Sin embargo, no todas las colisiones son efectivas. Pueden ocurrir muchas colisiones, pero solo algunas conducen a la formación de ocurrir muchas colisiones, pero solo algunas conducen a la formación de producto, cuando las moléculas chocan con la orientación adecuada y la producto, cuando las moléculas chocan con la orientación adecuada y la suficiente energía.suficiente energía.

FACTORES QUE AFECTAN VELOCIDAD DE FACTORES QUE AFECTAN VELOCIDAD DE REACCIÓNREACCIÓN

1.1. Naturaleza química de los reactantesNaturaleza química de los reactantes

La velocidad de una reacción química está determinada, primero por la La velocidad de una reacción química está determinada, primero por la naturaleza química de los reactivos, ya que cada sustancia en particular naturaleza química de los reactivos, ya que cada sustancia en particular tiene enlaces que son distintos y se necesitará diferente cantidad de fuerza tiene enlaces que son distintos y se necesitará diferente cantidad de fuerza para romperlos.para romperlos.

N2 Y H2, en condiciones ordinarias, no reaccionan entre sí.N2 Y H2, en condiciones ordinarias, no reaccionan entre sí.

Cl2 y H2, se combinan activamente, incluso en forma instantánea, bajo la Cl2 y H2, se combinan activamente, incluso en forma instantánea, bajo la acción de la luz.acción de la luz.

La reacción de oxidación de diferentes metales ocurre a distintas velocidades La reacción de oxidación de diferentes metales ocurre a distintas velocidades en igualdad de condiciones: el hierro se oxida más rápido que el aluminio en igualdad de condiciones: el hierro se oxida más rápido que el aluminio en presencia del oxigeno húmedo.en presencia del oxigeno húmedo.

2. Concentración de los reactantes.2. Concentración de los reactantes.

La velocidad de una reacción química homogénea (un solo estado físico), La velocidad de una reacción química homogénea (un solo estado físico), depende de las concentración de los reactantes. Lo cual se explica puesto depende de las concentración de los reactantes. Lo cual se explica puesto que a mayor concentración habrá mayor número de moléculas por unidad de que a mayor concentración habrá mayor número de moléculas por unidad de volumen, lo que conduce a un mayor número de colisiones efectivas. volumen, lo que conduce a un mayor número de colisiones efectivas.

En las reacciones heterogéneas,(los reactantes se encuentran en diferentes En las reacciones heterogéneas,(los reactantes se encuentran en diferentes fases o estados), la velocidad se incrementa con el aumento de superficie de fases o estados), la velocidad se incrementa con el aumento de superficie de contacto entre los reactantes. El hierro de una puntilla se oxida más contacto entre los reactantes. El hierro de una puntilla se oxida más lentamente al ser expuesto a oxígeno del aire que si el hierro estuviera lentamente al ser expuesto a oxígeno del aire que si el hierro estuviera pulverizado.pulverizado.

3.3. Tamaño de las partículas.Tamaño de las partículas.

Generalmente en el laboratorio, las sustancias químicas se encuentran en Generalmente en el laboratorio, las sustancias químicas se encuentran en Forma de polvo muy fino, o en estado líquido para facilitar la reacción. Forma de polvo muy fino, o en estado líquido para facilitar la reacción. (Trozos de madera pequeños para fuego, digestión de seres vivos).(Trozos de madera pequeños para fuego, digestión de seres vivos).

4. Temperatura 4. Temperatura

En general, el aumento de la temperatura incrementa la velocidad de las En general, el aumento de la temperatura incrementa la velocidad de las reacciones químicas. Esto, debido a que al aumentar la temperatura, aumenta la reacciones químicas. Esto, debido a que al aumentar la temperatura, aumenta la energía cinética de las partículas reactantes y con ello la probabilidad de que energía cinética de las partículas reactantes y con ello la probabilidad de que aumente el número de choques o colisiones entre ellas. Cuando por efecto del aumente el número de choques o colisiones entre ellas. Cuando por efecto del calor, las partículas aumentan su energía cinética se dice que tales partículas calor, las partículas aumentan su energía cinética se dice que tales partículas están activadas.están activadas.La energía que se emplea para obtener este efecto se llama energía de La energía que se emplea para obtener este efecto se llama energía de activación, la cual se expresa en kcal/mol o kJ/mol.activación, la cual se expresa en kcal/mol o kJ/mol.

