SEMANA 11 VELOCIDAD DE REACCIÓN Y EQUILIBRIO QUÍMICO QUÍMICA 2016

VELOCIDAD DE REACCIÓN Y EQUILIBRIO QUIMICO Definición de: - Cinética Química. - Teoría de colisiones. Velocidad de reacción - Factores que la afectan: - temperatura, concentración, catalíticos, área superficial Equilibrio químico - Definición - Homogéneo y Heterogéneo Reacciones reversibles Ley de Acción de Masas Constante de equilibrio, Keq Principio de Le Chatelier - Factores que lo afectan: - concentración, presión y temperatura Ejercicios Laboratorio: Factores que afectan la velocidad de reacción

Cinética Química TEORIA DE COLISIONES Es el estudio de las velocidades de las reacciones químicas y los factores que afectan a la velocidad de reacción. TEORIA DE COLISIONES Explica que una reacción química se lleva a cabo solo cuando las moléculas ó átomos de los reactivos chocan ó colisionan entre sí, con la orientación adecuada y suficiente energía. Pueden ocurrir muchas colisiones, pero muy pocas conducen a la formación de productos.

Condiciones indispensables para que una reacción ocurra según la teoría de colisiones: Debe de darse lo siguiente: 1. Colisión: los reactivos deben chocar es decir colisionar entre ellos. 2. Orientación: los reactivos deben alinearse correctamente para romper y formar enlaces. 3. Energía: la colisión debe suministrar suficiente energía para alcanzar la energía de activación necesaria para esa reacción.

Orientación correcta Productos de la reacción NO HAY REACCIÓN Orientación incorrecta NO HAY REACCIÓN Orientación incorrecta NO HAY REACCIÓN Orientación incorrecta

Energía de Activación Es la mínima cantidad de energía necesaria para romper los enlaces entre los átomos de los reactivos y que se puedan formar nuevos enlaces para formar los productos. ENERGIA ENERGIA DE ACTIVACION PRODUCTOS REACTIVOS AVANCE DE LA REACCION

Si se inició una reacción, esta adquirirá una Velocidad de Reacción Se define como la cantidad de reactivo consumido o de producto formado en un periodo dado de tiempo. Factores que afectan la velocidad de reacción 1. Concentración de reactivos 2. Temperatura 3. Catalizadores ( catalíticos) 4. Área superficial

1. Concentración de reactivos Al aumentar la concentración de las partículas reaccionantes, aumenta el número de colisiones y la reacción es más rápida.  [Reactivos]   Velocidad de reacción 2. Temperatura A temperaturas más altas, aumenta la energía cinética de las partículas, se mueven más rápido, chocan más veces y con suficiente energía para formar productos, por lo que la reacción es más rápida.  Temperatura   velocidad de reacción

3. Catalítico o Catalizador Sustancia que aumenta la velocidad de una reacción química porque reduce su energía de activación. No forma parte de los reactivos en la reacción. La cantidad de catalizador permanece igual al final de la reacción. Catalíticos velocidad de reacción. En los sistemas vivos, los catalizadores son las ENZIMAS

4. Área Superficial Si las partículas del reactivo son más pequeñas, su área superficial es mayor, lo que permite aumentar la frecuencia de colisión.  Área superficial   Velocidad de reacción

Reacciones Reversibles (⇄) Son las reacciones que pueden llevarse a cabo en sentido directo (derecha) e inverso (izquierda) hasta llegar a un equilibrio. Reacción directa: R  P (las estudiadas hasta hoy) Reacción inversa: R  P Reacción reversible: R ⇄ P En estas reacciones, se forman los productos, luego éstos interactúan y chocan y pueden formar los reactivos nuevamente hasta alcanzar el EQUILIBRIO QUÍMICO.

(Se da solo en reacciones reversibles) Equilibrio Químico (Se da solo en reacciones reversibles) Es el punto en el cual la velocidad de la reacción directa (V1) R  P es igual a la velocidad de la reacción inversa (V2) R P. En este punto los reactivos forman productos a la misma velocidad que los productos forman reactivos. R ⇄ P V1= V2 Al alcanzar el equilibrio, las concentraciones de reactivos y productos permanecen constantes (no iguales). En este punto cada reacción tiene una Keq.

