EQUILIBRIO QUÍMICO. Concentración. C ó D. Tiempo. Las concentraciones no cambian mucho con el tiempo. El Equilibrio es estable A+B C + D

Transcripción

1 EQUILIBRIO QUÍMICO En química definimos equilibrio químico como el balance exacto entre dos procesos, uno de los cuales es opuesto a otro. Cuando ocurre una reacción química, los reactivos se va transformando en productos en determinado tiempo, una vez que ha transcurrido el curso de la reacción y todos los cambios se han dado en su totalidad, la concentración de las sustancias (reactivos y productos) permanece constante. Aunque aparentemente ya no ocurran cambios en el proceso, a nivel molecular la reacción continúa realizándose en sentido contrario (proceso reversible), es decir en ese punto conocido equilibrio la reacción en un sentido (formación de productos) se sigue dando igual en el sentido contrario (formación de reactivos), sin que haya una modificación en la concentración de todas las sustancias, permaneciendo constantes (ojo no son iguales, la concentración de cada una de ellas depende de la estequiometria de la reacción). Cuando una reacción reversible se favorece la formación de los productos, la reacción se desplaza a la derecha, cuando se favorece la formación de los reactivos, la reacción procede hacia la izquierda. Sin en cambio se lleva a cabo a la misma rapidez, se dice que el proceso está en equilibrio. Los productos de una reacción interactúan entre sí para volver a formar los reactivos, esto ocasiona que tal reacción se considerada un proceso reversible (ya que se realiza en ambos sentidos, de izquierda a derecha y de derecha a izquierda). Cuando el sistema alcanza un estado de equilibrio químico la rapidez, con que la reacción se produce en un sentido y en el otro, es la misma. La reversibilidad de una reacción se simboliza con una doble flecha ( ). Cuando una reacción química tiene lugar espontáneamente cambian las concentraciones de los reactivos y los productos y la energía libre del sistema disminuye en forma gradual, hasta que el sistema llega a un estado de equilibrio. Si se sigue la concentración de los reactivos y los productos mientras esto ocurre ellos se acercan de forma gradual a valores uniformes. Concentración A B C ó D Las concentraciones no cambian mucho con el tiempo. El Equilibrio es estable A+B C + D Tiempo

2 aa + bb Reactivos cc + dd Productos Cuando al fin se alcanza el equilibrio, tanto la reacción directa como la inversa ya no cambian con el tiempo. La continuación de las reacciones directas como inversas sin un cambio en las concentraciones la que identifica dicha condición como un equilibrio dinámico. Todos los sistemas tienden al equilibrio por lo que el estudio del equilibrio constituye uno de los temas centrales de la química. Concepto de rapidez de reacción La rapidez de reacción química se define como el cambio de concentraciones de una sustancia, ya sea del reactivo (s) o producto (s), por unidad de tiempo es decir se considera tiempo necesario para que el reactivo se convierta en producto. La cinética química es una parte de la química que se encarga de estudiar la rapidez con la que ocurren las reacciones químicas, así como de los factores que afectan dicha rapidez Teoría de las colisiones Para comprender desde el punto de vista submiscroscópico, cómo es que una reacción se lleva a cabo, es importante basarse en lo que se conoce como Teoría de colisiones, en ella se considera a las partículas, ya sean átomos, moléculas o iones, como pequeñas esferas sólidas moviéndose de manera totalmente aleatoria. Además, ésta teoría contempla que deben cumplirse tres condiciones para que las reacciones ocurran: 1. Las moléculas, átomos o iones de los reactivos deben chocar entre sí 2. Los choques entre las moléculas, átomos o iones deben de ser con suficiente energía 3. Para que exista reordenamiento en los átomos de las moléculas, átomos o iones de los reactivos, estos deben chocar con una orientación determinada (orientación correcta) para así formar un complejo activado, consecuencia de lo que se conoce como estado de transición, que es un paso previo a la obtención de los productos. Estas consideraciones se pueden explicar en la reacción entre dos especies aa + bb Reactivos cc + dd Productos

3 En primer lugar las moléculas de ambas sustancias chocan entre sí, pero deben hacerlo de manera efectiva, es decir con suficiente energía y orientación correcta para que la reacción pueda llevarse a cabo. Energía de activación y la energía libre de Gibbs Siguiendo el ejemplo anterior, para que la reacción entre A y B ocurra adecuadamente es necesario que tengan la mínima energía necesaria, semejante a una barra magnética, que requiere transformarse en C y D. esta energía mínima necesaria para que los reactivos se transformen en productos, por medio de choques efectivos (con orientaciones correctas) reciben el nombre de Energía de activación. En una gráfica adelante, de energía Libre de Gibbs contra el avance de la reacción, ocurre una reacción modelo S y E son reactivos y P es el producto de la reacción. La energía es la diferencia de valores de energía de los reactivos que en este caso son S y E y de la máxima energía (la parte más alta del diagrama) que se requiere para que los átomos de las moléculas sean reordenados. Este reordenamiento se presenta en estado de transición donde se forma el complejo activado, en el cual los enlaces entre los átomos de las moléculas de los reactivos se rompen para formar nuevos enlaces, se forman nuevas moléculas que constituyen a los productos de reacción. Recuerda que para romper enlaces, el sistema debe absorber energía, y cuando se forman nuevos enlaces se libera energía. Para evidenciar que la reacción química sucedió, las cantidades de energía absorbida y liberada son diferentes.

