COLEGIO DE QUMICA

Grado: 6 Clave: 1612 Plan: 96

GUA DE ESTUDIO QUMICA IV REA 1

UNIVERSIDAD NACIONAL AUTNOMA DE MXICO

Autores: Jos Luis Buenda Uribe Mara Esther Del Rey Leero Ana Cecilia Kim Mora Reyes Martn Mata Franco Ismael Segura Vzquez Revisin 2011: M. en C. Maribel Espinosa Hernndez

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Escuela Nacional Preparatoria Directora General: Mtra. Silvia E. Jurado Cullar Secretario Acadmico: Bil. Alejandro Martnez Prez Diseo de portada: DCV. Cintia Amador Saloma Cuidado de la Edicin: DCG. Edgar Rafael Franco Rodrguez 3 edicin: 2011 Universidad Nacional Autnoma de Mxico Escuela Nacional Preparatoria Direccin General Adolfo Prieto 722, Col. Del Valle C. P. 03100, Mxico, D. F. Impreso en Mxico

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PRESENTACIN

La Escuela Nacional Preparatoria ha trabajado durante casi 145 aos en la formacin de jvenes llenos de ideales y metas por cumplir, con deseos de superacin y comprometidos con su pas, a quienes tenemos que guiar y conducir hacia el logro de sus xitos acadmicos, factores que reforzarn su seguridad personal.

Las herramientas que adquieran los estudiantes, durante esta etapa escolar, sern fundamentales, columna vertebral que sostenga sus estudios profesionales, con lo que el desarrollo de habilidades y actitudes se ver reflejado en su futuro prximo.

Es nuestra responsabilidad dotar a los alumnos de todos los materiales didcticos que ayuden a enfrentar los retos de adquisicin del aprendizaje, para que continen con sus estudios de manera organizada, armnica y persistente.

Por lo mismo, los profesores que integran esta dependencia universitaria, trabajan de manera colegiada; ponen toda su energa en desarrollar las Guas de estudio para aquellos alumnos que, por cualquier razn, necesitan presentar un examen final o extraordinario y requieren elementos de apoyo para aprobarlos y concluir sus estudios en la Preparatoria.

La presente Gua de estudio es un elemento didctico que facilita la enseanza y el aprendizaje. Se puede utilizar de manera autodidacta o con la ayuda de los muchos profesores que a diario brindan asesoras en cada uno de los planteles de la Escuela Nacional Preparatoria.

Continuaremos buscando ms y mejores elementos didcticos: presenciales y en lnea, con el objetivo de ayudar a nuestros alumnos a que aprueben y egresen del bachillerato.

Slo me resta desearles xito en su camino personal y profesional.

Juntos por la Escuela Nacional Preparatoria.

Mtra. Silvia E. Jurado Cullar Directora General

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Presentacin de los autores La gua que tienes en tus manos tiene como finalidad ayudarte a preparar el examen extraordinario de la materia de Qumica IV rea I. En esta gua, se encuentran desarrollados los contenidos de las cuatro unidades del programa, las cuales son:

Unidad 1: La energa y las reacciones qumicas Unidad 2: Rapidez y equilibrio de las reacciones qumicas Unidad 3: Fundamentos de qumica orgnica Unidad 4: Reacciones orgnicas

Cada unidad inicia con una breve introduccin, donde se explica en forma general los

contenidos que se van a revisar. Despus presenta un organizador para que visualices la secuencia y la relacin que existe entre los contenidos. Se incluyen los propsitos de la unidad y se desarrollan los contenidos, se acompaa de ejemplos resueltos y ejercicios para que reafirmes tus conocimientos. Al trmino de cada unidad encontrars la bibliografa y un cuestionario de autoevaluacin.

Al final de la gua se ha colocado un examen tipo para que realices un simulacro y veas

que aspectos debes de reforzar. Se recomienda buscar asesora con un profesor para que supervise tu avance. Este material tambin puedes utilizarlo como apoyo a tu curso normal para que repases y ejercites los temas de cada unidad.

Por ltimo, la resolucin de esta gua no garantiza que apruebes el examen

extraordinario, para tener xito en tu examen extraordinario debers prepararlo con tiempo suficiente para que puedas estudiar, revisar y entender cada uno de los temas.

Cualquier comentario o sugerencia para mejorar el contenido y funcionalidad de esta gua

ser muy bienvenida en la Jefatura de Qumica.

Jefa del Departamento de Qumica 2006-2010 QFB. E. Alba Gutirrez Rodrguez

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NDICE GENERAL CONTENIDOS

Pgina

UNIDAD I . LA ENERGA Y LAS REACCIONES QUMICAS 1.1 Energa y reaccin qumica 1.1.1 Sistemas, estados y funciones de estado. 1.1.2 Primera Ley de la termodinmica. 1.1.3 Energa Interna (U) y entalpa. 1.1.4 Reacciones exotrmicas y endotrmicas. 1.1.5 Entalpas de enlace 1.1.6 Termoqumica. Ley de Hess. 1.1.7 Entropa. 1.1.8 Energa Libre y espontaneidad. 1.2 Procesos electroqumicos 1.2.1 Reacciones de oxidacin-reduccin. 1.2.2 Celdas electroqumicas. 1.2.3 Potenciales estndar de reduccin. 1.2.4 Corrosin de metales, un proceso espontneo. 1.2.5 Prevencin de la corrosin.

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8 8 9

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21 21 25 27 29 29

UNIDAD II. RAPIDEZ Y EQUILIBRIO DE LAS REACCIONES QUMICAS 2.1 Rapidez de la reaccin qumica 2.1.1 Concepto de rapidez de reaccin. 2.1.2 Explicar la teora de las colisiones. 2.1.3 Energa de activacin. 2.1.4 Perfil de energa. 2.1.5 Reconocer los principales factores que influyen en la rapidez de una

reaccin. 2.2 Equilibrio qumico 2.2.1 Descripcin del equilibrio qumico. 2.2.2 Descripcin de reversibilidad de una reaccin. 2.2.3 Expresar la constante de equilibrio de algunas reacciones. 2.2.4 Principio de Le Chatelier. 2.2.5 Enunciar los conceptos cido-base de Brnsted-Lowry. Concepto de

pH.

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34 34 34 35 35 36

38 38 38 39 40 41

UNIDAD III. FUNDAMENTOS DE QUMICA ORGNICA 3.1 Conceptos fundamentales 3.1.1 Niveles de energa electrnica. 3.1.2 Orbitales atmicos. 3.1.3 Configuraciones electrnicas. 3.1.4 Smbolos de Lewis. 3.1.5 Relacin entre electronegatividad y tipos de enlace.

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52 52 54 55 56 57

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3.2 Hidrocarburos: alcanos, alquenos y alquinos. 3.2.1 Hibridacin del tomo de carbono, tipos de enlaces carbono-carbono.

Estructura y modelos. 3.2.2 Nomenclatura, isomera y propiedades fsicas. 3.3 Grupos funcionales. Alcohol, ter, aldehdo, cetona, cidos carboxlicos, ster, aminas, amidas, aminocidos y compuestos halogenados. Nomenclatura, estructura, isomera, propiedades y aplicaciones.

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UNIDAD IV. REACCIONES ORGNICAS 4.1 Reacciones orgnicas 4.1.1 Reacciones de adicin, de eliminacin y de sustitucin. 4.1.2 Reacciones de condensacin e hidrlisis. 4.1.3 Reacciones de oxidacin y reduccin. 4.2 El mundo de los polmeros 4.2.1 Reacciones de polimerizacin por adicin. 4.2.2 Plsticos y sus propiedades. 4.2.3 Polmeros sintticos por adicin, polietileno. 4.2.4 Polmeros sintticos por condensacin, Poliamidas (nylons). 4.2.5 Polmeros naturales: celulosa, hule.

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88 88 94 96

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Examen final de autoevaluacin 107

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PRIMERA UNIDAD LA ENERGA Y LAS REACCIONES QUMICAS

INTRODUCCIN En la primera parte de la unidad se tratan y relacionan temas importantes de la Termodinmica como son la energa y su transferencia, la entalpa, la entropa y la energa libre. Se inicia con el estudio de los sistemas, y de los procesos en los que se ven envueltos, as como de los diferentes criterios que nos proporcionan las propiedades termodinmicas, como la entropa y la energa libre, para predecir si los procesos (como las reacciones qumicas) son factibles. En muchos de los procesos industriales, como la manufactura de productos plsticos, es muy importante conocer estos temas para optimizar dichos procesos y obtener productos de calidad. Estos temas tambin nos ayudan, por ejemplo, para comprender como funciona una locomotora, los cohetes, los fuegos artificiales, etc. Un tipo de energa, de mayscula importancia, es la elctrica ya que es una de las fuentes de produccin de muchos satisfactores y del bienestar en nuestros hogares. Con el objetivo de entender como se relaciona esta energa en una reaccin qumica, se estudian los procesos electroqumicos en sistemas como las celdas electrolticas y voltaicas (pilas)

Reaccin qumica

Energa

Energa Libre Entropa Sistemas 1. Ley

Proceso espontneo

Entalpia Proceso no espontneo

Reaccin electroqumica

Estados y funcin de

estado

Energa interna

Entalpia de enlace

Reaccin endotrmica

Reaccin exotrmica

Celda

Corrosin

Potencial estndar

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PRIMERA UNIDAD LA ENERGA Y LAS REACCIONES QUMICAS

PROPSITOS

1. Reconocer la relacin que existe entre entalpa, entropa y energa libre 2. Identificar los cambios de entalpa y entropa que se verifican durante las reacciones

qumicas 3. Relacionar la espontaneidad de las reacciones qumicas con los cambios de energa

libre 4. Reconocer la corrosin como un proceso espontneo 5. Aplicar los conocimientos adquiridos en la prevencin de la corrosin de los metales.

