EQUILIBRIO QUÍMICO REACCIÓN QUÍMICA FORMACIÓN Y RUPTURA DE ENLACES. Cómo sabemos si se lleva a cabo una reacción química?

Transcripción

1 FORMACIÓN Y RUPTURA DE ENLACES REACCIÓN QUÍMICA Cómo sabemos si se lleva a cabo una reacción química? EQUILIBRIO QUÍMICO

2 Formación y ruptura de enlaces La molécula más simple: La molécula de H : interacciones electrostáticas átomos de H a una distancia (r) variable Energía potencial entre partículas cargadas: kqq 1 r V Esta expresión es sólo para una pareja de partículas cargadas Si hay más cargas interactuando, p. ej. dos protones y dos electrones: V T ( p 1 )( p ) ( e1 )( e ) ( p1)( e1 ) ( p1)( e ) ( p )( e1 ) ( p )( e ) k ra rb r3 r4 r5 r6 {.... repulsiones.....} { atracciones } Si las atracciones son mayores que las repulsiones, la molécula existe Si las atracciones son mayores que las repulsiones, V T < 0 (negativo)

3 Energía desprendida al formarse el enlace Energía necesaria para romper el enlace La Energía potencial inicial (r muy grande) es = 0, Al irse acercando los átomos, la Energía potencial DISMINUYE Se desprende energía El sistema cede energía a los alrededores Siempre que se forma un enlace, se desprende energía Cuando se habla de cantidades macroscópicas, los cambios de energía se miden por la Entalpía V < 0 H < 0 proceso EXOTÉRMICO

4 En la molécula formada, la Energía potencial está en un mínimo Energía desprendida al formarse el enlace Energía necesaria para romper el enlace Al separar los átomos la Energía potencial AUMENTA. Se absorbe energía Los alrededores ceden energía al sistema Siempre que se rompe un enlace, hay que dar energía V > 0 H > 0 Proceso ENDOTÉRMICO

5 HSO4 (ac) + NaOH (ac) De dónde proviene el calor?

6 Ejemplo H O(l) H O(g) Es un proceso endotérmico o exotérmico? Qué enlaces se rompen? Se rompen enlaces de puente de hidrógeno Cuando nos quedamos mojados, nos da frío porque el proceso de evaporación del agua se está dando a costa de nuestro calor corporal.

7 Otro ejemplo C(s) + O (g) CO (g) Es endotérmica o exotérmica?

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9 La energía de activación está relacionada con: Qué tan fácil es que se lleve a cabo la reacción El mecanismo de la reacción La velocidad de la reacción La cinética química

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11 Reactivos Productos Existen muchas, muchas, muchas reacciones químicas que NO se llevan a cabo completamente. Primera noticia? Si esto pasa se dice que la reacción no es cuantitativa Cómo puede explicarse esto?

12 Ejemplo Organizamos un baile tradicional Concentración inicial: [H] = 50 hombres/salón [M] = 50 mujeres/salón [P] = 0 parejas/salón La reacción es : H + M P En el mejor rato de la fiesta, hay un EQUILIBRIO [P] = 44 parejas /salón [H] = 6 hombres/salón [M] = 6 mujeres/salón

13 Ojo: Aunque [P] permanece constante. Las parejas no son las mismas durante todo el tiempo También se lleva a cabo la reacción inversa P H + M Se pueden formar nuevas parejas entre distintos H y M De qué depende la concentración de las parejas en el EQUILIBRIO?

14 En química, suele llevarse a cabo simultáneamente una reacción y la reacción inversa Esto es la causa de que, en muchos casos, la formación de los productos no sea completa. (Es decir: por más que hagamos, permanece algo de reactivos sin convertirse en productos)

15 El equilibrio se alcanza cuando las concentraciones de los reactivos y de los productos se mantienen constantes.

16 Algunos ejemplos de reacciones en fase gas. H (g) + I (g) HI(g) NÓTESE: moléculas diatómicas Qué tanto se lleva a cabo esta reacción, depende de la estabilidad relativa de los enlaces H-H, I-I y H-I H-H = 436 kj/mol I-I = 151 kj/mol H- I = 98 kj/mol Energía de enlace de los reactivos: = 587 Energía que hay que dar para que se rompan Energía de enlace de los productos: 98() = 596 Energía que se desprende cuando se forman En este caso, como son muy parecidas, aunque la reacción está favorecida muy ligeramente hacia la derecha, puede proceder en ambos sentidos