(Restregar una cerilla para que se inflame. La mezcla gasolina-aire presente en el (Restregar una cerilla para que se inflame. La mezcla gasolina-aire presente en el cilindro de un automotor solo se inflama cuando se produce la chispa de la bujía.)cilindro de un automotor solo se inflama cuando se produce la chispa de la bujía.)

Obviamente la energía de activación es diferente para las diferentes reacciones. Obviamente la energía de activación es diferente para las diferentes reacciones. Algunas sustancias tienen gran afinidad entre sí, como los metales del grupo I-A, Algunas sustancias tienen gran afinidad entre sí, como los metales del grupo I-A, por lo que su combinación requiere mínima energía de activación.por lo que su combinación requiere mínima energía de activación.

Para que ocurra una reacción, son necesarias 3 condiciones:Para que ocurra una reacción, son necesarias 3 condiciones:

a.a. Colisión: Los reactivos deben chocarColisión: Los reactivos deben chocarb.b. Orientación: Los reactivos deben alinearse de manera adecuada paraOrientación: Los reactivos deben alinearse de manera adecuada para romper y formar enlaces.romper y formar enlaces.c. Energía: La colisión debe proporcionar la energía de activación.c. Energía: La colisión debe proporcionar la energía de activación.

5. Los catalizadores.5. Los catalizadores.

Existen sustancias que funcionan como catalizadores positivos, al favorecer la Existen sustancias que funcionan como catalizadores positivos, al favorecer la velocidad de reacción( H2 y O2, en un matraz tapado, no pasa nada, pero si se velocidad de reacción( H2 y O2, en un matraz tapado, no pasa nada, pero si se coloca un poco de musgo de platino, a los pocos minutos la mezcla gaseosa se coloca un poco de musgo de platino, a los pocos minutos la mezcla gaseosa se inflama, y hay explosión: los dos gases se han combinado, con la producción inflama, y hay explosión: los dos gases se han combinado, con la producción de agua. El platino catalizó la reacción positivamente, acelerando la reacción). de agua. El platino catalizó la reacción positivamente, acelerando la reacción). Y catalizadores negativos, que disminuyen la velocidad de la reacción Y catalizadores negativos, que disminuyen la velocidad de la reacción (acetanilida C6H5.NH.CO.CH3 que se adiciona a peroxido de hidrógeno H2O2 (acetanilida C6H5.NH.CO.CH3 que se adiciona a peroxido de hidrógeno H2O2 para disminuir o retardar su descomposición (en H2O + O).para disminuir o retardar su descomposición (en H2O + O).

Los catalizadores son sustancias que no son consumidas durante las Los catalizadores son sustancias que no son consumidas durante las reacciones.reacciones.

La velocidad de reacción, se determina al medir la cantidad de un reactivo La velocidad de reacción, se determina al medir la cantidad de un reactivo agotado, o la cantidad de producto formado, en un determinado tiempo:agotado, o la cantidad de producto formado, en un determinado tiempo:

Velocidad de reacción = Velocidad de reacción = cambio en concentracióncambio en concentraciónCambio en tiempoCambio en tiempo

6. La ley de velocidad de una reacción química.6. La ley de velocidad de una reacción química.

Expresión matemática que define la variación de la velocidad en función Expresión matemática que define la variación de la velocidad en función de la concentración de los reactantes y una constante, llamada constante de la concentración de los reactantes y una constante, llamada constante específica de velocidad (K), que determina los cambios producidos por específica de velocidad (K), que determina los cambios producidos por los factores distintos a la concentración. los factores distintos a la concentración.

EQUILIBRIO QUIMICOEQUILIBRIO QUIMICO

Reacción Directa,(irreversible) ocurre en un solo sentido y terminará cuando se Reacción Directa,(irreversible) ocurre en un solo sentido y terminará cuando se agote al menos uno de los reactantes, A o B. Los reactantes reaccionan para agote al menos uno de los reactantes, A o B. Los reactantes reaccionan para convertirse en un producto, no existe la posibilidad de que, del producto, se convertirse en un producto, no existe la posibilidad de que, del producto, se originen de nuevo los reactantes originen de nuevo los reactantes

Reacción Inversa o reversible, es cuando los productos de una reacción Reacción Inversa o reversible, es cuando los productos de una reacción pueden reaccionar entre sí para formar de nuevo los reactantes. C o D también pueden reaccionar entre sí para formar de nuevo los reactantes. C o D también pueden convertirse en A o B. pueden convertirse en A o B.