1.1. ENERGA Y REACCIN QUMICA 1.1.1. Sistemas, estados y funciones de estado. Un sistema es una parte del universo que se selecciona de manera arbitraria para realizar en l algn tipo de estudio. Dicho sistema est delimitado por paredes o fronteras del resto del universo. Todo lo que queda fuera del sistema constituye los alrededores. Los sistemas pueden ser abiertos, cerrados o aislados. Un sistema abierto es aquel en el que se puede intercambiar materia y energa con los alrededores, en los sistemas cerrados no se puede intercambiar materia con los alrededores, pero s energa. Los sistemas que no pueden intercambiar ni materia ni energa con los alrededores se llaman aislados. Las paredes de un sistema que permiten el intercambio de energa con los alrededores se llaman diatrmicas, las que no lo permiten se llaman adiabticas. Si en un sistema se conocen el o los materiales que lo componen y dos cualesquiera de las tres propiedades siguientes: la presin (P), la temperatura (T) y el volumen del sistema (V) se dice que el estado del sistema est definido. Cuando se lleva acabo un proceso fsico o qumico, el estado del sistema cambia y puede llegar a un nuevo estado, es decir, las propiedades (o algunas de ellas) que definen al sistema pueden llegar a tener valores diferentes a los iniciales. Por lo anterior una funcin de estado es aquella que su cambio de valor () depende nicamente del estado inicial y final del proceso, en consecuencia no importa la trayectoria del cambio, sino el cambio neto, por lo contrario una funcin de trayectoria es aquella que depende de la ruta seguida en el proceso. Ejemplos de funcin de estado: T, P, V, energa. Ejemplos de funciones de trayectoria: q y w

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Ejercicios Selecciona la opcin que consideres correcta: 1. La parte del universo que es seleccionada para realizar algn estudio se llama: A. problema B) variable C) propiedad D) sistema 2. La pared de un sistema que permite transferir energa trmica se llama: A) aislada B) adiabtica C) diatrmica D) flexible 3. La variable que no es funcin de estado, ni propiedad de un sistema es: A) la presin B) el calor C) la energa D) la temperatura 4. Son ejemplos de funciones de estado: A) temperatura y calor B) calor y trabajo C) presin y temperatura D) volumen y trabajo 1.1.2. Primera ley de la termodinmica. Esta ley se refiere a que en un proceso la variacin de la energa interna de un sistema depender de la cantidad de energa (trmica o mecnica) que se libere o absorba en dicho sistema. Es una manera diferente de interpretar la ley de la conservacin de la energa y queda como sigue:

U = q + w En esta expresin q es el calor (se desea hacer hincapi de que el calor se refiere al proceso de intercambio de energa trmica entre el sistema y los alrededores y que la direccin de dicho intercambio va del sistema o alrededor con mayor temperatura al de menor temperatura). Se considera que cuando se absorbe energa trmica en el sistema q ser positivo, pero si se libera es negativo. w es el trabajo realizado por el sistema o sobre el sistema y representa el intercambio de energa mecnica entre el sistema y los alrededores. Se considera que el trabajo realizado por el sistema es negativo y l que se realiza sobre el sistema es positivo. U representa el cambio de la energa interna del sistema y es una funcin de estado, es decir, representa el cambio neto del contenido energtico; en algunas fuentes bibliogrficas se puede encontrar la variacin de esta propiedad como E. Con base en el Sistema Internacional, la unidad de energa a utilizar ser el Joule (J), sin embargo por practicidad pueden utilizarse unidades tales como kiloJoule (kJ), calora (cal) o kilocalora (kcal). Nota: generalmente hay confusin entre los conceptos de calor y temperatura, pero recuerda que calor es un proceso de intercambio de energa trmica y sus unidades son J, kJ, cal o kcal; mientras que temperatura es una propiedad del sistema que indica la potencialidad de transferir energa trmica y sus unidades son K, F o C. Es sabido que la temperatura es necesaria para el clculo de calor (q = m Cp T) pero no por ello debemos decir que es lo mismo. Por ejemplo si dos sistemas con paredes diatrmicas interaccionan y ambos sistemas tienen la misma temperatura el valor de q ser cero y no as el valor de sus temperaturas; en este caso no hubo proceso de transferencia de energa trmica.

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Ejercicios 5. Cuando se presiona el mbolo de una jeringa y el gas se comprime, la energa interna del sistema A) aumenta B) disminuye C) permanece constante D) est en equilibrio 6. Cuando enfriamos, la energa interna de un sistema: A) aumenta B) disminuye C) permanece constante D) est en equilibrio 7. Un sistema es enfriado y obligado a comprimirse, los valores para q y w son: A) q (+), w (-) B) q (+), w (+) C) q (-), w (+) D) q (-), w (-) 8. Un sistema es calentado al transferirle 500 kJ de energa trmica, lo que provoca que sufra una expansin que involucran 350 kJ, calcula U A) +850kJ B) -850kJ C) -150kJ D) +150kJ 1.1.3. Energa interna (U) y entalpa. La energa interna U (o E), es el contenido total de energa de un sistema, por lo tanto es propiedad del mismo. Desde el punto de vista submicroscpico, esta energa se refiere a la energa de vibracin, de translacin y de rotacin de las partculas (tomos, molculas, etc.) que constituyen los materiales del sistema, as como a la energa de electrones y ncleos de los tomos presentes y a la energa potencial qumica debido a las interacciones entre ellos (por ejemplo enlaces qumicos) o tambin entre molculas, iones, etc. La unidad comnmente utilizada es el kJ y si se trata de la propiedad molar kJ/mol. Se haba mencionado ya, que la energa interna es una funcin de estado y que para calcular su valor tendramos la ecuacin U = U final U inicial, sin embargo, no es tarea fcil y factible determinar la energa interna final o inicial en un momento dado; entonces para conocer U se necesita conocer los intercambios de energa en un proceso, es d ecir, conocer los valores de q y w (1 Ley de la Termodinmica). La entalpa es energa que puede ser intercambiada en un sistema pero en condiciones particulares, en este caso, a presin constante. Se representa como H y su variacin como H. Al igual que la energa interna (U), es una funcin de estado y es propiedad de un sistema; la unidad recomendada a utilizar es el kJ o kJ/mol. Para el desarrollo de los siguientes temas es importante mencionar que delimitaremos algunos aspectos sobre los procesos que se tomarn en cuenta para los clculos de la entalpa. Uno de ellos es que el proceso de referencia ser una reaccin qumica, otro es que no se tomar en cuenta el trabajo, es decir que w=0; para esto se debern considerar los siguientes puntos:

- Sistemas con paredes rgidas y abiertas (por lo menos en en alguna de sus partes, por ejemplo un matraz). No habr expansiones o compresiones.

- No se tomar en cuenta que el sistema se desplace, para evitar tener un proceso de trabajo por cambio en el centro de masa de dicho sistema.

- Slo se tomar en cuenta el intercambio de energa trmica en el proceso (q). Por lo anterior y considerando que tampoco se puede tener un valor de H final e inicial, el H podr ser calculado por medio de la ecuacin:

H = q

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El trmino entalpa completa su nombre con base en el proceso en el que est referida, por ejemplo si hablamos simplemente de una reaccin, pues ser llamada entalpa de reaccin (Hr), si es de una reaccin de combustin ser entalpa de combustin, (H comb), o de una reaccin de formacin, entalpa de formacin (Hf), etc. 1.1.4. Reacciones exotrmicas y endotrmicas. En toda reaccin qumica se absorbe y se libera energa trmica. Si la cantidad de energa que se libera es mayor que la que se absorbe ocasiona que el sistema tenga menos energa al final del proceso, por tanto el cambio neto de la energa es negativo, en otros trminos el H es (-), este es el caso de una reaccin qumica exotrmica, el proceso contrario al mencionado, describira una reaccin endotrmica con un H (+).

La reaccin de combustin del metano, (CH4, componente principal del gas natural) es un ejemplo de reaccin exotrmica. Al final del proceso se liberan 890 kJ de energa, es decir, el valor de H es de -890 kJ por cada mol de CH4 combustionado.

CH4 (g) + 2O2 (g) CO2(g) + 2H2O(l)

La reaccin de descomposicin del agua es un ejemplo de reaccin endotrmica, pues para que se lleve a cabo se necesita un total de 285.8 kJ por cada mol de agua descompuesta:

H2O (l) O2(g) + H2(g)

Con base en lo anterior, el valor de H es de +285.8kJ.

Si los procesos anteriores se representaran mediante un grfico, para una mejor comprensin, quedaran como sigue:

1) Reaccin exotrmica, H (-).

Observa como el contenido de energa de los productos es menor que la de los reactivos y que precisamente el H es la diferencia energtica entre estos dos estados del sistema. Nota1: El trmino Energa de activacin es la energa que absorbe el sistema para que la reaccin se lleve a cabo, tal concepto se ver con mayor profundidad en la unidad 2.

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2) Reaccin endotrmica, H (+).

Observa como el contenido de energa de los productos es mayor que la de los reactivos y que precisamente el H es la diferencia energtica entre estos dos estados del sistema. Nota2: Ibidem Nota1. En este caso la energa de activacin esta representada desde el estado energtico de los reactivos hasta el punto ms alto de la curva. 1.1.5. Entalpas de enlace. Las condiciones estndar (25C de temperatura y 1 atm de presin) sern la base de los clculos para la entalpa de una reaccin qumica y sern indicadas mediante el smbolo (), por ejemplo H. Es necesario indicar que esto es slo una convencin apropiada a nuestro nivel acadmico. En un primer caso el Hr puede calcularse a partir de los valores de Hf (registrados en las tablas respectivas de la bibliografa bsica de esta unidad) de los productos y de los reactivos involucrados en la reaccin qumica. Nota: para un elemento el valor de Hf:= 0.

Reactivos Productos aA + bB cC + dD

Hr = n Hf (productos) m Hf (reactivos) Donde: Hr es la entalpa de la reaccin (kJ/mol) Hf (productos) es la suma de las entalpas estndar de formacin de cada uno de los productos que se forman en la reaccin qumica. Hf (reactivos) es la suma de las entalpas estndar de formacin de cada uno de los reactivos que intervienen en la reaccin qumica. n y m son los coeficientes estequiomtricos de la reaccin (cantidad de sustancia de los productos C y D y de los reactivos A y B)

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Ejemplo Utilizando los valores de entalpas estndar de formacin, calcula la entalpa de la reaccin (Hr ) de hidrogenacin del eteno (C2H4) para dar etano (C2H6). Indica si la reaccin qumica es exotrmica o endotrmica.

C2H4 (g) + H2 (g) C2H6(g) Datos tomados de las tablas: Hf eteno(g) = +52.35 kJ/mol Hf etano(g) = -84.70 kJ/mol Hf H2 (g) = 0 kJ/mol Solucin: Se aplica la ecuacin: Hr = nHf (productos) m Hf (reactivos) Hr = [1 mol x 84.7 kJ/mol] [1 mol x 52.3 kJ/mol + 1 mol x 0 kJ/mol] Hr = - 137 kJ por cada mol de eteno que se hidrogena. El signo negativo significa que la reaccin es exotrmica. Ejercicios: 9. En una reaccin exotrmica se: A) libera energa trmica y el H del sistema es negativo. B) absorbe energa trmica y el H del sistema es negativo. C) libera energa trmica y el H del sistema es positivo. D) absorbe energa trmica y el H del sistema es positivo. 10. A partir de los siguientes datos:

C2H4(g) H0f = 52.3 kJ/mol H2O(l) H0f = 285.9 kJ/mol C2H5OH(l) H0f = 277.4 kJ/mol El H0 de la siguiente reaccin C2H4(g) + H2O(l) C2H5OH(l) es: A) 43.8 kJ B) 43.8 kJ C) 60.8 kJ D) 60.8 kJ

Cuando no se conocen los valores de las entalpas de formacin de productos y reactivos, la entalpa estndar de la reaccin (Hr) puede calcularse a partir de las entalpas de enlace de las sustancias que intervienen en ella. La entalpa de enlace se define como la cantidad de energa necesaria para romper un mol de enlaces de los reactivos o la energa que se libera cuando se forma un mol de enlaces de los productos. Para romper un mol de enlaces hay que suministrar energa al sistema [proceso endotrmico, H positivo] y para formarlo hay liberacin de energa [proceso exotrmico, H negativo]. Para calcular el H total o de reaccin, se suman las entalpas de los enlaces rotos ms las entalpas de los enlaces formados.