17 Qué sucede a nivel molecular? Las moléculas de H chocan con las de I I-I H-H I I H- I + H- I H H

18 Cómo se mide la velocidad de una reacción? Vel d[ HI] dt Para que se forme una molécula de HI, debe haber una colisión entre una molécula de H y una de I. La velocidad de formación de HI, depende de la frecuencia y efectividad de los choques entre las moléculas de H y de I La frecuencia depende de la concentración de ambas especies y la efectividad depende de la fuerza de los choques (velocidad = (f(t)) y de la fuerza de los enlaces formados. Vel k[ I ][ H]

19 La velocidad de la reacción inversa Vel d[ I ] dt Vel d[ H ] dt Para que se forme I y H a partir de HI, las moléculas de HI deben romperse. Para que una molécula de HI se rompa, debe chocar con otra. La velocidad de ruptura de HI depende de la frecuencia y la efectividad de los choques entre moléculas. d[ H Vel dt ] d[ I dt ] k 1[ HI]

20 Cuándo se alcanza el equilibrio? Cuando las concentraciones tanto de reactivos como de productos se mantengan constantes Esto no quiere decir que ya no haya ruptura y formación de enlaces sino que: La velocidad de la reacción en un sentido es igual a la velocidad de la reacción en el otro

21 Constante de equilibrio Vel ( ) Vel ( ) d[ HI] dt d[ H ] dt k [ H 1 d[ I dt ][ I ] k ] 1 [ HI] Si Vel ( ) Vel ( ) entonces, k 1 [ H][ I] k 1[ HI] de donde, reacomodando, k [ HI] 1 k [ H ][ I ] 1 K eq

22 Forma general de la constante de equilibrio aa + bb cc + dd K eq [ C] [ A] c a [ D] [ B] d b

23 Ejemplos: Caso 1: todas las especies están en fase gas N (g) + 3H (g) NH 3 (g) K eq [ NH3] [ N ] [ H ] 3 NOCl (g) NO (g) + Cl (g) K eq [ NO] [ Cl [ NOCl] ] N + C H HCN (g) Ojo: unidades? [ HCN] K eq [ N ][ C H ]

24 Nota: Para las reacciones en fase gas, las constantes de equilibrio pueden darse de dos formas: En función de las concentraciones (mol/l), de las especies al equilibrio: éstas se llaman K c En función de las presiones parciales (atm, torr, Pa, etc.): Éstas se llaman K p

25 Ejemplos: Caso : Todas las especies están en disolución HAc (ac) H + (ac) + Ac - (ac) K eq [ H ][ Ac [ HAc] ] HAc (ac) + HO Ac - (ac)+ H3O + (ac) K eq [ 3 H O ][ Ac [ HAc] ] Éstas en particular se conocen como constantes de acidez o K a Nota: para las reacciones en medio acuoso, el HO no se escribe en la constante de equilibrio, ya que su concentración permanece (prácticamente) constante.

26 Ejemplos: Caso : Todas las especies están en disolución NH3(ac) + HO NH4 + (ac) + OH - (ac) K eq Éstas (en particular) se conocen como constantes de basicidad o K b [ NH 4 ][ OH [ NH ] 3 ]

27 Constantes de complejación Constantes de complejación, K c : (sucesivas) Cu + (ac) + NH3(ac) Cu(NH3) + (ac) Cu(NH3) + + NH3(ac) Cu(NH3) + (ac) Cu(NH3) + + NH3(ac) Cu(NH3) + 3 (ac) Cu(NH3) NH3(ac) Cu(NH3) + 4 (ac) Constantes de complejación, c : (globales) Cu + (ac) + NH3(ac) Cu(NH3) + (ac) Cu + (ac) + NH3(ac) Cu(NH3) + (ac) Cu + (ac) + 3NH3(ac) Cu(NH3) + 3 (ac) Cu + (ac) + 4NH3(ac) Cu(NH3) + 4 (ac)

28 Ejercicio: Escribir la expresión de la constante de equilibrio para cada una de las reacciones anteriores entre el Cu + y el NH3(ac)