Cinética QuímicaCinética Química y y

Equilibrio Equilibrio QuímicoQuímico

La cinética química es el área La cinética química es el área que estudia la velocidad o que estudia la velocidad o rapidez con que los reactivos se rapidez con que los reactivos se consumen y los productos se consumen y los productos se forman en una reacción química, forman en una reacción química, como también el mecanismo que como también el mecanismo que siguen los reactivos para siguen los reactivos para convertirse en productos. convertirse en productos.

Rapidez o Velocidad de Rapidez o Velocidad de reacciónreacción

Esta representa la variación de la Esta representa la variación de la concentración de un reactivo o producto con concentración de un reactivo o producto con respecto al tiempo.respecto al tiempo.

a A + b B + …. c C + d D + …. a A + b B + …. c C + d D + ….

Entonces Entonces

V= -V= - C CAA = = -- C CB B = + = + C CCC = + = + C CDD

==

a t b ta t b t c t d t c t d t

La velocidad instantánea es la La velocidad instantánea es la velocidad en un momento velocidad en un momento determinado y se obtiene por la determinado y se obtiene por la pendiente de la tangente de la pendiente de la tangente de la curva concentración v/s tiempocurva concentración v/s tiempo

Factores que determinan la Factores que determinan la velocidad de una reacciónvelocidad de una reacción

• Concentración de reactivos:Concentración de reactivos: En general la En general la mayoría de las reacciones se efectúan mas mayoría de las reacciones se efectúan mas rápidamente a mayor concentración de los reactivos.rápidamente a mayor concentración de los reactivos.

• Temperatura de reacción:Temperatura de reacción: en general la rapidez en general la rapidez de una reacción se incrementa al aumentar la de una reacción se incrementa al aumentar la temperatura.temperatura.

• Presencia de un catalizador: Presencia de un catalizador: estos aumentan estos aumentan la rapidez de la reacción.la rapidez de la reacción.

• Área superficial de los reactivos sólidos o Área superficial de los reactivos sólidos o de los catalizadores: de los catalizadores: a mayor área superficial se a mayor área superficial se produce un aumento de la rapidez de reacción.produce un aumento de la rapidez de reacción.

CatalizadoresCatalizadores

• Un catalizador es una sustancia que Un catalizador es una sustancia que aumenta la velocidad de reacción pero no aumenta la velocidad de reacción pero no aparece en la ecuación estequiométrica de aparece en la ecuación estequiométrica de esta y puede ser recuperado íntegramente esta y puede ser recuperado íntegramente después de la reacción.después de la reacción.

• Catalizador Homogéneo: es aquel que se Catalizador Homogéneo: es aquel que se encuentra en la misma fase que los encuentra en la misma fase que los componentes de una reacción.componentes de una reacción.

• En general “un catalizador reduce la energía En general “un catalizador reduce la energía de activación de una reacción química”de activación de una reacción química”

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Concentración de los reactivosConcentración de los reactivos

La velocidad de una reacción aumenta cuando crece la concentración de losreactivos. Al aumentar el número de moléculas confinadas será mayor la frecuencia con que éstas colisionan entre sí.

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Temperatura del sistema

La velocidad de casi todas las reacciones aumenta al elevar la temperatura. Un aumento de 10 ºC hace que se duplique la velocidad de la reacción.

Cuanto más alta sea la temperatura, mayor será la energía cinética de las moléculas, lo que supone un aumento del número de colisiones molecularesy por consiguiente, un aumento de la velocidad de la reacción.

Presencia de un catalizador

Los catalizadores son sustancias que, añadidas a los reactivos, aumentan la velocidad de la reacción.

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Facilidad de los reactivos para entrar en contacto

• Si las reacciones se llevan a cabo en fase gaseosa o en disolución líquida, las moléculas de los reactivos colisionan con mucha facilidad.

• Cuando uno de los reactivos es sólido, y se reduce el tamaño de las partículas,Cuando uno de los reactivos es sólido, y se reduce el tamaño de las partículas, reduciéndolo a un polvo fino, aumenta el área de contacto con los otros reactivos, reduciéndolo a un polvo fino, aumenta el área de contacto con los otros reactivos, lo que se traduce en un aumento de la velocidad de la reacciónlo que se traduce en un aumento de la velocidad de la reacción

Por ejemplo, al dividir un cubo de 1 cm de arista en 106 cubos de 0,01 cm de arista, el área se multiplica por 100

A t=0 comienza a consumirse NA t=0 comienza a consumirse N22OO44 y a formar y a formar NONO22 hasta un punto en que no se consume hasta un punto en que no se consume

mas reactivo (t=60) y ambas especies mas reactivo (t=60) y ambas especies mantienen contantes sus concentracionesmantienen contantes sus concentraciones

Equilibrio Químico.Equilibrio Químico.