Hr = (Henlaces rotos) + (H enlaces formados)

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Ejemplo: Para calcular la entalpa de la reaccin de hidrogenacin del acetileno o etino (C2H2) con el fin de producir etileno o eteno (C2H4) segn la siguiente reaccin:

catalizador

C2H2(g) + H2(g) C2H4(g)

1. Se escribe la reaccin con frmulas desarrolladas: catalizador H - C C H + H H H C = C H | | H H 2. De acuerdo con la tabla de entalpas de enlace, se anotan los enlaces rotos y los

formados, con sus valores correspondientes; los rotos con valores de H positivos, porque se requiere suministrar energa para romperlos, y los enlaces formados con valores de H negativos, porque se libera energa al formarse:

Enlaces rotos: H kJ/mol 1 mol de enlaces C C +835 1 mol de enlaces H H

Suma +1,271 kJ +436

Enlaces formados H kJ/mol 2 mol de enlaces C H 2 x 413 = 826 1 mol de enlace C = C Suma 1,438 kJ

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Nota: en este caso no se tomaron en cuenta dos enlaces C-H, ya que se no se rompieron al pasar a los productos 3. La entalpa de la reaccin H r es la suma de las entalpas de los enlaces rotos (H

positiva) ms la de los enlaces formados (H negativa). Hr = (+1271kJ) + (1438kJ) = 167 kJ Ejercicios Selecciona el inciso correcto 11. De acuerdo con las siguientes entalpas de enlace, CH 413 kJ/mol, O=O 494 kJ/mol, C=O 801 kJ/mol, O-H 482 kJ/mol; calcula la energa que se libera al quemar (combustionar) un mol de metano con suficiente oxgeno, segn la reaccin:

CH4(g) + 2O2(g) CO2(g) + 2H2O(l).

A) 890kJ B) +890kJ C) 563kJ D) +563kJ

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12. A partir de los siguientes valores de entalpas de enlace: H-H 435 kJ/mol; Br-Br 193 kJ/mol; H-Br 364 kJ/mol, la entalpa de formacin (Hf) de la siguiente reaccin:

H2(g) + Br2(g) 2 HBr(g) es:

A) 264 kJ B) +264 kJ C) 100 kJ D) +100 kJ 1.1.6. Termoqumica. Ley de Hess Esta ley se aplica en caso de que los valores de las entalpas de formacin de productos y reactivos (Hf) no se puedan determinar fcilmente por no tener los valores necesarios en tablas o no se pueda utilizar la entalpa de enlace; el valor de la entalpa de reaccin se puede calcular por un mtodo indirecto llamado Ley de Hess. La Ley de Hess indica que cuando los reactivos se convierten en productos, el cambio de entalpa es el mismo, independiente de que la reaccin qumica se efectu en un paso o una serie de pasos. En otras palabras, se puede separar la reaccin qumica de inters en una serie de reacciones qumicas parciales para las cuales se tenga el valor de H r y de esta manera calcular Hr para la reaccin total; lo que significa que el cambio de entalpa de una reaccin qumica, la cual podemos llamar principal,que es la que se desea conocer, puede obtenerse mediante la suma de los cambios de entalpa de cada una de las reacciones qumicas parciales, que se llaman auxiliares, en que se pueda dividir la reaccin principal. Ejemplo: Se desea obtener la variacin de entalpa estndar de la siguiente reaccin, a la que llamaremos reaccin principal, mediante la Ley de Hess:

2C(grafito) + H2(g) C2H2(g) Hr? A partir de los valores de las entalpas estndar de las siguientes reacciones (a), (b), y (c), (auxiliares) y que se dan como datos del problema (a) C (grafito) + O2 (g) CO2(g) H1 r = 393.5 kJ (b) H2 (g) + O2 (g) H2O (l) H2 r = 286. kJ (c) 2 C2H2 (g) + 5 O2 (g) 4 CO2 (g) + 2H2O (l) H3 r = 2,598.8 kJ Para resolver este problema hay que seguir los siguientes pasos 1. Lo primero que se hace es numerar las reacciones auxiliares cuya suma conduce a la

reaccin problema o principal; por lo general las ecuaciones auxiliares son datos del problema, no las tienes que pensar.

2. En las ecuaciones auxiliares numeradas en el punto anterior, hay que fijarse si los reactivos y los productos aparecen en el mismo lugar que aparecen en la reaccin principal; en caso contrario, es necesario pasar los reactivos a la derecha de la flecha de cada reaccin y los productos a la izquierda, como aparecen en la reaccin principal.

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En caso de cambiar el sentido de una reaccin, por as requerirlo en la ecuacin principal, el valor de H r cambiar de signo, por ejemplo, si se tiene esta reaccin:

2C2H2(g) + 5O2(g) 4CO2(g) + 2H2O(l) Hr = 2,598.8 kJ

La reaccin inversa ser la siguiente:

4CO2(g) + 2H2O(l) 2C2H2(g) + 5O2(g) Hr = +2,598.8 kJ

3. En caso de necesitar un nmero diferente de moles en la reaccin principal, es posible

multiplicar o dividir toda la reaccin auxiliar por un nmero mltiplo o submltiplo que produzca el nmero de moles necesarias en la reaccin principal, lo cual afecta tambin el valor de Hr, quedando ste a su vez dividido o multiplicado por dicho nmero.

4. Una vez teniendo los reactivos y los productos en el sentido que indica la ecuacin principal, se hace la suma de las reacciones auxiliares

Resolucin: Observar la ecuacin principal y la ecuacin (a)

1. Se multiplica la ecuacin (a) por 2 para tener 2C en el 1er. miembro de la ecuacin:

2(a) 2C(grafito) + 2O2(g) 2CO2(g) H1 (r) = 787 kJ

Observar la ecuacin principal y la ecuacin (b)

2. Como es necesario 1 mol de H2 en el primer miembro de la ecuacin principal se copia la ecuacin auxiliar (b), puesto que ya tiene 1 mol de H2 en su primer miembro. (b) H2 (g) + O2 (g) H2O (l) H2 (r) = 286 kJ

Observar la ecuacin principal y la ecuacin (c)

3. Se invierte y se le saca mitad a la ecuacin (c) para tener un mol de C2H2 del lado derecho

(c/2) 2CO2(g) + H2O(l) C2H2(g) + 5/2 O2 (g) H3 (r) = +1,299.4 kJ

(Atencin! observa que al H del punto 3 se le cambio el signo porque se invirti el sentido de la reaccin, adems de que se dividi entre 2)

4. Se hace la suma de las reacciones de los puntos 1,2 y 3 es decir: Sumamos las ecuaciones auxiliares 2(a)+ (b) (c/2)

2C(grafito) + H2(g) C2H2(g) Hr = H1 + H2 + H3 = +226.6 kJ

Hr = +226.6 kJ

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Ejercicios 13. Empleando la ley de Hess, comprueba el valor de la entalpa estndar para la siguiente reaccin:

C(grafito) + 2H2 (g) CH4(g) Hr = -75.5kJ

A partir de los datos de Hr para las siguientes reacciones auxiliares:

(a) C(grafito) +O2(g)CO2(g) Hr1 = -393.5kJ

(b) 2H2 (g) + O2 (g) 2H2O(l) Hr2 = -572 kJ

(c) CO2 (g) + 2H2O(l) CH4 (g) + 2O2 (g) Hr3 = +890 kJ

14. Por ley de Hess, calcula la entalpa estndar de la siguiente reaccin:

2C(grafito) + O2(g) 2CO(g)

Valores de las entalpas de reaccin de las siguientes reacciones auxiliares:

2CO(g) + O2(g) 2CO2(g) Hr = 566 kJ

C(grafito) + O2(g) CO2 (g) Hr = 393.5 kJ

A) 890 kJ B) 221 kJ C) 442 kJ D) +890 kJ

15. A partir de las siguientes reacciones: N2(g) + O2(g) NO(g) H0 = +90.37 kJ N2(g) + O2(g) NO2(g) H0 = +33.85 kJ La entalpa estndar de la reaccin NO(g) + O2(g) NO2(g) es: a) -56.52 kJ B) +56.52 kJ C) +124.22 kJ D) +180.74 kJ

16. A partir de las siguientes reacciones:

S(s) + O2(g) SO2(g) H0 = -296.9 kJ S (s) + 3/2O2(g) SO3(g) H0 = -395.18 kJ

Determina la entalpa estndar de la reaccin SO2(g) + O2(g) SO3(g) A) 98.28 kJ B) +98.28 kJ C) -692.8 kJ D) +692.8 kJ

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1.1.7. Entropa. La entropa es generalmente descrita como la medida del desorden de los sistemas, entre ms desordenado queda un sistema despus de un proceso ms entropa tiene y se considera que el proceso fue ms natural. En todo proceso de intercambio energtico entre sistemas, siempre hay una cantidad de energa que se disipa a los alrededores, haciendo que la eficiencia de dicho proceso disminuya, es decir, es energa no aprovechada; esto ocasiona que el sistema cada vez contenga menos energa til que pueda intercambiar en algn prximo proceso. La entropa se representa como S y su variacin como S. Al igual que la energa interna (U) y la entalpa (H) es una funcin de estado y es propiedad de un sistema; la unidad recomendada a utilizar es el J/K o J/mol K. En este caso si se tienen valores absolutos de entropa estndar (S) reportados en tablas, por lo tanto en el sistema (que es donde se lleva a cabo la reaccin qumica) podr calcularse el S como sigue:

Ssistema = (S final) (S inicial) para una reaccin qumica en particular: Ssistema = nS(productos) mS(reactivos)

Donde: n y m son los coeficientes estequiomtricos de los productos y reactivos respectivamente.

El trmino entropa se incluye en la segunda ley de la Termodinmica, la cual se enuncia a continuacin: La entropa del universo aumenta en un proceso espontneo y se mantiene constante en un proceso en equilibrio. Los procesos naturales se llevan a cabo en la direccin de mxima dispersin de la energa (mayor S). La segunda ley se refiere a la entropa del universo, es decir, a la del sistema en estudio ms la de sus alrededores.

S universo = S sistema + S alrededores

Con base en lo anterior se pueden clasificar los procesos como espontneos y no espontneos. Un proceso espontneo es aquel proceso natural que ocurre incontroladamente en un sentido y no en el contrario, por ejemplo, un clavadista siempre se lanza hacia el agua y no al revs. El proceso no espontneo es el que no ocurre en el sentido en el que est descrito a menos que sea obligado por algn factor externo, con base en el ejemplo anterior, el clavadista tiene que subir las escaleras para volver a estar en la plataforma desde donde se avent y no lanzndose directo del agua a la plataforma.

Entonces si Suniv > 0 el proceso es espontneo, si Suniv = 0 el proceso est en equilibrio y si Suniv < 0 el proceso es no espontneo.

