CINÉTICA Y EQUILIBRIO QUÍMICO

Transcripción

1 CINÉTICA Y EQUILIBRIO QUÍMICO

2 CONTEXTO GLOBAL En cuál contexto global nos centraremos? Por qué elegimos esta? GLOBALIZACIÓN Y SUSTENTABILIDAD Los alumnos explorarán la interconexión de los sistemas creados por el ser humano y las comunidades; la relación entre los procesos locales y globales; el modo en que las experiencias locales reflejan las globales; las oportunidades y tensiones que ofrece la interconexión mundial; el impacto de la toma de decisiones en los seres humanos y el medio ambiente. Se selecciona este contexto porque le permite al estudiante centrar la discusión en el impacto de la actividad de los seres humanos en el medio ambiente. Acciones: Comprender el impacto de la actividad de los seres humanos en el medio ambiente. Investigar los efectos de nuestras acciones, actitudes y conceptos, como desarrollo sustentable y conservación.

3 ENUNCIADOS CONCEPTUALES Cuáles son las ideas importantes? Qué queremos que los alumnos recuerden para el futuro? Enunciado conceptual: Las actividades desarrolladas por los seres humanos generan cambios que pueden o no afectar el equilibrio del ambiente, para que los estudiantes logren hacer un discernimiento y transformar algunas de las actividades que ponen en peligro su salud y afectan el ambiente. Concepto clave: CAMBIO Conceptos relacionados: EQUILIBRIO - MOVIMIENTO

4 ENUNCIADO DE INDAGACIÓN Y PREGUNTAS DE INDAGACIÓN Enunciado de la indagación: Las actividades desarrolladas por los seres humanos generan cambios que pueden o no afectar el equilibrio del ambiente, para que los estudiantes logren hacer un discernimiento y transformar algunas de las actividades que ponen en peligro su salud y afectan el ambiente. Preguntas de Indagación: Fácticas: Cómo ocurren las reacciones químicas y es posible afectar su velocidad? Conceptuales: Qué cambios pueden ocurrir en el ambiente y estos cómo pueden impactarlo, así como lo hace la lluvia ácida? Debatibles: Los cambios que estamos generando afectan la sustentabilidad de la vida en el planeta Tierra?

5 Cómo ocurren las reacciones químicas?

6 TEORÍA DE LAS COLISIONES Para que una reacción entre dos partículas ocurra, deben suceder tres condiciones: 1. Las partículas deben colisionar. 2. Las partículas deben colisionar con la apropiada geometría u orientación. 3. Las partículas deben colisionar con la suficiente energía.

7 TEORÍA DE LAS COLISIONES

12 ENERGÍA DE LAS REACCIONES

13 ENERGÍA DE LAS REACCIONES REACCIONES EXOTÉRMICAS Y ENDOTÉRMICAS

16 ENERGÍA DE LAS REACCIONES REACCIONES EXOTÉRMICAS Y ENDOTÉRMICAS Cuando la entalpia es positiva, se dice que la reacción es endotermica: los enlaces de los reactantes son más fuertes que los enlaces en los productos y el calor es absorbido de los alrededores. Es cuando es requerida más energía para romper los enlaces de los reactivos que la necesaria para formar los enlaces de los productos, transfiriendo energía de los alrededores al sistema. Absorbe energía en forma de calor, los productos tienen más energía que los reactantes, ejemplo la fotosíntesis

17 ENERGÍA DE LAS REACCIONES REACCIONES ENDOTÉRMICAS Procesos físicos: H 2 O (s) + E H 2 O (l) KNO 3 (s) + H 2 O (l) + E KNO 3 (ac) + H 2 O (l) Reacción química: NaHCO 3 (s) + HAC (s) + E NaAc (s) + CO 2 (g) + H 2 O (l) Reacción química: Ba(OH) 2.8H 2 O (s) + NH 4 NO 3 (s) + E Ba(NO 3 ) 2 (ac) + NH 3 (ac) + H 2 O (l)