Equilibrio Heterogéneo Equilibrio Homogéneo Reacción en la que reactivos y productos se encuentran en el mismo estado físico. 2 SO2(g) + O2(g) ⇄ 2SO3(g) Equilibrio Heterogéneo Uno o varios reactivos ó productos están en diferente estado físico. 4HCl(l) + O2(g) ⇄ 2H2O(l) + 2Cl2(g)

Ley de Acción de Masas ó Expresión de la Constante de Equilibrio (Keq) Establece que cuando una reacción reversible alcanza el equilibrio, se le puede calcular su Constante de equilibrio ( Keq), a una temperatura dada. aA + bB ⇋ cC + dD Se utiliza la EXPRESIÓN: Keq = [C] c [D] d [A] a [ B]b Los corchetes [ ] significan conc. Molar (m/L) (los exponentes son los coeficientes) Keq= [NH3]2 N2 (g) + 3 H2 (g) ⇄ 2 NH3 (g) [N2] [H2]3

La Keq de las reacciones reversibles nos ayuda a predecir hacia donde se desplaza Keq = 1 el equilibrio no se desplaza R P Keq > 1 el equilibrio se desplaza a la formación de producto R P Keq < 1 el equilibrio se desplaza a la formación de reactivos R P .

Keq is Large.

Keq is Small.

Large and Small Keq Values

2KNO3(s) ⇄ 2KNO2(s) + O2(g) Keq= [O2] C(s) + 2H2(g) ⇄ CH4(g) En los cálculos de la Keq solo se toman en cuenta los reactivos o productos gaseosos. 2KNO3(s) ⇄ 2KNO2(s) + O2(g) Keq= [O2] C(s) + 2H2(g) ⇄ CH4(g) CaO (s) + CO2(g) ⇄ CaCO3(s) Keq= [CH4] [H2]2

Cálculo de Keq: N2 (g) + 3 H2 (g) ⇄ 2 NH3 (g) 1. Calcule la Keq para la reacción y analice hacia donde se desplaza: N2 (g) + 3 H2 (g) ⇄ 2 NH3 (g) Con las siguientes concentraciones en el equilibrio : [N2]= 0.2 [H2] = 0.4 [ NH3]= 0.3 Keq = [ NH3] 2  Keq = (0.3)2 _ = 7.03 [ N2] [H2] 3 (0.2)(0.4) 3 Como es mayor de 1, la reacción se desplaza al lado de los productos (hacia la derecha). En el equilibrio habrá mas concentración de producto que reactivo.

Cálculo de la concentración de uno de los reactivos ó productos conociendo Keq 2. Calcule la [H2] para la siguiente reacción en equilibrio , conociendo la Keq = 0.8 y las concentraciones : CO (g) + H2O (g) ⇄ CO2 (g) + H2 (g) [CO] = 0.2 [H2O] = 0.1 [CO2] = 0.4 Keq = [CO2][ H2] 0.8 = (0.4) ( x ) [ CO ][H2O] (0.2) (0.1) ( x) = 0.8 (0.2) (0.1) / (0.4) = 0.04 [H2 ] = 0.04

3. Escriba las expresiones para las constantes de equilibrio de las siguientes reacciones e indique el tipo de equilibrio (homogéneos ó heterogéneos): a) NH3(g) + 5O2(g) ⇄ 4NO(g) + 6 H2O(g) b) 2 NaHCO3 (s) ⇄ Na2CO3 (s) + CO2(g) + H2O(g)

4. ¿Cuál es el valor de la constante de equilibrio (Keq) para la siguiente reacción? CO2(g) + H2(g) ⇄ CO(g) + H2O(g) 0.2M 0.35M 0.15M 0.25M 2KNO3(s) ⇄ 2KNO2(s) + O2(g) 0.4M 0.3M 0.4M 5. La Keq de la reacción siguiente es 0.212 . Cuando [NO2] = 0.40 M, ¿Cuál es la [N2O4] en el equilibrio? N2O4(g) ⇄ 2 NO2(g)

Principio de Le Chatelier Cuando a una reacción en equilibrio se le aplica una alteración (como un cambio de concentración, presión o temperatura), el equilibrio se desplaza en la dirección que disminuya la alteración. Es decir, el sistema en equilibrio responde cambiando la velocidad de reacción hacia la derecha o a la izquierda, para minimizar la alteración y poder restablecer de nuevo el equilibrio.