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Ejemplo Calcula el cambio de entropa estndar de la siguiente reaccin qumica:

H2(g) + O2 (g) H2O(l) Solucin: De las tablas de datos termodinmicos a 25C y 1 atm (condiciones estndar) se obtienen los valores de las entropas absolutas estndar:

S H2 (g) = 130.7 J/ mol K S O2 (g) = 205.1 J/ mol K S H2O (l) = 69.9 J/ mol K

Se utiliza la ecuacin: Ssistema = nS(productos) mS(reactivos)

Se aplican los valores, encontrados en las tablas, en la ecuacin anterior: Ssistema = 1 mol x SH2O(l) [1 mol x S (H2 (g) + mol x S (O2 (g)] Ssistema = (1 mol x 69.9J/mol K [1 mol x 130.7 J/mol K + mol x 205.1 J/mol K] Ssistema = -163 J/ K por cada mol de agua lquida formada. Nota: en este caso no se harn clculos de entropa de alrededores, y por consecuencia del universo, ya que en el siguiente tema slo se solicita conocer el Ssistema. 1.1.8. Energa libre y espontaneidad La energa libre, tambin llamada de Gibbs, es energa til de un sistema, en otras palabras es la energa que puede ser intercambiada en un proceso deseado o planeado, por ejemplo en un proceso industrial. Se representa como G y su variacin como G. Al igual que la energa interna (U), entalpa (H) y entropa (S) es una funcin de estado y es propiedad de un sistema; la unidad recomendada a utilizar es el kJ o kJ/mol. Por lo anterior y considerando que tampoco se puede tener un valor de G final e inicial, el G en un proceso (reaccin qumica en condiciones estndar) podr ser calculado por medio de la ecuacin:

Gsistema = Hsistema - TSsistema En donde:

Gsistema es la variacin de la energa libre de Gibbs del sistema. Hsistema es la variacin de entalpa del sistema. T es la temperatura absoluta (298K). Ssistema es la entropa del universo.

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Criterio de espontaneidad y energa libre de Gibbs Con el Gsistema se puede predecir sobre la espontaneidad de una reaccin qumica:

- si Gsistema es < 0 el proceso es espontneo, - si Gsistema es = 0 el proceso est en equilibrio y - si Gsistema es > 0 el proceso es no espontneo.

Nota: El Gsistema tambin puede calcularse a partir de datos de la energa libre estndar de formacin, (G f) de una sustancia, la cual se refiere a la reaccin de formacin de 1 mol de la sustancia a partir de sus elementos en su forma ms estable y en condiciones estndar. Para un elemento el valor es cero. Este tipo de clculo no se desarrolla en la presente gua ya que el objetivo es calcularla a partir de Hsistema y Ssistema, si deseas conocer ms sobre l, consulta la bibliografa registrada al final de esta unidad. Ejemplo Utilizando los valores de las propiedades termodinmicas (Hsistema y Ssisterma) y la reaccin de formacin de agua

H2(g) + O2 H2O(l) calcula la energa libre de Gibbs de la reaccin (Gsistema) y determina si el proceso es espontneo o no espontneo. Resolucin

Datos: Hsistema = -285.8 kJ/mol

Ssistema = -163 J/mol K = -0.163 kJ/mol K T = 298K (25C, condiciones estndar) Se utiliza la ecuacin:

Gsistema = Hsistema - TSsistema Gsistema = [1 mol H2O(l) x Hsistema] [T x Ssistema x 1 mol H2O(l)] Gsistema = [1 mol H2O(l) x (-285.8 kJ/mol)] [298 K x (-0.163 kJ/mol K) x 1 mol H2O(l)] Gsistema = -237.2 kJ Como Gsistema < 0 es un proceso espontneo.

Ejercicios

17. Selecciona la opcin que consideres correcta. Una reaccin es espontnea cuando:

A) S0universo es negativo B) Gsistema es positivo C) Gsistema= 0 D) Gsistema es negativo

18. Utilizando los valores de las propiedades termodinmicas (H y S) y la reaccin de

descomposicin trmica del carbonato de calcio (CaCO3)

CaCO3 (s) CaO (s) + CO2 (g)

determina la energa libre de Gibbs de la reaccin (Gsistema) e indica si el proceso es espontneo o no espontneo

Nota: Recuerda que los valores de H y S los encuentras en las tablas de propiedades termodinmicas de la bibliografa recomendada.

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1.2. PROCESOS ELECTROQUMICOS 1.2.1 Reacciones de oxidacin y reduccin Las reacciones en las cuales se transfieren uno o ms electrones se llaman reacciones de xido-reduccin o reacciones redox. La oxidacin se define como la prdida de electrones y la reduccin como la ganancia de electrones. Muchos procesos qumicos en nuestro entorno se llevan a cabo mediante este tipo de reacciones, por ejemplo en los acumuladores de los automviles, en los procesos de combustin, la corrosin, la respiracin, slo por mencionar algunos. Por ejemplo el cloruro de sodio se forma al reaccionar sodio elemental con cloro.

2Na(s) + Cl2(g) 2NaCl(s)

El sodio y el cloro elementales son tomos neutros, es decir contienen el mismo nmero de protones y electrones, en el caso del sodio 11 y en el del cloro 17; sin embargo al combinarse se transfiere un electrn del sodio al cloro para dar lugar a la formacin de iones Na+ y Cl- presentes en el compuesto cloruro de sodio. Al reaccionar el cloro y el sodio elementales, cada tomo de sodio pierde un electrn y forma un ion sodio con carga 1+ (quedando con 10 electrones); por tanto, se dice que el sodio se oxida. Cada tomo de cloro gana un electrn y forma un ion cloruro con carga 1- (quedando con 18 electrones), y por tanto se reduce. El concepto de nmero de oxidacin (llamado en ocasiones estado de oxidacin) permite saber qu ocurre con los electrones en las reacciones de xido-reduccin asignando cargas a los diversos tomos de un compuesto. En ocasiones estas cargas son aparentes. Para determinar los nmeros de oxidacin de los tomos en elementos o compuestos se aplican las siguientes reglas: Reglas para asignar nmeros de oxidacin

1. El nmero de oxidacin de un elemento es siempre cero. 2. Los elementos de los grupos 1, 2 y 13 (antes grupos o familias IA, IIA, y III A) tienen

nmeros de oxidacin 1+, 2+ y 3+, respectivamente. 3. El nmero de oxidacin del hidrgeno es 1+ excepto en los hidruros donde es 1 4. El nmero de oxidacin del oxgeno siempre es 2-, excepto en los perxidos en los

que es 1 5. Los haluros son sales formadas por halgenos y metales. El halgeno en los haluros

tiene nmero de oxidacin 1-. 6. La molcula es elctricamente neutra, es decir la suma algebraica de los nmeros de

oxidacin de los tomos que la constituyen es igual a cero.

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Ejemplo Para determinar el estado de oxidacin del azufre en el compuesto SO3,

a) Se analiza primero su frmula, la cual es SO3 en la que esta presente el oxgeno cuyo estado de oxidacin es 2- (regla 3).

b) La frmula contiene tres oxgenos por lo que la carga total de estos en la molcula es 6-.

c) La molcula es elctricamente neutra (regla 6) por lo que el azufre debe tener un estado de oxidacin 6+, para que la suma de los estados de oxidacin del oxgeno y azufre sea igual a cero.

SO36+ 2-

Resumiendo tenemos:

Nmero de tomos

en la frmula Nmero de oxidacin

Carga total en la frmula

Suma algebraica de cargas

3 oxgenos 2- 6- 0

1 azufre 6+ 6+

Otro ejemplo sera el determinar el nmero de oxidacin del cloro en el perclorato de sodio, NaClO4

a) Se analiza primero su frmula, la cual es NaClO4 en la que esta presente el oxgeno cuyo estado de oxidacin es 2- (regla 3), tambin encontramos la presencia del sodio cuyo estado de oxidacin es 1+ por encontrase en el grupo 1 (regla 2).

b) La frmula contiene cuatro oxgenos por lo que la carga total de estos en la molcula es 8-, y en el caso de sodio es 1+.

c) La molcula es elctricamente neutra (regla 6) por lo que el cloro debe tener un estado de oxidacin 7+, para que la suma de los estados de oxidacin del oxgeno, sodio y azufre sea igual a cero.

NaClO41+ 7+ 2-

Resumiendo tenemos: Nmero de tomos

en la frmula Nmero de oxidacin

Carga total en la frmula

Suma algebraica de cargas

4 oxgenos 2- 8-

0 1 sodio 1+ 1+

1 cloro 7+ 7+ Un oxidante es una sustancia capaz de oxidar a otra. Los elementos que ganan o tienen tendencia a ganar electrones se llaman oxidantes y al hacer esto se reducen a s mismos. Un reductor es una sustancia capaz de reducir a otra; los elementos que pierden electrones se llaman reductores y al hacerlo se oxidan a s mismos.

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Ejercicio:

19. Determina el nmero de oxidacin de los tomos sealados en los siguientes compuestos: A) Cl en el perclorato de potasio KClO4 B) N en el nitrato de cobre II Cu(NO3)2 C) C en el dixido de carbono CO2 D) Cr en el dicromato de sodio Na2Cr2O7 E) S en el sulfato de cromo III Cr2(SO4)3

20. Cuando un elemento gana electrones, se oxida o se reduce?; es un oxidante o un

reductor? A) Se reduce, es oxidante B) Se oxida, es oxidante C) Se reduce es reductor D) Se oxida, es reductor

Reacciones de oxidacin y reduccin Como se mencion anteriormente, en una reaccin de oxidacin-reduccin ocurre una ganancia y prdida de electrones por parte de algunos de los tomos de las sustancias involucradas en la reaccin. Entonces una reaccin redox se conforma de dos semireacciones: la de oxidacin y la de reduccin. Ambas se producen simultneamente. Por ejemplo en la reaccin entre el sodio y el cloro para la formacin del cloruro de sodio, mientras el sodio se oxida el cloro se reduce.

2Na(s) + Cl2(g) 2NaCl(s)

Na - 1 e- Na1+ se oxida (semireaccin de oxidacin) Cl + 1 e- Cl1- se reduce (semireaccin de reduccin)

Balanceo de reacciones por el mtodo de oxido-reduccin Generalmente para llevar a cabo el estudio de algunos fenmenos qumicos necesitamos balancear una reaccin (cumplir con la ley de la conservacin de materia). El mtodo de balanceo de ecuaciones por el nmero de oxidacin es el ms utilizado para balancear ecuaciones, por ejemplo para balancear la siguiente reaccin:

KClO3 KCl + O2 (reaccin no balanceada) Primero debemos identificar las sustancias que se oxidan y reducen, mediante un anlisis de los cambios de nmeros de oxidacin.

1+ 5+ 2 1+ 1 0

KCl O3 KCl + O2

O 2- - 2 e- O 0 semireaccin de oxidacin

Cl

5+ + 6 e- Cl 1- semireaccin de reduccin

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El oxgeno aumenta su nmero de oxidacin de 2- a 0, por lo tanto pierde 2 e y el cloro disminuye su nmero de oxidacin de 5+ a 1- , o sea gana 6 e, por lo tanto el oxgeno se oxida y el cloro se reduce.

Oxidacin, prdida de electrones en un tomo

5 4 3 2 1 0 1+ 2+ 3+ 4+ 5+ 6+ 7+ Reduccin, ganancia de electrones en un tomo Como se dijo anteriormente, el nmero de electrones involucrados en las reacciones de oxidacin y reduccin son el mismo, por lo tanto habr que igualar este nmero en las semireacciones planteadas, en este caso la semireaccin de oxidacin se multiplica por tres.