18 ENERGÍA DE LAS REACCIONES REACCIONES EXOTÉRMICAS Y ENDOTÉRMICAS Cuando la entalpia es negativa, se dice que la reacción es exotérmica: los enlaces en los productos son más fuertes que los enlaces en los reactivos y el calor es emitido a los alrededores. Es cuando es requerida menos energía para romper los enlaces de los reactivos que la necesaria para formar los enlaces de los productos, transfiriendo energía del sistema a los alrededores, ejemplo, la neutralización, la combustión

19 ENERGÍA DE LAS REACCIONES REACCIONES EXOTÉRMICAS Proceso físico: H 2 O (l) H 2 O (s) Reacción química: K (s) + H 2 O (l) KOH (ac) + H 2 (g) + E Reacción química: Al (s) + HCl (ac) AlCl 3 (s) + H 2 (g) + E Reacción química: H 2 O 2 (ac) H 2 O (l) + O 2 (g) + E

21 ENERGÍA DE LAS REACCIONES REACCIONES EXOTÉRMICAS 2H 2(g) + O 2(g) 2H 2 O (l) KJ 2H 2(g) + O 2(g) 2H 2 O (l) H= KJ Neutralización HCl (ac) + NaOH (ac) NaCl (ac) + H 2 O (l) H=- 56.2KJ

22 ENERGÍA DE LAS REACCIONES REACCIONES EXOTÉRMICAS Desplazamiento 2Na (s) + 2H 2 O (l) 2NaOH (ac) + H 2(g) KJ Combustión CH 4(g) + 2O 2(g) CO 2(g) + 2H 2 O (l) H= KJ

23 ENERGÍA DE LAS REACCIONES REACCIONES ENDOTÉRMICAS 2HgO (s) 2Hg (l) + O 2(g) H= 320KJ CaCO 3(s) KJ CaO (s) + CO 2(g) H 2 O (s) H 2 O (l) H= 6.01KJ H 2 O (l) KJ H 2 O (g)

24 CINÉTICA La velocidad de una reacción química puede ser definida como el incremento en la concentración de uno de los productos por unidad de tiempo o la disminución en la concentración de uno de los reactivos por unidad de tiempo. La unidad de medida es el mol.dm -3 s -1 o también Ms -1

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26 FACTORES QUE AFECTAN LA VELOCIDAD DE LAS REACCIONES TEMPERATURA: Cuando la temperatura incrementa más partículas colisionan con la energía de activación necesaria para que sea un choque efectivo y además, las partículas pueden moverse más rápido y va a haber más colisiones por segundo.

27 FACTORES QUE AFECTAN LA VELOCIDAD DE LAS REACCIONES NATURALEZA DE LOS REACTIVOS: La velocidad va a depender, si es un ácido fuerte o uno débil, o la naturaleza del metal o la serie de reactividad.

28 FACTORES QUE AFECTAN LA VELOCIDAD DE LAS REACCIONES CONCENTRACIÓN: Si hay mayor concentración de reactivos se incrementa el número de colisiones que pueden ocurrir por segundo y por unidad de volumen.

29 FACTORES QUE AFECTAN LA VELOCIDAD DE LAS REACCIONES USO DE CATALIZADOR Un catalizador es una sustancia ya sea un compuesto, elemento o enzima, capaz de acelerar o retardar (si es un inhibidor) una reacción química, permaneciendo constante durante la reacción al no consumirse. Estos aumentan o disminuyen la energía de activación y alcanzan el equilibrio con mayor o menor velocidad. La entalpía es igual.

30 FACTORES QUE AFECTAN LA VELOCIDAD DE LAS REACCIONES USO DE CATALIZADOR: La velocidad de la reacción incrementa, porque el catalizador provee una vía alterna a la reacción, la cual ocurre a menor energía de activación y más reactivos pueden obtener esta baja energía de activación.

31 ENERGÍA DE LAS REACCIONES ACCIÓN CATALÍTICA

32 FACTORES QUE AFECTAN LA VELOCIDAD DE LAS REACCIONES AREA DE SUPERFICIE: En una sustancia sólida sólo las partículas sobre la superficie pueden entrar en contacto entre los reactivos. Si el reactivo está en polvo la superficie de área incrementa y aumenta el número de colisiones por segundo.