A + B C + DA + B C + D HH22O HO H22 + + ½ ½ OO22

A + B CA + B C

Al alcanzarse una determinada concentración de C y D, se iniciará la Al alcanzarse una determinada concentración de C y D, se iniciará la producción de A y B que al mismo tiempo se convertirán en C y D.producción de A y B que al mismo tiempo se convertirán en C y D.

La reacción directa es la reacción que va hacia la derecha.La reacción directa es la reacción que va hacia la derecha.La reacción inversa, hacia la izquierda.La reacción inversa, hacia la izquierda.

La reacción directa (hacia la derecha) comienza tan pronto A y B se mezclan. La reacción inversa (entre C y D) empieza lentamente al formarse las primeras moléculas de los productos, pero luego gana velocidad.

Con el tiempo, la velocidad de la reacción directa disminuye y la de la reacción inversa, hasta que llega un momento en que ambas velocidades son iguales, entonces la velocidad total sería nula. Equilibrio químico.Las concentraciones de todas las especies presentes en la reacción se hacen constantes.

A + B C + D

El equilibrio químico es un momento en el cual las dos reacciones contrarias ocurren a la misma velocidad; es un estado en el cual las concentraciones (moles/litros) de los reactantes y productos no cambian con el tiempo.

Es importante destacar que este estado de equilibrio no es estático; la Es importante destacar que este estado de equilibrio no es estático; la reacción no se ha detenido. Los cambios de dirección se están reacción no se ha detenido. Los cambios de dirección se están compensando.compensando.Las concentraciones se mantienen constantes porque a la misma velocidad Las concentraciones se mantienen constantes porque a la misma velocidad que se forma uno de los productos, se consume también. Es decir, si se que se forma uno de los productos, se consume también. Es decir, si se forman 5 moles/minuto de C, también se consumen 5 mol/minuto de C en su forman 5 moles/minuto de C, también se consumen 5 mol/minuto de C en su reacción con D.reacción con D.

Si la velocidad con que se forman C y D y la velocidad con que se forman A y Si la velocidad con que se forman C y D y la velocidad con que se forman A y B se hacen iguales, se llega a un estado en el que no se observa variación en B se hacen iguales, se llega a un estado en el que no se observa variación en la concentración de A, B, C o D. En ese instante ocurre el estado de equilibrio la concentración de A, B, C o D. En ese instante ocurre el estado de equilibrio dinámico.dinámico.

Clases de equilibrioClases de equilibrio

HomogéneoHomogéneoConsta de una fase única, bien sea gaseosa o líquida. Todos los componentes Consta de una fase única, bien sea gaseosa o líquida. Todos los componentes

(reactantes y productos) se hallan en la misma fase.(reactantes y productos) se hallan en la misma fase.H2(g) + I2(g) 2HI(g)H2(g) + I2(g) 2HI(g)

HeterogéneosHeterogéneosTodos sus componentes (reactantes y productos) pueden encontrarse en dos o Todos sus componentes (reactantes y productos) pueden encontrarse en dos o

más estados. No se les pueden aplicar la ley atracción de masas, ya que más estados. No se les pueden aplicar la ley atracción de masas, ya que sus moléculas se mueven libre y desordenadamente, pero si se considera sus moléculas se mueven libre y desordenadamente, pero si se considera solo la fase en que las concentraciones de los reactivos son variables, si se solo la fase en que las concentraciones de los reactivos son variables, si se pude aplicar esta ley.pude aplicar esta ley.

H2 + H2 + ½O2 H2O½O2 H2O

La concentración de un líquido puro o de un sólido nunca va a variar.La concentración de un líquido puro o de un sólido nunca va a variar.

Sistema sólido-gas: Si en un equilibrio participan sustancias sólidas, se aplica a Sistema sólido-gas: Si en un equilibrio participan sustancias sólidas, se aplica a dicho equilibrio la ley de acción de masas sin tener en cuenta sus presiones dicho equilibrio la ley de acción de masas sin tener en cuenta sus presiones o concentraciones. Fe con H2O en un recipiente cerrado y a temperatura o concentraciones. Fe con H2O en un recipiente cerrado y a temperatura elevada. elevada.