( O 2- - 2 e- O 0 ) 3 semireaccin de oxidacin

Cl

5+ + 6 e- Cl 1- semireaccin de reduccin

Resultando de esta manera:

3 O 2- - 6 e- 3 O 0 semireaccin de oxidacin

Cl

5+ + 6 e- Cl 1- semireaccin de reduccin

Ambas semireacciones se suman resultando:

3 O 2- - 6 e- 3 O 0 semireaccin de oxidacin

Cl

5+ + 6 e- Cl 1- semireaccin de reduccin

___________________________________________________

3 O 2- + 1 Cl

5+ 3 O 0 + 1 Cl 1- suma de semireacciones

Ahora los coeficientes se sustituyen en las frmulas de la reaccin inicial:

1 KClO3 1 KCl + 3 O2

Como podrs observar, al colocar el coeficiente 3 al oxgeno se duplica su nmero (6 tomos de oxgeno) por lo que habr que multiplicar los coeficientes de las otras sustancias por dos, resultando ahora:

2 KClO3 2 KCl + 3 O2

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Finalmente la ecuacin esta balanceada, lo cual se puede comprobar analizando el nmero de tomos de cada elemento presentes en reactivos y productos:

2 KClO3 2 KCl + 3 O2 reactivos productos

Elementos presentes

Nmero de tomos en reactivos

Nmero de tomos en productos

K 2 2 Cl 2 2 O 6 6

En muchas reacciones, las frmulas de los compuestos no involucrados en las semireacciones de oxidacin y reduccin se deben terminar de balancear algebraicamente. Nota importante: Recuerda que las frmulas de los compuestos no se pueden modificar, lo nico que puede variar en una ecuacin son los coeficientes. Ejercicio

21. Balancea las siguientes ecuaciones por el mtodo de oxidacin.reduccin:

A) KMnO4 + FeO K2O + MnO + Fe2O3

B) H2 + Br2 HBr

C) FeCl2 + H2O2 + HCl FeCl3 + H2O

D) Fe + O2 Fe2O3

E) HNO3 + H2S H2O + NO + S

F) KMnO4 + FeSO4 + H2SO4 MnSO4 + K2SO4 + Fe2(SO4)3 + H2O

1.2.2. Celdas electroqumicas Una celda electroqumica est constituida bsicamente por dos piezas metlicas, llamadas electrodos, y una disolucin que contiene iones, denominada electrlito. Al electrodo positivo se llama nodo y al negativo se llama ctodo. Cuando se sumerge una lmina de metal en una disolucin que contiene un electrlito, sta adquiere un potencial qumico. El Potencial qumico es la capacidad de reaccionar de una especie dada y depende de su constitucin qumica. Se mide tomando como referencia al electrodo de hidrgeno, al que se le confiere por convencin un potencial qumico de cero. Por convencin se acostumbra emplear los valores de potenciales qumicos en reacciones de reduccin. La reaccin de reduccin del electrodo de hidrgeno es la siguiente:

2H+ + 2e- H2 E = 0.0 V

Cada sustancia tiene un potencial qumico diferente.

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Un par redox es un cociente formado por la especie en su forma oxidada entre la especie en forma reducida, por ejemplo Fe2+/Fe0; Fe3+/Fe2+ Todo par redox que tenga mayor tendencia a reducirse que los iones H+ tendr un potencial de reduccin E > 0 ; consecuentemente el par que tenga menor tendencia a reducirse que los iones H+ tendr un potencial de reduccin E< 0 En la celda electroqumica ocurren simultneamente dos reacciones caractersticas: la oxidacin en el nodo y la reduccin en el ctodo, cada una de ellas ocurre en un compartimiento separado, se llaman medias celdas o semiceldas y las reacciones que se llevan a cabo en cada una de ellas se llaman semireacciones. La celda electroqumica puede actuar de dos maneras diferentes:

Como celda voltaica, cuando en la celda se produce una corriente elctrica o fuerza electromotriz (f.e.m.), debida a la diferencia de potencial elctrico que existe entre sus dos electrodos, en este caso la reaccin es espontnea, G pila = > 0, tambin es conocida como pila elctrica. Ejemplos: las pilas comerciales que se utilizan para que funcione un reloj digital, una lmpara sorda, un radio, sin necesidad de conectarlos a la corriente elctrica.

Como celda electroltica o galvnica, cuando a la celda se tiene que aplicar una f.e.m. externa para producir cambios qumicos, la reaccin no es espontnea, G pila = < 0, por ejemplo: en la electrlisis del agua se producen hidrgeno y oxgeno, en la purificacin del cobre de una disolucin de CuSO4, en la obtencin de Al por electrlisis de la bauxita, en la obtencin de sodio a partir de electrlisis del NaCl fundido.

Cuando se conectan varias pilas adosadas lateralmente en serie para aumentar su voltaje se forma una batera

La pila de Daniell es un ejemplo de celda electroqumica.

Voltmetro

Ctodo de cobre

nodo de zinc

Taponesde algodn

Puente salino

e e

Disolucin de ZnSO4 Disolucin de CuSO4

SO2-4Zn2+

Cu2+

SO2-4

Cl - K +

Pila de Daniell

Consta de 2 semiceldas, una con electrodo de cobre en una disolucin de sulfato de cobre II y otra con electrodo de Zn sumergido en una disolucin de sulfato de zinc. Estn unidas mediante un puente salino que evita que se acumulen cargas del mismo signo en cada semicelda. Entre los electrodos se genera una diferencia de potencial que se puede medir con un voltmetro.

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La representacin esquemtica de la pila es la siguiente: NODO PUENTE SALINO CTODO

Zn(s) | ZnSO4(aq) CuSO4 (aq) | Cu(s) Por convencin para escribir la representacin esquemtica de las pilas, se escribe primero el par de especies que forman el nodo: Zn(s) | ZnSO4(aq) separadas por una barra vertical | que indica la separacin de la fase slida del electrodo y lquida del ZnSO4(aq); a continuacin se escribe una doble barra que indica que existe un puente salino y por ltimo las especies del ctodo, con sus fases separadas por una barra vertical, en el orden que aparecen en la celda: CuSO4 (aq) | Cu(s) . 1.2.3 Potenciales estndar de reduccin El potencial estndar de un electrodo es la diferencia de potencial medida en una pila formada por el par de ese electrodo y el electrodo de hidrgeno; sus valores se encuentran en tablas. Las pilas producen una diferencia de potencial o f.e.m (fuerza electromotriz) que se calcula mediante diferencia entre los potenciales de reduccin de los dos electrodos, segn la ecuacin:

Eopila = Eored. ctodo - Eored. nodo

En general, podemos decir que para calcular la f.e.m. de una pila se restan los potenciales de las semirreacciones de reduccin y de oxidacin. Ejemplos:

a) Calcula el potencial estndar que se obtiene de la celda Mg|Mg2+ || Cu+|Cu, a partir

de los siguientes valores de potenciales estndar de reduccin.

Mg2+(aq) + 2 e- Mg(s) E0 = -2.37 V Cu+(aq) + e-- Cu (s) E0 = 0.52 V

Epila = Eo ctodo - Eo nodo

Epila = 0.52 (-2.37) = 2.89 V

b) Calcula el valor del potencial estndar que se obtiene de la celda Li|Li+ ||Cu2+|Cu, a partir de sus valores de potenciales estndar de reduccin. Epila = Eo ctodo - Eo nodo E = 0.34 (-3.05) = 3.39 V

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Ejercicios

22. Calcula el valor del potencial estndar que se obtiene de la celda Mn | Mn2+ || Fe3+ |Fe2+ a partir de los siguientes valores de potenciales estndar de reduccin.

Mn2+(aq) + 2 e- Mn(s) E0 = -1.18 V Fe3+ (aq) + e-- Fe2+ (s) E0 = 0.77 V A) 0.41 V B) 1.95 V C) 1.95 V D) 1.59 V

23. Calcula el valor del potencial estndar que se obtiene de la celda Cr| Cr3+ ||Sn2+| Sn a partir de los siguientes valores de potenciales estndar de reduccin:

Cr3+(aq) + 3 e- Cr(s) E0 = -0.74 V Sn2+(aq) + 2 e-- Sn (s) E0 = -0.14 V

A) 0.60 V B) 0.88 V C) 0.88 V D) 0.60 V

24. Calcula el valor del potencial estndar que se obtiene de la celda Cu|Cu2+ || Ag+|Ag

a partir de los siguientes valores de potenciales estndar de reduccin

Cu2+ (aq) + 2 e- Cu(s) E0 = 0.34 V Ag+ (aq) + e-- Ag (s) E0 = 0.80 V

A) 1.14 V B) 1.14 V C) 1.48 V D) 0.46 V

Baterias y acumuladores

Las pilas y las bateras son celdas voltaicas generadoras de electricidad, pueden ser de varios tipos segn su uso.

Las pilas secas estn constituidas por un recipiente de zinc el que funciona como nodo, y un ctodo formado por una varilla de grafito colocada en el centro de la pila conectada por un lado con el zinc y por el otro con una pasta hmeda de MnO2 slido, carbn en polvo y NH4Cl si es cida; si es alcalina KOH o NaOH. Las pilas alcalinas, tienen mayor duracin porque el zinc se oxida lentamente en medio bsico. Tambin existen otras pilas alcalinas como las de nquel-cadmio o de de zinc-mercurio que son ms compactas y de mayor duracin. Las bateras tambin llamadas acumuladores, es un dispositivo que almacena energa elctrica mediante procesos electroqumicos y posteriormente la devuelve; este ciclo puede repetirse muchas veces. Se llama generador elctrico secundario, porque no puede funcionar sin que se le haya suministrado previamente electricidad mediante un proceso de carga. Tambin se le llama batera porque tiene conectadas varias pilas en serie para aumentar el voltaje suministrado.

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Los acumuladores de plomo empleados en los automviles estn formados por seis celdas iguales que se conectan en serie. Cada celda proporciona 2V, por lo que el conjunto de los 6 elementos en serie producen los 12 V que necesitan los automviles para funcionar.

1.2.4. Corrosin de metales, un proceso espontneo

Gran parte del ingreso de cada nacin se invierte en reparar las estructuras afectadas por la corrosin: las partes metlicas de los automviles, las estructuras de los puentes, las tuberas por las que circula el petrleo y el gas natural

La corrosin es un proceso espontneo de xido-reduccin en el que se forman xidos, sulfuros, carbonatos, etc., mediante un proceso parecido al que ocurre en el nodo de las celdas galvnicas.

Para que se produzca la corrosin es necesario que se presenten en el metal sujeto a corrosin una zona andica que es la que sufre la corrosin, una zona catdica y un electrolito. La corrosin se presenta siempre que exista una buena unin elctrica entre zonas andicas y catdicas habiendo una diferencia de potencial entre ambas.

La corrosin afecta a muchos metales, sin embargo, la que ms conocemos es la del hierro debido a que hay muchas tuberas y estructuras construidas de este metal, la oxidacin del hierro tambin conocida como herrumbre u orn del hierro es un ejemplo de la corrosin de este metal.

El acero inoxidable es una aleacin de hierro, nquel y cromo. No se oxida debido a sus altos contenidos de cromo y de nquel, se forma naturalmente sobre su superficie una finsima pelcula insoluble muy adherente de xidos de cromo y de nquel que lo protegen de la oxidacin, por lo que este acero es muy usado en la industria y la vida diaria. El aluminio y el zinc cuando estn expuestos al aire, se protegen de la corrosin recubrindose de una capa insoluble, finsima y adherente de Al2O3 o de ZnO respectivamente.

Las superficies de cobre se recubren de una ptina protectora de color verde de CuCO3, debido a la reaccin entre el xido de cobre formado en su superficie con el CO2 atmosfrico. Hay algunos metales que son resistentes a la accin de los medios corrosivos, por ejemplo el oro y el platino, que no se oxidan fcilmente por lo que se les llama metales nobles.