Factores que afectan el equilibrio: Concentración, presión y temperatura Si se aumenta la [reactivos ] el equilibrio se desplaza a mayor formación de productos (derecha →). Si se disminuye la [reactivos ] el equilibrio se desplaza a mayor formación de reactivos (izquierda ←). Si se aumenta la [productos ] el equilibrio se desplaza a mayor formación de reactivos ( izquierda ←). Si se disminuye la [ productos ]el equilibrio se desplaza a mayor formación de productos (→ derecha).

Adding Reactant or Product The equilibrium shifts toward products when H2(g) or I2(g) is added. reactants when HI(g) is added. Add H2 or I2 Add HI

Removing Reactant or Product The system shifts toward a reverse reaction when H2 or I2 is removed. a forward reaction when HI(g) is removed.

N2 (g) + 3 H2(g) ⇄ 2 NH 3 (g) + calor 2. Temperatura: En las Reacciones endotérmicas: necesitan calor, se puede considerar al calor como reactivo para predecir el desplazamiento del equilibrio. 2 KClO3 + calor ⇄ 2 KCl + 3 O2 ↑ de T el equilibrio se desplaza a la → ↓ de T el equilibrio se desplaza a la ← En las Reacciones exotérmicas: liberan calor, se puede considerar al calor como uno de los productos. N2 (g) + 3 H2(g) ⇄ 2 NH 3 (g) + calor ↑ de T el equilibrio se desplaza a la ← ↓de T el equilibrio se desplaza a la →

Temperature Change and Exothermic Reactions For an exothermic reaction at equilibrium, an increase in temperature adds heat and the equilibrium shifts toward the reactants. a decrease in temperature (T) removes heat and the equilibrium shifts toward the products.

Temperature Change and Endothermic Reactions For an endothermic reaction at equilibrium, heat is a reactant. A decrease in temperature (T) removes heat, shifting the equilibrium toward the reactants. An increase in temperature adds heat, shifting the equilibrium toward the products.

3. Presión Para que los cambios de presión tengan efecto apreciable en una reacción química en equilibrio, es necesario que uno o mas de los reactivos o productos sea gaseoso. CO(g) + 3H2(g) CH4(g) + H2O(g) PRESIÓN ↓ PRESIÓN Hacia donde hay MAYOR # de moles de gas ↑ PRESIÓN Hacia donde hay MENOR # de moles de gas

Effect of Volume Change Decreasing the volume of the gas mixture shifts the equilibrium towards the fewer number of moles. Increasing the volume of the gas mixture shifts the equilibrium toward the larger number of moles.

Desplazamiento del Equilibrio FACTOR Alteración Desplazamiento del Equilibrio CONCENTRACION ↓ [ ] productos ↑ [ ] reactivos Derecha → ↓ [ ] reactivos ↑ [ ] productos Izquierda ← TEMPERATURA Endotérmicas Si ↑ T° Si ↓ T° Exotérmicas PRESION Si ↓ Presión Hacia donde hay MAYOR # de moles de gas Si ↑ Presión Hacia donde hay MENOR # de moles de gas

Effects of Changes on Equilibrium

Ejercicios: 1. En el siguiente sistema: C2H6 (g) ⇄ C2H4(g) + H2 (g) + Calor Prediga hacia donde se desplaza el equilibrio si: a) Aumentamos la temperatura_______ b) Disminuimos [ C2H4] ____________ c) Aumentamos [ H2 ]_______________ d) Disminuimos la presión __________ e) Disminuimos la temperatura ______

2NO2(g) ⇄ 2NO (g)+ O2(g) + calor 2. Para la reacción en equilibrio 2NO2(g) ⇄ 2NO (g)+ O2(g) + calor a) Es exotérmica ó endotérmica? b) Escriba la constante de equilibrio : c) Es equilibrio homogéneo ó heterogéneo? Hacia donde desplazará el equilibrio (izquierda ó derecha) si se altera los siguiente: d) Aumenta la temperatura: e) Disminuye [ NO] : f) Disminuye la temperatura: g) Aumenta [ NO2]: h) Aumenta la presión:

3. En la reacción : PCl5(g) + calor ⇄ PCl3(g) + Cl2(g) En qué sentido se desplaza el equilibrio al : Extraer Cl2 ) Disminuir la temperatura )Aumentar la concentración de PCl3 )Extraer PCl5 )Aumentar la presión