33 VELOCIDAD DE LAS REACCIONES

34 VELOCIDAD DE LAS REACCIONES Una gráfica de concentración contra tiempo es muy útil para determinar la velocidad de una reacción, por ejemplo si se tiene la reacción: CaCO 3 (s) + 2HCl (ac) CaCl 2 (ac) + H 2 O (l) + CO 2 (g) Ejemplo: use el gráfico para calcular la velocidad de reacción del HCl a los 650 s.

35 VELOCIDAD DE LAS REACCIONES Una gráfica de concentración contra tiempo es muy útil para determinar la velocidad de una reacción, por ejemplo si se tiene la reacción: 2N 2 O 5 (g) 4NO 2 (g) + O 2 (g) Ejemplo: use el gráfico para calcular la velocidad de reacción del NO 2 a los 4 min.

36 Volumen (ml) VELOCIDAD DE LAS REACCIONES NaHCO 3 (s) + HCl (ac) NaCl (ac) + H 2 O (l) + CO 2 (g) 100 Gráfica #1. Volumen liberado de bióxido de bióxido de carbono durante la reacción entre el NaHCO 3 y el HCl Ejemplo: use el gráfico para calcular la velocidad de reacción del CO 2 a los 80 s Tiempo (s)

37 FACTORES QUE AFECTAN LA VELOCIDAD DE LAS REACCIONES

38 LLUVIA ÁCIDA

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44 LLUVIA ÁCIDA

45 LLUVIA ÁCIDA

46 LLUVIA ÁCIDA Emisiones de NO X y SO 2 en EEUU, 1992

47 LLUVIA ÁCIDA Emisiones de SO 2 en EEUU, 2002

48 LLUVIA ÁCIDA

49 LLUVIA ÁCIDA

50 LLUVIA ÁCIDA

51 Efectos de la lluvia ácida. LLUVIA ÁCIDA

52 LLUVIA ÁCIDA

53 LLUVIA ÁCIDA Efectos de la lluvia ácida en el CaCO 3.

54 LLUVIA ÁCIDA Efectos de la lluvia ácida en el CaCO 3.

55 Laboratorio de diseño VELOCIDAD DE LAS REACCIONES El cambio en la concentración puede ser medido usando cualquier propiedad que diferencie entre los reactantes y los productos. Algunos métodos para determinar la velocidad pueden ser cambios en: La masa. El volumen (cuando es un gas). Absorción (usando un espectrómetro, si hay cambio de color). ph, si hay un cambio en la acidez. Conductividad eléctrica, si hay un cambio en la concentración de iones.

56 Laboratorio de diseño Montajes apropiados para medir la velocidad de reacción.

63 EQUILIBRIO QUÍMICO

65 EQUILIBRIO QUÍMICO A B Reactivo Producto Este gráfico ilustra el cambio de la concentración del reactivo A Este gráfico ilustra el cambio de la concentración del producto B

66 EQUILIBRIO QUÍMICO REACCIONES IRREVERSIBLES A + B C + D

67 EQUILIBRIO QUÍMICO REACCIONES IRREVERSIBLES A + B C + D

68 EQUILIBRIO QUÍMICO REACCIONES REVERSIBLES A + B C + D

71 EQUILIBRIO QUÍMICO H 2 + I 2 2HI

72 EQUILIBRIO QUÍMICO H 2 + I 2 2HI

73 EQUILIBRIO QUÍMICO A + B C + D

78 EQUILIBRIO QUÍMICO EQUILIBRIO DINÁMICO El equilibrio químico es un proceso dinámico que puede ocurrir cuando ocurre un cambio físico. En un recipiente cerrado se tiene agua la cual ha alcanzado el equilibrio entre el líquido que se evapora y el líquido que se condensa. La velocidad es igual en ambas direcciones.

79 EQUILIBRIO QUÍMICO LA CONSTANTE DE EQUILIBRIO aa + bb cc + dd La constante de equilibrio (Kc), es la expresión matemática de la ley de acción de masas, en la cual se establece que: para una reacción reversible en equilibrio y a una temperatura constante, una relación determinada de concentraciones de reactivos y productos tiene un valor constante K.