1.2.5 Prevencin de la corrosin

La corrosin ms frecuente es de naturaleza electroqumica y es el resultado de la formacin sobre la superficie metlica de una multitud de zonas andicas y catdicas debido a tratamientos trmicos o golpes o troquelados en presencia de un medio acuoso, cuando no existe este medio como tal el agua condensada de la atmsfera funge como electrolito que generalmente se presenta en los casos de que el metal no est sumergido o enterrado. Esta corrosin es sumamente peligrosa, no por la prdida de metal en s, que suele ser pequea, sino por tratarse de una corrosin localizada que puede dar origen a picaduras profundas.

El proceso de corrosin est favorecido por el contacto de la superficie de los metales con el agua, aire, cidos, disoluciones salinas. La primera consecuencia es la prdida del brillo debida a un recubrimiento de xido que puede ir en aumento hasta la destruccin completa del metal.

30

Proteccin catdica

Para prevenir la corrosin, principalmente en tuberas de hierro, se efecta la proteccin catdica, que consiste en soldar a la tubera de hierro a un nodo de magnesio o de zinc, que son metales muy activos capaces de formar una pila con el Fe y evitar que ste se oxide, ya que el elemento que se oxida es el magnesio o en su caso, el zinc, por lo que a estos metales se les llama nodos de sacrificio.

Para evitar la corrosin se emplean tratamientos metlicos como el fosfatizado, galvanizado (recubrimiento de zinc sobre acero), pasivado (tratamiento con una disolucin de cido crmico) o pintado. Cuando se presenta una abolladura o raspadura en una superficie pintada que se fosfatiz previamente, la capa de fosfato formada impide que la corrosin penetre y avance por debajo de la pintura.

Ejercicios:

25. El electrodo en el que se efecta la oxidacin se llama A) ctodo B) nodo C) de referencia D) estndar

26. En una misma superficie metlica se origina una corriente elctrica debido a que una regin del metal que se oxida y otra acta como A) ctodo perdiendo electrones y en otra zona el O2 los gana B) ctodo ganando electrones y en otra zona el O2 los pierde C) nodo perdiendo electrones y en otra zona el O2 los gana D) nodo ganando electrones y en otra zona el O2 los pierde

27. El aluminio no se corroe debido a que A) el proceso de oxidacin es muy lento B) no reacciona con el O2 C) requiere la presencia de un catalizador D) con el O2 forma una capa insoluble de Al2O3

28. El cobre expuesto a la atmsfera forma una capa de color A) negro de CuO B) verde de CuCO3 C) azul de CuS D) azul de CuSO4

29. El acero inoxidable est protegido contra la corrosin por la formacin de una capa de: A) xido de hierro B) xido de carbono C) xidos de cromo y nquel D) nquel metlico

30. La proteccin catdica se obtiene cuando se usa un metal A) ms activo como nodo de sacrificio

B) menos activo como ctodo de sacrificio C) ms activo como ctodo de sacrificio D) menos activo como nodo de sacrificio

Bibliografa

1. vila, J., Genesc, J. (2002) Ms all de la herrumbre. La ciencia para todos, 3 ed., Ed. Fondo de Cultura Econmica, Mxico.

2. Chang, R. (2003) Qumica, 7ma. Ed., Ed. Mc Graw Hill, Mxico. 3. Hein.M., Arena, S. (2001) Fundamentos de qumica, 10 ed., Ed. Thompson, Mxico. 4. Kotz, J., Treichel, P. (2003) Qumica y reactividad qumica, 5 ed., Ed. Thomson, Mxico. 5. Phillips, J., Strozak, V. (2001) Qumica conceptos y aplicaciones, Ed. Mc Graw Hill, Mxico. 6. Rosales, G., E. (2005) Qumica para bachillerato 1, Ed. Limusa, Mxico. 7. Zumdahl, S. (2007) Fundamentos de Qumica, 5 ed., Ed. Mc Graw Hill, Mxico.

31

Cuestionario de autoevaluacin UNIDAD I. LA ENERGA Y LAS REACCIONES QUMICAS

1. Cuando en un sistema se lleva a cabo un proceso de expansin y enfriamiento, los signos de q y w son respectivamente: A) (+), (-) B) (-), (-) C) (+), (+) D) (-), (+) 2. Una reaccin endotrmica hace que la energa interna de un sistema: A) no cambie B) disminuya C) se equilibre D) aumente 3. El H de una reaccin de combustin siempre es: A) positivo B) endotrmico C) negativo D) cero 4. El valor de H para la siguiente reaccin, utilizando entalpa de enlace,

H2(g) + F2(g) 2HF(g) es:

A) -538 kJ B) +538 kJ C) -1714 kJ D) +1714 kJ 5. Para la reaccin de combustin del etano (C2H6)

C2H6(g) + 7/2O2(g) 2CO2 (g) + 3H2O (l) El cambio de entalpa estndar (Hr), el cambio de la energa libre estndar (G r) y el

tipo de reaccin (espontnea y no espontnea) y (exotrmica o endotrmica) son respectivamente:

A) -1560 kJ, +1533.3 kJ, reaccin espontnea y endotrmica B) +1560 kJ, +1467.5 kJ, reaccin no espontnea, reaccin endotrmica C) -1560 kJ, -1533.3 kJ reaccin espontnea, reaccin exotrmica D) -1560 kJ, -1467.5 kJ, reaccin espontnea, reaccin exotrmica

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UNIDAD 1 LA ENERGA Y LAS REACCIONES QUMICAS Respuestas a los ejercicios

1. D 2. C 3. B 4. C 5. A 6. B 7. C 8. D 9. A 10. A 11. A 12. C 13. (-393.5 kJ) + (-572 kJ) + (+890 kJ) = -75.5 kJ 14. B 15. A 16. A 17. D

18. Gsistema = +130.2 kJ, reaccin no espontnea 19. a) Cl7+ b) N5+ c)C4+

d)Cr6+ e)S6+

20. A

21. a) 2,10,1,2,5 b) 1,1,2

c) 2,1,2,2,2 d) 4,3,2

e) 2,3,4,2,3 f) 2,10,8,2,1,5,8

22. C 23. A 24. D 25. A 26. C 27. D 28. A 29. C 30. A

Respuesta a la autoevaluacin 1. B 2. D 3. C 4. A 5. D

33

SEGUNDA UNIDAD RAPIDEZ Y EQUILIBRIO DE LAS REACCIONES QUMICAS

INTRODUCCIN En esta unidad se estudian, desde un punto de vista diferente, la naturaleza las reacciones, esta perspectiva se refiere, por un lado, a la rapidez con que se llevan a cabo dichas reacciones y de los factores que pueden afectarla, y por otro, el equilibrio qumico que sucede en las reacciones reversibles. Por ejemplo, hay algunas reacciones que deben tardar mucho para realizarse, como es el caso de la descomposicin de alimentos y si no llega a ser as el hombre se encarga de que se retarde lo ms posible adicionando sustancias que cumplen tal objetivo. Algunas otras reacciones, por cuestiones econmicas, deben ser lo ms rpidas posibles; por ejemplo las que suceden en algunos procesos industriales, ya que se requiere tener productos a la venta en el menor tiempo con la mayor de las ganancias. El estudio del tema de equilibrio qumico aporta las bases necesarias para entender la ionizacin que sucede en el agua y sus disoluciones con cidos y bases, para al final comprender el concepto de pH.

Las reacciones qumicas

del tipo y se pueden explicar con

reversibles el tiempo la Teora de

las colisiones

y en el que cambian llegan al

la cintica qumica

las concentraciones equilibrio qumico

rapidez de las reacciones

es decir, estudia la los estudia

de donde la

y los un ejemplo son

las reacciones cido-base

factores que afectan

Kc reactivos y productos

donde se calculan

se analizan con

indica de

la cual se afecta por: la abundancia

el principio de Le Chateler

Concentracin de H+ y pH

- la concentracin - la temperatura - la superficie de

contacto - los catalizadores

34

SEGUNDA UNIDAD RAPIDEZ Y EQUILIBRIO DE LAS REACCIONES QUMICAS

PROPSITOS

1. Adquirir el concepto de rapidez de reaccin

2. Identificar los principales factores que determinan la rapidez de una reaccin

3. Reconocer el significado de equilibrio qumico y relacionarlo con la tendencia de los reactivos a convertirse en productos

4. Identificar las diferencias entre cidos y bases fuertes y dbiles, con base en su

grado de disociacin

5. Determinar experimentalmente el pH de diversas disoluciones y relacionarlo con su carcter cido, bsico o neutro.

2.1. RAPIDEZ DE LA REACCIN QUMICA 2.1.1. Concepto de rapidez de reaccin. La rapidez de reaccin qumica se define como el cambio de concentracin de una sustancia, ya sea del reactivo o producto, por unidad de tiempo, es decir, se considera el tiempo necesario para que el reactivo se convierta en producto. La cintica qumica es una parte de la qumica que se encarga de estudiar la rapidez con la que ocurren las reacciones qumicas, as como de los factores que afectan dicha rapidez. 2.1.2. Explicar la teora de las colisiones. Para comprender desde el punto de vista submicroscpico, cmo es que una reaccin se lleva a cabo, es importante basarse en lo que se conoce como Teora de colisiones, en ella se considera a las partculas, ya sean tomos, molculas o iones, como pequeas esferas slidas movindose de manera totalmente aleatoria. Adems, esta teora, contempla que deben cumplirse tres condiciones para que las reacciones ocurran:

1. Las molculas, tomos o iones de los reactivos deben chocar entre s.

2. Los choques entre las molculas, tomos o iones deben de ser con suficiente energa.

3. Para que exista un reordenamiento en los tomos de las molculas, tomos o iones de los reactivos, estos deben chocar con una orientacin determinada (orientacin correcta) para as formar un complejo activado, consecuencia de lo que se conoce como estado de transicin, que es un paso previo a la obtencin de los productos.

35

Estas condiciones se pueden explicar en el siguiente anlisis de la reaccin entre el hidrgeno (H2) y el Yodo (I2), ambas sustancias gaseosas:

H2 (g) + I2 (g) 2HI (g) En primer lugar las molculas de ambas sustancias chocan entre s, pero deben hacerlo de manera efectiva, es decir con la suficiente energa y orientacin correcta para que la reaccin pueda llevarse a cabo. Observa en la siguiente figura como en el caso (a) el choque entre el hidrgeno y el yodo es efectivo, consecuentemente se pudo obtener yoduro de hidrgeno como el producto de la reaccin qumica. En el caso (b) sucedi lo contrario ya que el choque no es efectivo y por lo tanto no hay reaccin. En los recuadros centrales se representa el estado de transicin donde se forma el complejo activado que finalmente da lugar al reordenamiento de los tomos (los productos).

Figura 1. Representacin de las colisiones efectivas y no efectivas en la reaccin

qumica entre el hidrgeno y el yodo. (Tomada de: www.colegioheidelberg.com/deps/fisicaquimica/...)

