Cinética y Equilibrio Químico Curso puente

INTRODUCCIÓN El concepto de equilibrio es fundamental para conocer y entender la química y el comportamiento de las sustancias. En la constante de equilibrio se refleja la tendencia que tienen las sustancias de reaccionar, así como también, la dirección y magnitud del cambio químico. Todas las reacciones químicas pueden ser descriptas bajo una condición de equilibrio.

Todos los sistemas químicos alcanzan en el tiempo la condición de equilibrio El estado de equilibrio químico es de naturaleza dinámica y no estática.

El equilibrio en sistemas quimicos Cuando se coloca en un recipiente de volumen conocido a temperatura constante una muestra de 2N2O5(g), éste se descompone: 2N2O5(g) 4NO2(g) + O2(g) Cuando la concentración de los productos aumenta los mismos se convierten en reactantes: 4NO2(g) + O2(g) 2N2O5(g)

Reacciones Reversibles Finalmente, las dos reacciones evolucionan de modo tal que sus velocidades se igualan, estableciéndose un equilibrio químico. Bajo estas condiciones la reacción es reversible y se representa de la siguiente manera: 2N2O5(g) 4NO2(g) + O2(g) En una reacción reversible, la reacción ocurre simultáneamente en ambas direcciones. Lo anterior se indica por medio de una doble flecha En principio, casi todas las reacciones son reversibles en cierta medida.

Constante de equilibrio, Keq Una vez alcanzado el equilibrio las concentraciones de reactantes y productos no cambian en el tiempo. El equilibrio dinámico establece que a medida que el reactante se descompone, los productos se combinan entre sí para mantener las concentraciones constantes, las cuales se relacionan en la siguiente ecuación (productos en el numerador, reactivos en el denominador):

Velocidad de reacción La velocidad de reacción es una magnitud positiva que expresa cómo cambia la concentración de un reactivo o producto con el tiempo. Δ[c] Δt Velocidad=

La velocidad de reacción es directamente proporcional a la concentración de los reactivos. Las reacciones son el resultado de las colisiones entre moléculas de reactivos. Cuanto mayor es [moléculas], mayor es el número de colisiones por unidad de tiempo, por lo que la reacción es más rápida. Cuando el reactivo limitante se consume, la velocidad es cero.

- Expresión de la velocidad de reacción para la descomposición de N2O5 Velocidad = k [N2O5] k =constante de velocidad

Expresión general de Keq Considere la siguiente reacción: aA + bB cC + dD [C]c x [D]d [A]a x [B] ( [ ] = mol/litro ) Keq =

Las constantes de equilibrio proporcionan información muy útil sobre si la reacción se desplaza hacia la formación de productos o hacia la formación de reactivos. Keq > 1, se desplaza hacia la formación productos Keq < 1, se desplaza hacia la formación de reactivos

El punto en el cual la velocidad de descomposición: N2O4(g)  2NO2(g) es igual a la velocidad de dimerización: 2NO2(g)  N2O4(g) es un equilibrio dinámico. El equilibrio es dinámico porque la reacción no ha parado: Las velocidades de los dos procesos son iguales

Teoría de las colisiones Las reacciones químicas se producen por los choques eficaces entre las moléculas de reactivos Veamos la reacción de formación del HI a partir de I2 e H2 I I H H H H eficaz HI + HI I I H Choque I H I H No eficaz I H I2 + H2 I I H I H I2 H2 Además del choque adecuado las moléculas tienen que tener una energía suficiente, esta energía mínima se denomina energía de activación.

Principio de Le Chatelier Establece que si un sistema en equilibrio es sometido a una perturbacion o tensión, el sistema reaccionará de tal manera que disminuirá el efecto de la tensión. Hay 3 formas de alterar la composición en el equilibrio de una mezcla de reacción en estado gaseoso para mejorar el rendimiento de un producto:

Efecto del cambio de temperatura La temperatura tiene un efecto significativo sobre la mayoría de reacciones químicas. Las velocidades de reacción normalmente se incrementan al aumentar la temperatura. Consecuentemente, se alcanza más rapidamente el equilibrio. Los valores de la constante de equilibrio (Keq) cambian con la temperatura. 2

Dependencia de la Keq de la temperatura La constante de equilibrio depende de la temperatura a la que se lleva a cabo la reacción química. En la tabla se observa como varía la Keq con la temperatura para la siguiente reacción. CO(g) + 3H2(g) CH4(g) + H2O(g) DH = -206.2 kJ

Efecto del cambio de presión Los cambios de presión pueden afectar los sistemas gaseosos homogéneos en equilibrio. Los cambios de presión no afectan sistemas homogéneos solidos o liquidos, pero afectan los sistemas heterogéneos en los que interviene un gas. Los cambios que se producen en la presión interna no afectan el equilibrio. Un aumento en la presión externa hace evolucionar al sistema en la dirección del menor número de moles de gas y viceversa.

CO(g) + 3H2(g) CH4(g) + H2O(g) Al aumentar la presión, el equilibrio se desplaza hacia la derecha (menor número de moles)

Efecto de un catalizador Los catalizadores modifican las velocidades de reacción sin consumirse. Si se agrega un catalizador a un sistema en equilibrio este puede modificar la velocidad directa e inversa, pero no modifica la posición del equilibrio ni tampoco la constante de equilibrio. El catalizador actúa cambiando la trayectoria de la reacción, disminuyendo la energía de activación necesaria y aumentando la velocidad de reacción. 2

Fin.