• Estudia aquellas reacciones como la Estudia aquellas reacciones como la señalada, en las cuales coexisten señalada, en las cuales coexisten tanto reactantes como productos.tanto reactantes como productos.

• Se define como: El estado que Se define como: El estado que alcanza una reacción, cuando alcanza una reacción, cuando presenta concentraciones constantes presenta concentraciones constantes de todas las sustancias participantes.de todas las sustancias participantes.

• Reacciones reversiblesReacciones reversibles

Son aquellas reacciones en las Son aquellas reacciones en las cuales se obtienen las mismas cuales se obtienen las mismas sustancias partiendo de los sustancias partiendo de los reactantes o de los productos y cuyas reactantes o de los productos y cuyas concentraciones se hacen constantes concentraciones se hacen constantes en el tiempo.en el tiempo.

Se simbolizan: Se simbolizan:

NN22OO44(g) 2NO(g) 2NO22 (g) (g)

Constante de EquilibrioConstante de Equilibrio

En generalEn general

a A (g) + b B (g) = c C (g) + d D (g)a A (g) + b B (g) = c C (g) + d D (g)

Kc: Debido a que se usa la Kc: Debido a que se usa la concentración concentración

Kc. = Kc. = (C(Ccc))cc X (C X (CDD))dd

(C(CAA))aa X (C X (CBB))bb

Kp: debido a que se utilizan las Kp: debido a que se utilizan las presiones parciales de los gases presiones parciales de los gases

Kp = Kp = (P(Pcc))cc X (P X (PDD))dd

(P(PAA))aa X (P X (PBB))bb

Relación entre Kc y Kp.Relación entre Kc y Kp.Usando PUsando P . . V = n RTV = n RT

Si V lo expresamos en litros tenemos queSi V lo expresamos en litros tenemos que n n = = CC (recordar que C es concentración)(recordar que C es concentración)

VV

Y por lo tanto Y por lo tanto P= CRT P= CRT

Reemplazando en Kp:Reemplazando en Kp:

Kp = Kp = (C(Cc c RT)RT)cc X (C X (CD D RT)RT)dd

(C(CA A RT)RT)aa X (C X (CB B RT)RT)bb

Kp = Kp = (C(Ccc))cc X (C X (CDD))dd .. (RT) (RT) c+dc+d (C (CAA))aa X (C X (CBB))b b (RT) (RT) a+ba+b

KcKc

Kp = Kc Kp = Kc . . (RT)(RT)(c+d) - (a+b)(c+d) - (a+b)

Si definimos: n= (c+d) – (a+b)Si definimos: n= (c+d) – (a+b)

Entonces: Entonces: Kp = Kc Kp = Kc . . (RT) (RT) nn

(moles de producto gaseoso – moles reactivo (moles de producto gaseoso – moles reactivo gaseoso)gaseoso)

Constantes de equilibrio en Constantes de equilibrio en reacciones heterogéneasreacciones heterogéneas

• En el caso de reacciones heterogéneas es En el caso de reacciones heterogéneas es decir que ocurren en mas de una fase, la decir que ocurren en mas de una fase, la expresión de la constante de equilibrio expresión de la constante de equilibrio estará dada en función de las especies estará dada en función de las especies que participen en estado gaseoso o que que participen en estado gaseoso o que se encuentren en solución.se encuentren en solución.

• Ej.: COEj.: CO22(g) + 2H(g) + 2H22(g) 2H(g) 2H22O(g) + C (s)O(g) + C (s)

Kc.: Kc.: CC22 H H22OO

CCco2co2 . C . C22HH22

En otras palabras solo se consideran en la En otras palabras solo se consideran en la expresión de la constante de equilibrio aquellas expresión de la constante de equilibrio aquellas especies cuya concentración o la presión que especies cuya concentración o la presión que se ejercen varían mientras la reacción alcanza se ejercen varían mientras la reacción alcanza su estado de equilibriosu estado de equilibrio

Significado de Kc.:Significado de Kc.:

el valor de Kc. puede interpretarse como un el valor de Kc. puede interpretarse como un indicador del grado de conversión de los indicador del grado de conversión de los reactantes en productos.reactantes en productos.

SiSi Kc. >1 la conservación es alta ( 10)Kc. >1 la conservación es alta ( 10)

Kc. <1 la conservación es baja (0,1) Kc. <1 la conservación es baja (0,1)

Si Kc. >>>1 en factor de 1000 o mas se Si Kc. >>>1 en factor de 1000 o mas se considera que esa reacción se desarrolla considera que esa reacción se desarrolla hasta que uno de los reactantes se acaba.hasta que uno de los reactantes se acaba.