2.1.3. Energa de activacin. Siguiendo con el ejemplo anterior, para que la reaccin entre el hidrgeno y el yodo ocurra adecuadamente es necesario que contengan la energa mnima necesaria, semejante a una barrera energtica, que requieren para transformarse en yoduro de hidrgeno. Esta energa mnima necesaria para que los reactivos se transformen en productos, por medio de choques efectivos (con orientaciones correctas), recibe el nombre de energa de activacin, Ea. 2.1.4. Perfil de energa. En una grfica de energa vs tiempo en que ocurre una reaccin qumica, la energa de activacin (Ea) es la diferencia de valores de energa de los reactivos y de la mxima energa (la parte ms alta del diagrama) que se requiere para que los tomos de las molculas sean reordenados. Este reordenamiento se presenta en el estado de transicin donde se forma el complejo activado, en el cual los enlaces entre los tomos de las molculas de los reactivos se rompen para formar nuevos enlaces, se forman nuevas molculas que constituyen a los productos de la reaccin.

36

Recuerda que para romper enlaces, el sistema debe absorber energa, y cuando se forman nuevos enlaces se libera energa. Para evidenciar que la reaccin qumica sucedi, las cantidades de energa absorbida y liberada son diferentes

Figura 2. Diagrama de energa vs tiempo. Se aade energa a la reaccin (energa de

activacin) para iniciar el proceso. (Tomada de: www.deciencias.net/.../reacciones/energia.htm) 2.1.5 Reconocer los principales factores que afectan la rapidez de una reaccin: La rapidez con la que ocurre una reaccin qumica depende de varios factores:

1. Concentracin de reactivos 2. Temperatura 3. Superficie de contacto 4. Catalizadores

1. Cuando incrementamos la concentracin de reactivos en una reaccin se observa con facilidad que las reacciones se aceleran. A mayor concentracin mayor nmero de partculas (molculas, iones o tomos) por unidad de volumen, hay por lo tanto ms colisiones y mas eventos de reaccin.

2. Al incrementar la temperatura la rapidez de las reacciones tambin es acelerada esto se debe a que el movimiento de las partculas se incrementa con la temperatura. Por lo tanto, a temperaturas altas las colisiones promedio son ms enrgicas, aumentando la probabilidad de rompimiento de enlaces; dando lugar al reordenamiento atmico para el desarrollo de la reaccin.

3. Si aumentamos la superficie de contacto, aumentamos la rapidez de reaccin, ya que tenemos ms lugares por donde se lleven a cabo mas choques efectivos.

4. Los catalizadores son sustancias que pueden acelerar o retardar (inhibidores) el curso de una reaccin, sin que sean partcipes de ella, es decir, su naturaleza no cambia durante el proceso qumico. Los catalizadores modifican la Ea de una reaccin determinada. Si el propsito es acelerar la reaccin, el catalizador hace que la Ea sea menor (fig. 3); pero si lo que se quiere es retardarla, se utiliza un inhibidor, ste aumentar la Ea.

37

.

Figura 3. Diagrama de energa en una reaccin exotrmica. Con catalizadores, la energa de

activacin disminuye para iniciar el proceso. La presencia de un catalizador disminuye la energa de activacin, pero no cambia la energa de los reactivos (inicial) ni la de los productos (final). Ejercicios. 1. Elabora un diagrama en el que se explique la teora de las colisiones y en el cual utilices crculos como modelo para representar a las molculas y los tomos. 2. Completa las frases con las palabras que a continuacin se presentan.

Activacin Cintica Colisiones

Energa Estado Mayor

Molculas Nmero Qumica

Reaccin Temperatura Transicin

a. La _____________ _______________ estudia la rapidez con que ocurren las reacciones qumicas. b. La energa mnima necesaria para que ocurra una reaccin es llamada energa de _______________. c. Cuando las ___________ chocan entre si para romper y formar enlaces se dice que se ha alcanzado un ____________ de __________________. d. La _____________________ es un factor que afecta la rapidez de una _____________ ya que incrementa la _____________ cintica de las molculas y por lo tanto el ______________ de ___________ entre ellas es ____________.

Energa de activacin

Energa de activacin con catalizador

Energa neta liberada Por la reaccin

Energa de productos

Energa de reactivos

E n e r g a p o t e n c i a l

Progreso de la reaccin

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2.2. EQUILIBRIO QUMICO. 2.2.1. Descripcin de equilibrio qumico. En qumica definimos al equilibrio qumico como el balance exacto entre dos procesos, uno de los cuales es opuesto al otro1Cuando ocurre una reaccin qumica, los reactivos se van transformando en productos en determinado tiempo, una vez que ha transcurrido el curso de la reaccin y todos los cambios se han dado en su totalidad, la concentracin de todas las sustancias (reactivos y productos) permanece constante.

.

Aunque aparentemente ya no ocurran cambios en el proceso, a nivel molecular la reaccin contina realizndose en sentido contrario (proceso reversible), es decir en ese punto conocido como equilibrio, la reaccin en un sentido (formacin de productos), se sigue dando al igual que en el sentido contrario (formacin de reactivos), sin que haya una modificacin en la concentracin de todas las sustancias, permaneciendo constantes (ojo, no son iguales, la concentracin de cada una de ellas depende de la estequiometria de la reaccin). Cuando en una reaccin reversible se favorece la formacin de los productos, la reaccin se desplaza hacia la derecha, cuando se favorece la formacin de los reactivos, la reaccin se desplaza hacia la izquierda. Si el cambio se lleva acabo a la misma rapidez, se dice que el proceso est en Equilibrio Qumico. 2.2.2. Descripcin de reversibilidad de una reaccin. Como se mencion antes, el que los productos de una reaccin interacten entre s para volver a formar los reactivos, ocasiona que tal reaccin sea considerada un proceso reversible (ya que se realiza en ambos sentidos, de izquierda a derecha y de derecha a izquierda). Cuando un sistema alcanza un estado de equilibrio qumico la rapidez, con que la reaccin se produce en un sentido y en el otro, es la misma. La reversibilidad de una reaccin se simboliza con una doble flecha ( ). Por ejemplo, si una disolucin que contiene iones de plomo (Pb2+) se hace reaccionar con otra que contiene iones cloruro (Cl-), formar un precipitado blanco de cloruro de plomo II. Cuando el cloruro de plomo II es calentado, el proceso se efecta en el sentido contrario, es decir, se separa en los iones que lo constituyen, iones Pb2+ y Cl-. Ambas reacciones muestran la reversibilidad de la reaccin.

De manera independiente las ecuaciones de cada reaccin son:

Pb2+(ac) + 2Cl-(ac) PbCl2(s)

PbCl2(s) Pb2+(ac) + 2Cl-(ac) Y la reaccin completa:

Pb2+(ac) + 2Cl-(ac) PbCl2(s)

1 Zumdahl, S., (2007) Fundamentos de Qumica, Ed. Mc Graw Hill, 5a ed.,Mxico, p.487.

39

2.2.3. Expresar la constante de equilibrio de algunas reacciones. El equilibrio qumico y reversibilidad de las reacciones son descritos por la Ley del equilibrio qumico, inicialmente llamada Ley de accin de masas. Si de manera general se ejemplifica una reaccin reversible como sigue:

aA + bB cC + dD

coeficientes

reactivos productos

Entonces las sustancias qumicas se representan con A y B (reactivos), C y D (productos) y los coeficientes estequiomtricos son a, b, c y d; la expresin de equilibrio se representa mediante la constante de equilibrio (Kc), el valor de esta constante depende de la temperatura, a una misma temperatura el valor siempre ser el mismo.

[ ] [ ][ ] [ ]

c d

a b

C DKc

A B=

Los corchetes indican la concentracin de cada una de las sustancias en el equilibrio, en unidades de mol/L . Si un slido puro o un lquido puro participan en un equilibrio qumico heterogneo, su concentracin no se incluye en la expresin de la constante de equilibrio, ya que sus concentraciones son constantes. Determinar la direccin de una reaccin a partir del valor de la constante de equilibrio. Cuando Kc > 1, la reaccin es favorecida hacia los productos, es decir, las concentraciones en el equilibrio de los productos son mayores que las concentraciones en el equilibrio de los reactivos. Cuando Kc < 1, la reaccin es favorecida hacia los reactivos, es decir, las concentraciones en el equilibrio de los reactivos son mayores que las concentraciones en el equilibrio de los productos. Cuando Kc = 1, la reaccin no es favorecida hacia algn lado de la reaccin, es decir, las concentraciones en el equilibrio de los reactivos son iguales que las concentraciones en el equilibrio de los productos. Ejemplos: A)

NO(g) + O3(g) NO2(g) + O2(g)

[ ][ ][ ][ ]

2 2 34

3

NO O = 6 x 10

NO OKc = (a 25C)

40

Kc >1, por lo tanto la concentracin de los productos NO2 y O2 en el equilibrio es mucho mayor que la concentracin de los reactivos NO y O3, decimos entonces que la reaccin es favorecida hacia los productos. B)

AgCl(s) Ag+(ac) + Cl-(ac)

[ ]

+ --10

Ag Cl = 1.8 x 10

AgClKc

=

Kc

41

2.2.5. Enunciar los conceptos cido-base de Brnsted-Lowry. En 1923, los cientficos J. Brnsted y M Lowry sugieren un nuevo concepto sobre el comportamiento de los cidos y las bases, coincidiendo en la propuesta de que un cido es cualquier sustancia capaz de donar un protn (H+) a cualquier otra sustancia. Una base es aquella capaz de aceptar un protn (H+) de cualquier otra sustancia. De tal manera que el cido y la base pueden ser tanto sustancias constituidas por molculas, como por cationes o aniones. cidos y bases (fuertes y dbiles). Un cido o base fuerte, tambin llamados electrolitos fuertes, son aquellos que en disolucin presentan un alto grado de disociacin, por lo tanto su Kc > 1, de lo contrario cuando es poca la disociacin hablaremos de un cido o base dbil (o electrolito dbil) y su Kc ser < 1. Expresar la constante de ionizacin del agua. Entre las diferentes propiedades del agua, su poder anfotrico es una muy importante. Es una sustancia capaz de comportarse como un cido o como una base, segn Brnsted-Lowry. Cuando se encuentra reaccionando con cidos funciona como base, en virtud de que acepta un protn del cido, por lo que forma el in hidronio (H3O+) y cuando est con una base su comportamiento es el de un cido, pues dona un protn. El agua es un electrolito dbil, por lo tanto presenta baja ionizacin.

H2O + H2O H3O+ + OH-

cido base cido conjugado

base conjugada

As tenemos que la constante de equilibrio de la ionizacin del agua es:

[ ]

+ -3

2

H O OHH O

Kc =

Considerando la manera simplificada de la reaccin:

H2O(l) OH-(ac) + H

+(ac)

y sabiendo que la concentracin del agua (55mol/L) prcticamente permanece constante gracias a su bajo grado de ionizacin, ya que el valor de Kc es de 1.8 x 10-16, tenemos que:

2

+ -H O = H OHKc Kw = = 1.0 x 10 -14

En donde Kw es la constante del producto inico. La constante del producto inico se define como el producto de la concentracin molar de los iones H+ y OH- a una temperatura dada.

42

Si se tiene agua pura a 25C las concentraciones de los iones H+ y OH- siempre sern las mismas, entonces:

[H+] = 1.0 x 10 -7 mol/L y [OH-] = 1.0 x 10 -7 mol/L. Ya que Kw = 1.0 x 10 -14 Por lo tanto

+ - -14= H OH 1.0 x 10Kw = Independientemente si se trata de una disolucin acuosa o agua pura, la constante de ionizacin a 25C tendr el valor de 1.0 x 10 -14. La importancia de conocer el valor de la constante del producto inico o ionizacin del agua (Kw), radica en el hecho de que si variamos la concentracin de alguno de los iones la concentracin del otro cambia, dando lugar a una disolucin cida o bsica, segn el caso:

+ -H OH = La disolucin es neutra

+ -H OH > La disolucin es cida

+ -H OH +H por lo tanto la disolucin es bsica.