Sistema sólido-líquido: para un sistema heterogéneo formado por un Sistema sólido-líquido: para un sistema heterogéneo formado por un sólidosólido y y un un líquido disolventelíquido disolvente en que en que los iones reaccionan para dar moléculas los iones reaccionan para dar moléculas neutras, es aplicable neutras, es aplicable la ley de acción de masas. Si en la solución se la ley de acción de masas. Si en la solución se altera altera la concentraciónla concentración de cualquiera de los iones, de cualquiera de los iones, se destruye se destruye el equilibrio y el equilibrio y aumenta la concentración de las sustancias no disociadas.aumenta la concentración de las sustancias no disociadas.

Moleculares:Moleculares:

Es cuando los sistemas implican moléculas, generalmente, en estado gaseoso.Es cuando los sistemas implican moléculas, generalmente, en estado gaseoso.

N2O4(g) 2NO2(g) a 55ºCN2O4(g) 2NO2(g) a 55ºC

En solución:En solución: Cuando el sistema se encuentra en disolución acuosa. Cuando el sistema se encuentra en disolución acuosa.

NHNH3(g)3(g) + H + H22OO(l)(l) NH NH44 (ac)(ac) + OH + OH (ac)(ac) a 25ºC a 25ºC++ --

Ley de equilibrio químicoLey de equilibrio químico

También conocida como ley de acción de masas o ley de Gulberg-Waage.También conocida como ley de acción de masas o ley de Gulberg-Waage.

Considerando los factores que afectan la velocidad de una reacción química, se Considerando los factores que afectan la velocidad de una reacción química, se observa que hay una razón lógica para que la velocidad de la reacción dependa de observa que hay una razón lógica para que la velocidad de la reacción dependa de la concentración (o presión) de los reactivos. Esto se resume en la llamada ley de la concentración (o presión) de los reactivos. Esto se resume en la llamada ley de acción de masas, formuladas por los cientríficos noruegos Guldberg y Waage que acción de masas, formuladas por los cientríficos noruegos Guldberg y Waage que dice que: dice que:

La velocidad de una reacción química es proporcional al producto de las La velocidad de una reacción química es proporcional al producto de las masas activas de las sustancias reactantes.masas activas de las sustancias reactantes.

Con la expresión Con la expresión masas activasmasas activas, ellos querían significar las , ellos querían significar las concentraciones de las concentraciones de las sustanciassustancias. La concentración se expresa en moles de sto por litro de sln o en . La concentración se expresa en moles de sto por litro de sln o en moles de gas por litro de volumen.moles de gas por litro de volumen.

Factores que afectan un estado de Factores que afectan un estado de equilibrio químicoequilibrio químico

Principio de Le ChatelierPrincipio de Le Chatelier

De los factores que afectan la velocidad de una reacción, solamente alteran el De los factores que afectan la velocidad de una reacción, solamente alteran el punto de equilibrio de la reacción por medio de la punto de equilibrio de la reacción por medio de la concentraciónconcentración de los de los reactantes y productos (o la reactantes y productos (o la presiónpresión si alguno de los reactivos es gaseoso) si alguno de los reactivos es gaseoso) y los cambios de y los cambios de temperaturatemperatura..

Las consecuencias causadas sobre los sistemas en equilibrio fueron Las consecuencias causadas sobre los sistemas en equilibrio fueron estudiadas por Henry Louis Le Châtelier. El principio dice: estudiadas por Henry Louis Le Châtelier. El principio dice:

Cuando en un sistema de equilibrio de se modifica la concentración, o la Cuando en un sistema de equilibrio de se modifica la concentración, o la presión, o la temperatura, se afecta la velocidad de la reacción y el punto presión, o la temperatura, se afecta la velocidad de la reacción y el punto de equilibrio se desplaza en la dirección que tienda a contrarrestar el efecto de equilibrio se desplaza en la dirección que tienda a contrarrestar el efecto primario del cambio. primario del cambio.

Efecto de la variación de la concentraciónEfecto de la variación de la concentración: :

Si se aumenta la concentración de alguna sustancia del sistema en equilibrio, Si se aumenta la concentración de alguna sustancia del sistema en equilibrio, éste reacciona disminuyendo la concentración de la sustancia añadida, éste reacciona disminuyendo la concentración de la sustancia añadida, para restablecer el equilibrio y el valor de la constante original. Cuando se para restablecer el equilibrio y el valor de la constante original. Cuando se disminuye la concentración de uno de los reactivos, disminuye también la disminuye la concentración de uno de los reactivos, disminuye también la concentración de los productos. Según el principio, un sistema en equilibrio concentración de los productos. Según el principio, un sistema en equilibrio compensará la fuerza del aumento en la condición de los reactivos con la compensará la fuerza del aumento en la condición de los reactivos con la formación de los productos.formación de los productos.