80 EQUILIBRIO QUÍMICO LA CONSTANTE DE EQUILIBRIO H 2 (g) + I 2 (g) 2HI (g) [HI] 2 Kc = [H 2 ] [I 2 ]

81 EQUILIBRIO QUÍMICO EJERCICIOS Balanceo y planteo la constante de equilibrio (Kc) para las siguientes reacciones. Grafico el comportamiento de la concentración y la velocidad Vs tiempo. Mostrando el equilibrio químico.

82 EQUILIBRIO QUÍMICO EJEMPLO 1 DEL CÁLCULO DE LA CONSTANTE DE EQUILIBRIO (KC) : Se da el siguiente equilibrio a 200ºC H 2 (g) + I 2 (g) 2HI (g) Necesitamos saber las concentraciones para poder calcular Kc: Concentraciones: [HI] = 1,42 X 10-2 M [H 2 ] = 3,27 X 10-3 M [I 2 ] = 7,55 X 10-3 M

83 EQUILIBRIO QUÍMICO LA CONSTANTE DE EQUILIBRIO Aunque las concentraciones pueden variar, el valor de la constante de equilibrio (Kc), para una reacción determinada permanece constante, siempre y cuando la reacción esté en equilibrio y la temperatura no cambie. La magnitud de la constante de equilibrio indica si una reacción en equilibrio es favorable a los reactivos o a los productos.

84 EQUILIBRIO QUÍMICO LA CONSTANTE DE EQUILIBRIO Si K es mucho mayor que 1 (K>>>1), el equilibrio se desplazará hacía la derecha y favorecerá a los productos. Se favorece la reacción directa. Si K es mucho menor que 1 (K<<<1), el equilibrio se desplazará hacía la izquierda y favorecerá a los reactivos. Se favorece la reacción inversa.

85 EQUILIBRIO QUÍMICO EJERCICIOS Para cada una de las ecuaciones: a) Grafico el comportamiento de la concentración y la velocidad Vs tiempo. Mostrando el equilibrio químico. b) Planteo la constante de equilibrio (Kc) para las siguientes reacciones. c) Prediga si son exotérmicas o endotérmicas y construya un gráfico que muestre el cambio de energía en la reacción, mostrando la E. activación y la entalpía. N 2(g) + 3H 2(g) 2NH 3(g) KJ 2SO 2(g) + O 2(g) 2SO 3(g) KJ 3O 2(g) KJ 2O 3(g)

86 EQUILIBRIO QUÍMICO EJEMPLO 2 DEL CÁLCULO DE LA CONSTANTE DE EQUILIBRIO (KC) : Se da el siguiente equilibrio a 230ºC 2NO (g) + O 2 (g) 2NO 2 (g) Necesitamos saber las concentraciones para poder calcular Kc: Concentraciones: [NO] = 5,42 X 10-3 M [O 2 ] = 1,27 X 10-3 M [NO 2 ] = 1,55 X 10-4 M

87 EQUILIBRIO QUÍMICO EJEMPLO 3 DEL CÁLCULO DE LA CONSTANTE DE EQUILIBRIO (KC) : Una mezcla en equilibrio a 225ºC contiene 7,32 X 10-2 M de NH 3 y 3,45 X 10-2 M de H 2, para la reacción N 2(g) + 3H 2(g) 2NH 3(g) Si la Kc a esta temperatura es 1,7 X 10 2, Cuál es la concentración en equilibrio de N 2?

88 EQUILIBRIO QUÍMICO FACTORES QUE AFECTAN EL EQUILIBRIO. El equilibrio químico representa un balance entre las reacciones directa o inversa. Este balance es muy delicado. Los cambios en las condiciones experimentales pueden alterar el balance y desplazar la posición de equilibrio para hacer que se forme mayor o menor cantidad del producto deseado. 1. Efecto o cambio en la temperatura. 2. Efecto o cambio en la concentración. 3. Efecto o cambio en la presión. 4. Efecto o cambio en el volumen. 5. Efecto o utilización de catalizadores.