Por lo tanto podemos considerar que la Por lo tanto podemos considerar que la reacción ocurre completamente a la reacción ocurre completamente a la derecha.derecha.

Kc.<<< 1 la reacción no ocurre Kc.<<< 1 la reacción no ocurre significativamente.significativamente.

El principio de Le El principio de Le ChatelierChatelier

Si un sistema en equilibrio se somete a una Si un sistema en equilibrio se somete a una modificación, el sistema reacciona modificación, el sistema reacciona desplazándose en el sentido de compensar desplazándose en el sentido de compensar

el cambio introducido.el cambio introducido.

EJ.EJ.

Si se retira algo del sistema se Si se retira algo del sistema se desplaza desplaza para reponerlo. para reponerlo.

Si se agrega algo el sistema se Si se agrega algo el sistema se desplaza en el sentido de gastar el exceso desplaza en el sentido de gastar el exceso agregadoagregado

Tipos de problemasTipos de problemas• Determinación del valor de Kc o Kp.Determinación del valor de Kc o Kp.

Datos: las concentraciones o las presiones parciales Datos: las concentraciones o las presiones parciales de las especies reaccionantes o la cantidad de de las especies reaccionantes o la cantidad de sustancia en el equilibrio y el volumen del sustancia en el equilibrio y el volumen del recipiente; la ecuación de la reacción.recipiente; la ecuación de la reacción.

Ej. Considere la reacción:Ej. Considere la reacción:

2H2H22(g) + S(g) + S22(g) 2H(g) 2H22S(g)S(g)

A la temperatura de 700º C. En el estado de A la temperatura de 700º C. En el estado de equilibrio se encuentran 2,5 mol de Hequilibrio se encuentran 2,5 mol de H2, 2, 1,351,35. . 1010-5 -5

mol de Smol de S2 2 y 8,7 mol de Hy 8,7 mol de H22S. Determine Kc S. Determine Kc

sabiendo que el volumen del recipiente es 12L.sabiendo que el volumen del recipiente es 12L.

• Describir el estado en el que se encuentra una Describir el estado en el que se encuentra una reacción en un momento dado.reacción en un momento dado.

Datos: las concentraciones o las presiones Datos: las concentraciones o las presiones parciales de las especies reaccionantes en el parciales de las especies reaccionantes en el momento solicitado de la reacción; la ecuación momento solicitado de la reacción; la ecuación de la reacción; la constante de equilibrio.de la reacción; la constante de equilibrio.

Ej. El compuesto gaseoso NOBr se descompone de Ej. El compuesto gaseoso NOBr se descompone de acuerdo a la ecuación:acuerdo a la ecuación:

NOBr(g) NO(g) + ½ BrNOBr(g) NO(g) + ½ Br22(g) (g) Kp = Kp = 0,150,15

En un recipiente adecuado, hay una mezcla En un recipiente adecuado, hay una mezcla reaccionantes de los 3 gases, encontrándose en un reaccionantes de los 3 gases, encontrándose en un momento dado que el NOBr ejerce una presión de 0,5 momento dado que el NOBr ejerce una presión de 0,5 atm; el NO 0,4 atm y el Bratm; el NO 0,4 atm y el Br2 2 de 0,2 atm. Señale si el de 0,2 atm. Señale si el sistema esta en ese momento en el estado de equilibrio. sistema esta en ese momento en el estado de equilibrio. En caso contrario, indique el sentido en el cual En caso contrario, indique el sentido en el cual evoluciona la reacción.evoluciona la reacción.

• Determinación de las concentraciones de todas Determinación de las concentraciones de todas las especies en el estado de equilibrio.las especies en el estado de equilibrio.

Datos: las concentraciones, las presiones parciales Datos: las concentraciones, las presiones parciales o la cantidad de materia y el volumen del o la cantidad de materia y el volumen del recipiente, de las especies reaccionantes al recipiente, de las especies reaccionantes al iniciarse la reacción; la ecuación de la reacción; la iniciarse la reacción; la ecuación de la reacción; la constante de equilibrio. constante de equilibrio.

Ej. En un reactor de 1L de capacidad se ubican 4 Ej. En un reactor de 1L de capacidad se ubican 4 mol de Hmol de H22 y 4 mol de I y 4 mol de I22 a una temperatura de a una temperatura de 478º C, produciéndose la reacción que se indica. 478º C, produciéndose la reacción que se indica. Determine la concentración de todas las especies Determine la concentración de todas las especies cuando el sistema alcanza el estado de equilibrio.cuando el sistema alcanza el estado de equilibrio.