2) Calcular -OH en una disolucin que se encuentra a 25C y cuyo valor de +H es de

10.0 mol/L e indica si la disolucin es cida, bsica o neutra. a) Partimos de lo que se conoce:

+H = 10.0 mol/L Kw = 1.0 x 10 -14

-OH = ?

b) Si sabemos que + - -14= H OH 1.0 x 10Kw =

Entonces despejamos -

+OH =

HKw

c) Sustituyendo los valores -14

+ 1.0 x 10 H = 10.0

Obtenemos que la concentracin de iones OH- es de 1.0 x 10-15 mol/L

Como 10.0 mol/L es mayor que 1.0 x 10-15 mol/L entonces +H >-OH por lo tanto la

disolucin es cida.

43

Concepto de pH. Cuando hablamos de pH nuestra mente lo relaciona con el grado de acidez o basicidad de una disolucin, el pH es una manera ms fcil de indicar la concentracin de iones H+ de una disolucin y va de 0 hasta 14, forma sencilla de expresar la concentracin de 1 x 100 a 1 x 10-14 mol/L, con base en esta descripcin tenemos tambin que mencionar el pOH, que indica entonces la concentracin de iones hidroxilo (OH-) en dichas disoluciones. La mejor manera de relacionar la concentracin con el valor de pH es utilizando los logaritmos de base 10 (recordemos que un logaritmo es el exponente al que hay que elevar la base, en este caso base 10, para obtener el nmero en cuestin). Como la concentracin de iones H+ es muy pequea, la escala de pH es una manera prctica de representar la acidez o basicidad de las disoluciones. Por ejemplo si se tiene una disolucin cuya concentracin de H+ es 0.000001 mol/L, ser prctico enunciarla como 1 x 10-6 mol/L, pero ms prctico todava es si ahora aplicamos el concepto de logaritmo, tenemos que el exponente al que hay que elevar la base diez para obtener el nmero 0.000001 es -6, entonces el logaritmo ser este nmero; sin embargo an falta un detalle, para que no se manejen nmeros negativos, a este exponente le cambiamos el signo multiplicndolo por -1, es decir, el nmero a manejar es 6. As el pH se define como:

pH = - Log [H+] A medida que la concentracin de los iones H+disminuyen el pH aumenta, y la concentracin de iones OH- aumenta, pero si la concentracin de los iones H+aumenta el efecto ser el contrario. Cada unidad que el pH aumenta o disminuye indica que la concentracin de iones H+ disminuye o aumenta en un factor de diez la concentracin de los iones H+. Ejemplo: Una disolucin con pH de 3 respecto a una de pH = 4, la disolucin de pH = 3 est diez veces ms concentrada que la disolucin con pH = 4, pequeos cambios de pH implican grandes cambios en la concentracin de iones H+. Hablando de -OH , si se tiene una disolucin con pH = 10 y otra de pH = 11, la disolucin de pH = 11 tiene diez veces mas la cantidad de iones OH- que la de pH = 10. Una disolucin neutra, de pH = 7, tendr la misma concentracin de iones H+ y OH- .

100 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7 10-8 10-9 10-10 10-11 10-12 10-13 10-14

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Acidez Basicidad Neutro Aumenta Aumenta

[H+]

pH

44

Ejemplo: Calcula el valor de pH para cada una de las siguientes disoluciones a 25C.

a) Disolucin con [H+] = 1.0 x 10-4 mol/L Si pH = -Log [H+], entonces pH = -Log(1.0 x 10-4) = 4 El pH de una disolucin 1.0 x 10-4 mol/L es 4.

b) Una disolucin con [OH-] = 1 x 10-5 mol/L En este caso se conoce la [OH-]. Por lo tanto hay que calcular primero la [H+] con la expresin de Kw. Despejando [H+] .

+ - -14= H OH 1.0 x 10Kw = -14

-5

1.0 x 10[H+] = 1.0 x 10

-14-9

-5

1.0 x 10[H+] = 1.00 x 101.0 x 10

= mol/L

Conociendo [H+] se puede calcular el pH. pH = -Log(1 x 10 -9) = 9 El pH de una disolucin 1.0 x 10-9 mol/L es 9.

Ejercicios

1. Escribe la expresin de la constante de equilibrio para cada una de las siguientes ecuaciones de reacciones qumicas. a. H2CO3(ac) + H2O(l) HCO3

-(ac) + H3O

+(ac)

b. Cu(OH)2(s) Cu2+

(ac) + 2 OH-(ac)

2. Con base en el valor de la constante de equilibrio de las siguientes ecuaciones de

reacciones qumicas, indique si son favorecidas hacia los productos o hacia los reactivos.

3. Completa las frases con las palabras que a continuacin se presentan. cambia, qumico, concentracin, igual, constantes, equilibrio, mol/L,

El ___________ ___________ se alcanza cuando las concentraciones de los reactivos y productos permanecen __________ y en donde la concentracin de cada uno de ellos _____________ de acuerdo con la estequiometra de la reaccin. Cuando un sistema alcanza un estado de equilibrio se dice que la rapidez de la reaccin en ambos sentidos es _____________. Los corchetes indican la ______________ de cada una de las sustancias en el equilibrio, en unidades de ______________.

a. 2 H2(g) + O2 (g) 2 H2O(g) K25C = 3.2 x 1081

b. CaCO3(s) Ca2+

(ac) + CO32-

(ac) K25C = 3.4 x 10-9

45

4. Encierra en un crculo la letra de la respuesta correcta:

Cualquier cambio en cualquiera de los factores que determinan las condiciones del equilibrio qumico en una reaccin qumica ocasiona que la reaccin cambie de tal manera que reduzca el efecto del cambio es enunciado de: a. La ley de accin de masa.

b. Principio de Le Chatelier.

c. Ley de la conservacin de la materia.

d. Principio de Heisenberg.

La reduccin de la temperatura en una reaccin qumica, que libera energa trmica, provoca que el equilibrio sea desplazado en el sentido exotrmico y que la Kc a. no cambie b. vare

5. Calcula la concentracin de los iones H+ u OH-, segn sea el caso e indica si la disolucin es cida, bsica o neutra. a. +H a partir de una disolucin cuya

-OH = 4.22 x 10-3 mol/L

b. -OH a partir de una disolucin cuya +H = 0.00035 mol/L

c. -OH a partir de una disolucin cuya +H = 0.00000010 mol/L

6. Calcula el pH de cada disolucin e indica si es cida, bsica o neutra.

a. Disolucin de -OH = 4.22 x 10-3 mol/L

b. Disolucin de +H = 0.00035 mol/L

c. Disolucin de +H = 0.00000010 mol/L

Bibliografa

1. Chang, R. (2003) Qumica, 7ma. Ed., Ed. Mc Graw Hill, Mxico.

2. Hein.M., Arena, S. (2001) Fundamentos de qumica, 10 ed., Ed. Thompson, Mxico.

3. Kotz, J., Treichel, P. (2003) Qumica y reactividad qumica, 5 ed., Ed. Thomson, Mxico.

4. Phillips, J., Strozak, V. (2001) Qumica conceptos y aplicaciones, Ed. Mc Graw Hill, Mxico.

5. Rosales, G., E. (2005) Qumica para bachillerato 1, Ed. Limusa, Mxico.

6. Zumdahl, S. (2007) Fundamentos de Qumica, 5 ed., Ed. Mc Graw Hill, Mxico.

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Cuestionario de autoevaluacin UNIDAD 2. RAPIDEZ Y EQUILIBRIO DE LAS REACCIONES QUMICAS

Selecciona la opcin que consideres correcta: 1.- Conceptos bsicos para definir la rapidez de una reaccin: A) energa de activacin y concentracin B) concentracin y tiempo C) tiempo y energa de activacin D) entalpa y tiempo 2.-Con base en la teora de las colisiones, para que se produzca una reaccin: A) basta con que las partculas de los reactivos choquen entre s B) la temperatura debe ser muy baja y constante C) las partculas de los reactivos deben casi estar inmviles D) las colisiones entre las partculas de los reactivos deben darse de manera efectiva 3.- La energa de activacin es la energa: A) mnima necesaria para que los reactivos lleguen al estado de transicin B) que se necesita para que el sistema quede estable C) mxima necesaria para que ocurra una reaccin D) que un sistema libera para que ocurra una reaccin 4.-En un perfil de energa el complejo activado es: A) quien tiene el ms bajo nivel energtico B) aquel que se encuentra en un nivel medio de energa. C) quien tiene el ms alto nivel energtico D) aquel que su nivel de energa es igual al de los productos de la reaccin. 5.-Para que una reaccin alcance el equilibrio qumico, se dice que: A) las concentraciones de reactivos y productos deben ser iguales B) las concentraciones de reactivos y productos deben ser constantes C) la rapidez de reaccin en un sentido debe ser mayor al opuesto D) la rapidez de reaccin en un sentido debe ser menor al opuesto 6.- Qu sucede con el equilibrio qumico si la presin se incrementa en un sistema donde ocurre la siguiente reaccin?

H2(g) + F2(g) 2HF(g)

A) el equilibrio se desplaza hacia la derecha B) el equilibrio se desplaza hacia la izquierda C) las concentraciones de reactivos y productos no cambian D) aumenta la concentracin de los reactivos 7. Si la Kc es

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8.- Con base en la Teora de Brnsted-Lowry, en la siguiente reaccin los cidos son:

NH3 + H2O NH4+ + OH- A) NH3 y OH- B) NH3 y H2O C) H2O y NH4+ D) OH- y H2O 9. La +H en una disolucin acuosa es de 5.3 x 10

-5 mol/L, por lo que la -OH es: A) 1.89 x 10-9 mol/L B) 1.00 x 10-10 mol/L C) 1.00 x 10-9 mol/L D) 1.89 x 10-10 mol/L 10.-En una disolucin cuyo pH es 4.7, la concentracin de los iones OH- es: A) 1.99 x 10-5 mol/L B) 5.01 x 10-5 mol/L C) 5.01 x 10-10 mol/L D) 1.99 x 10-10 mol/L

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UNIDAD 2. RAPIDEZ Y EQUILIBRIO DE LAS REACCIONES QUMICAS Respuestas a los ejercicios

1. Elabora un diagrama en el que se explique la teora de las colisiones y en el cual utilices crculos como modelo para representar a las molculas y los tomos.

2. Completa las frases con las palabras que a continuacin se presentan.

Activacin Cintica Colisiones

Energa Estado Mayor

Molculas Nmero Qumica

Reaccin Temperatura Transicin

La cintica qumica La energa mnima necesaria para que ocurra una reaccin es llamada energa de

estudia la rapidez en que ocurren las reacciones qumicas.

activacinCuando las

.

molculas chocan entre s para romper y formar enlaces se dice que se ha alcanzado un estado de transicinLa

.

temperatura es un factor que afecta la rapidez de una reaccin, ya que incrementa la energa cintica de las molculas y por lo tanto el nmero de colisi