Efecto de variación de la temperatura:Efecto de variación de la temperatura:

Si se tiene un sistema en equilibrio a volumen constante y se aumenta la Si se tiene un sistema en equilibrio a volumen constante y se aumenta la temperatura, el sistema reacciona consumiendo el calor añadido. temperatura, el sistema reacciona consumiendo el calor añadido. Así que, si la reacción es endotérmica (libera energía, entalpía negativa), el Así que, si la reacción es endotérmica (libera energía, entalpía negativa), el equilibrio se desplazará hacia los productos; y, si es endodérmica (absorbe equilibrio se desplazará hacia los productos; y, si es endodérmica (absorbe energía, entalpía positiva), se moverá hacia los reactantes.energía, entalpía positiva), se moverá hacia los reactantes.

Efecto de la variación de la presión:Efecto de la variación de la presión:

Si se aumenta la presión sobre un sistema en equilibrio, éste se desplaza en el Si se aumenta la presión sobre un sistema en equilibrio, éste se desplaza en el sentido en que se alivie la presión, de manera que este efecto sólo se sentido en que se alivie la presión, de manera que este efecto sólo se consigue si el desplazamiento de la reacción se produce en la dirección en la consigue si el desplazamiento de la reacción se produce en la dirección en la que se produzcan menos moles de gas.que se produzcan menos moles de gas.

La presión es proporcional a (n) o número de moles, siempre y cuando el La presión es proporcional a (n) o número de moles, siempre y cuando el volumen y la temperatura se mantengan constantes.volumen y la temperatura se mantengan constantes.

Los cambios de presión no sólo afectan a los sistemas en equilibrio en los Los cambios de presión no sólo afectan a los sistemas en equilibrio en los cuales existe una desigualdad en el número de moles, en estado gaseoso, de cuales existe una desigualdad en el número de moles, en estado gaseoso, de reactantes y productosreactantes y productos

Si se aumenta la presión, se produce un cambio que hace que el equilibrio se Si se aumenta la presión, se produce un cambio que hace que el equilibrio se desplace hacia la derecha, porque la manera de compensar ese aumento es desplace hacia la derecha, porque la manera de compensar ese aumento es desplazando el equilibrio hacia el lado donde existe un número menor de desplazando el equilibrio hacia el lado donde existe un número menor de moles.moles.

En general, en los sistemas gaseosos en equilibrio, el aumento de presión En general, en los sistemas gaseosos en equilibrio, el aumento de presión favorecerá al sentido de reacción que produzca una disminución de la presión favorecerá al sentido de reacción que produzca una disminución de la presión del sistema.del sistema.

BibliografíaBibliografía

HERRERA, V. Severiano, BARRETO, C. Aura. TORRES, D. Ignacio y DE HERRERA, V. Severiano, BARRETO, C. Aura. TORRES, D. Ignacio y DE CLAVIJO, Esperanza. Química 1: Átomos, Moléculas y Reacciones. CLAVIJO, Esperanza. Química 1: Átomos, Moléculas y Reacciones. Editorial Norma, Cali, Colombia, 1984.Editorial Norma, Cali, Colombia, 1984.

TORRENEGRA, G. Rubén Darío y PEDROZO, P. Julio. Exploremos La TORRENEGRA, G. Rubén Darío y PEDROZO, P. Julio. Exploremos La Química. Pearson Educación de Colombia Ltda, Bogotá, Colombia, 2000.Química. Pearson Educación de Colombia Ltda, Bogotá, Colombia, 2000.

CLAVIJO, F. María Cecilia, Químic@ 2. Grupo Editorial Norma, Bogotá, CLAVIJO, F. María Cecilia, Químic@ 2. Grupo Editorial Norma, Bogotá, Colombia, 2003.Colombia, 2003.

RESTREPO, M. Fabio, RESTREPO, M. Jairo y VARGAS, H. Leonel. Química RESTREPO, M. Fabio, RESTREPO, M. Jairo y VARGAS, H. Leonel. Química Básica, Volumen 1. Susaeta ediciones, Envigado, Colombia, 1983.Básica, Volumen 1. Susaeta ediciones, Envigado, Colombia, 1983.

VEJARANO, Gregorio. Química Fundamental: experimentos y conceptos. VEJARANO, Gregorio. Química Fundamental: experimentos y conceptos. Editorial Norma, Colombia.Editorial Norma, Colombia.

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