HH22(g) + I(g) + I22(g) 2 HI (g) (g) 2 HI (g) Kc = 46Kc = 46

• Determinar el porcentaje de disociación de una Determinar el porcentaje de disociación de una sustancia.sustancia.El % de disociación de una sustancia es la razón El % de disociación de una sustancia es la razón entre los moles que se disocian de la sustancia y entre los moles que se disocian de la sustancia y los moles iniciales de ella multiplicado por 100:los moles iniciales de ella multiplicado por 100:

% de disociación =% de disociación = moles disociadosmoles disociados . 100 . 100 moles inicialesmoles iniciales

Datos: las concentraciones, las presiones parciales Datos: las concentraciones, las presiones parciales o la cantidad de materia y el volumen del o la cantidad de materia y el volumen del recipiente, de las especies reaccionantes al recipiente, de las especies reaccionantes al iniciarse la reacción; la ecuación de la reacción; iniciarse la reacción; la ecuación de la reacción; la constante de equilibrio.la constante de equilibrio.

Ej. En un reactor se tiene 2,1Ej. En un reactor se tiene 2,1.. 10 10-3 -3 mol/L de HI puro, mol/L de HI puro, a una temperatura de 490º C, estableciéndose el a una temperatura de 490º C, estableciéndose el equilibrio que se muestra. Determine el % de equilibrio que se muestra. Determine el % de disociación del yoduro de hidrogeno.disociación del yoduro de hidrogeno.2HI(g) H2HI(g) H22(g) + I(g) + I22(g) (g) Kc= Kc= 0,0220,022

• Determinar las concentraciones de equilibrio Determinar las concentraciones de equilibrio cuando un sistema en equilibrio es perturbado cuando un sistema en equilibrio es perturbado agregando o extrayendo algún reactivo.agregando o extrayendo algún reactivo.

Datos: las concentraciones, las presiones parciales o Datos: las concentraciones, las presiones parciales o la cantidad de materia y el volumen del recipiente, la cantidad de materia y el volumen del recipiente, de las especies reaccionantes al iniciarse la de las especies reaccionantes al iniciarse la reacción; la ecuación de la reacción; la constante reacción; la ecuación de la reacción; la constante de equilibrio.de equilibrio.

Ej. 0,2 moles de NOEj. 0,2 moles de NO22(g) están en equilibrio con 0,01 (g) están en equilibrio con 0,01 mol de Nmol de N22OO44(g) en un contenedor de 1L. Calcule las (g) en un contenedor de 1L. Calcule las nuevas concentraciones en equilibrio cuando se nuevas concentraciones en equilibrio cuando se agregan 0,2 moles de NOagregan 0,2 moles de NO22(g). Comente su (g). Comente su resultado a la luz del principio de Le Chatelier.resultado a la luz del principio de Le Chatelier.

2 NO2 NO22(g) N(g) N22OO44(g) Kc= 0,25(g) Kc= 0,25

Características de las reacciones en Características de las reacciones en equilibrioequilibrio

• Los reactantes no se agotan. Después de un cierto tiempo coexisten Los reactantes no se agotan. Después de un cierto tiempo coexisten reactantes y productos indefinidamente.reactantes y productos indefinidamente.

• Reactantes y productos alcanzan una concentración final constante.Reactantes y productos alcanzan una concentración final constante.

• Son reversibles: se obtienen las mismas especies partiendo de los Son reversibles: se obtienen las mismas especies partiendo de los productos o de los reactantes.productos o de los reactantes.

• Las concentraciones finales de los reactantes y productos se encuentran Las concentraciones finales de los reactantes y productos se encuentran relacionadas por una expresión matemática que considera los relacionadas por una expresión matemática que considera los coeficientes de las sustancias en la ecuación química de la reacción.coeficientes de las sustancias en la ecuación química de la reacción.

• Son dinámicas: la composición atómica de las moléculas de reactantes y Son dinámicas: la composición atómica de las moléculas de reactantes y productos cambian continuamente, pues sus átomos están productos cambian continuamente, pues sus átomos están intercambiándose permanentemente.intercambiándose permanentemente.

• El estado de equilibrio se alcanza cuando las concentraciones o El estado de equilibrio se alcanza cuando las concentraciones o presiones parciales de los reactantes y productos se hacen constantes y presiones parciales de los reactantes y productos se hacen constantes y esto ocurre cuando la velocidad con que se forman los productos a esto ocurre cuando la velocidad con que se forman los productos a partir de los reactantes (velocidad directa) se iguala a la velocidad con partir de los reactantes (velocidad directa) se iguala a la velocidad con que se forman los reactantes a partir de los productos (velocidad que se forman los reactantes a partir de los productos (velocidad indirecta). indirecta).