4 LA LEY DEL EQUILIBRIO PARA UNA REACCIÓN Cuando se establece un experimento a fin de estudiar una reacción química por lo general se tiene la libertad de seleccionar prácticamente cualesquiera valores que se deseen para la concentración inicial de los reactivos. Sin embargo una vez que ha iniciado la reacción, la estequiometria de la reacción toma el control y determinadas cantidades relativas de los reactivos de consumen, así como las cantidades de los productos que se forman. Cuando al fin se alcanza el equilibrio habrá una mezcla de reactivos y de productos y cada sustancia tendrá su propia concentración al equilibrio. Se determina en parte por las concentraciones seleccionadas y en parte por la estequiometria, pero todas las relaciones de equilibrio se relacionan por una expresión llamada la ley de equilibrio o expresión de equilibrio para reacción. Un hecho provechoso acerca de la ley de equilibrio es que permite determinar cuál será, para una reacción dada, el equilibrio nada más por estequiometria de la ecuación. Para una ecuación general: aa + bb Reactivos cc + dd Productos la ley de equilibrio será aplicado por la ley de acción de masas. KKKK = [CC]cc [DD] dd [AA] aa [BB] bb Donde las cantidades en corchetes indican el equilibrio molar de las concentraciones molares de los reactivos A y B y de los productos C y D. Por razones históricas que no se mencionarán, la fracción a la izquierda en la ecuación anterior se llama ley de acción de masas y, por supuesto en el equilibrio la expresión de la ley de acción de masas tiene un valor igual a la constante de equilibrio. Pero esta fracción puede tener otros valores cuando el sistema no se encuentra en equilibrio y, para poder explicar dichas situaciones se define un término llamado cociente de reacción Qc, el cual es un valor numérico de la expresión de acción de masas. Resulta entonces que en el equilibrio el cociente de reacción es igual a Kc QQQQ = KKKK = [CC]cc [DD] dd [AA] aa [BB] bb

5 Principales factores que afectan la rapidez de una reacción 1. Concentración de los reactivos: cuando incrementamos la concentración de los reactivos se observa con facilidad que las reacciones se aceleran. A mayor concentración mayor número de partículas (moléculas, iones o átomos) por unidad de volumen, hay por lo tanto más colisiones y más eventos de reacción. 2. Temperatura: al incrementar la temperatura la rapidez de las reacciones también es acelerada esto se debe a que el movimiento de las partículas se incrementa con la temperatura. Por lo tanto a temperaturas altas las colisiones promedio son más enérgicas, aumentando la probabilidad de rompimiento de enlaces; dando lugar al reordenamiento atómico para el desarrollo de la reacción. 3. Superficie de contacto: si aumentamos la superficie de contacto, aumentamos l rapidez de reacción, ya que tenemos más lugares por donde se lleven a cabo más choques efectivos. 4. Catalizadores: los catalizadores son sustancias que pueden acelerar o retardar (inhibidores) el curso de la reacción, sin que sean partícipes de ella, es decir, su naturaleza no cambia durante el proceso químico. Los catalizadores modifican la Energía de activación y la energía libre de Gibbs. Si el propósito es acelerar la reacción, el catalizador hace que la Energía de activación sea menor; pero si lo que se quiere es retardarla se utiliza un inhibidor, éste aumentará la Energía. Los equilibrios químicos pueden combinarse por adición de sus ecuaciones para obtener la ecuación global de equilibrio. Cuando se hace esto, la constante de equilibrio correspondiente a la ecuación global es igual al producto de las constantes de equilibrio para las ecuaciones que se combinaron. Considérese, por ejemplo, la adición de las dos ecuaciones siguientes 1. 2NO (g) + O 2 2NO 2 (g) KKKK 1 = [NNNN 2] 2 [NNNN] 2 [OO 2 ]

6 2. N 2 (g) + O 2 (g) 2NO(g) [NNNN ]2 KKKK 2 = [NNNN] 2 [OO 2 ] 3. N 2(g) + 2O 2 2NO 2 (g) KKKK 3 = [NNNN 2] 2 [NN 2 ] [OO 2 ] 2 Los corchetes indican la concentración de cada una de las sustancias en el equilibrio en unidades de mol/l. Si un sólido puro o un líquido puro participan en el equilibrio heterogéneo, su concentración no se incluye en la expresión de la constante de equilibrio ya que sus concentraciones son constantes. Como se muestra a continuación, si se multiplica la expresión de acción de masas para Ke 1 por la correspondiente Ke 2 se obtiene la expresión de la ley de acción de masas para Ke 3. Por consiguiente el valor de Ke 3 es igual al producto de Ke 1 por la correspondiente Ke 2 dando la siguiente expresión: KKKK 1 xxkkkk 2 = [NNNN 2] 2 [NNNN] 2 [OO 2 ] [NNNN ] 2 xx [NN 2 ] [OO 2 ] = [NNNN 2] 2 [NN 2 ] [OO 2 ] 2 = KKKK 3 Por consiguiente KKKK 3 = KKKK 1 xxkkkk 2 La dirección de una reacción a partir del valor de la constante de equilibrio Cuando Ke>1 la reacción es favorecida hacia los producto, es decir, las concentraciones en el equilibrio de los productos son mayores que las concentraciones en el equilibrio de los reactivos Cuando Ke <1 la reacción 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 Ke=1 la reacción no es favorecida a ningún lado de la reacción, es decir las concentraciones en el equilibrio de los reactivos son iguales que las concentraciones en equilibro para los productos

7 Principio de Le Chatelier Las condiciones de equilibrio se encuentran determinadas por tres factores importantes la temperatura, la concentración de los reactivos y productos y presión (en el caso de que se tratara de gases). El principio de Le Chatelier establece que Cualquier cambio en alguno de los factores que determinan las condiciones del equilibrio químico en una reacción química, ocasiona que la reacción cambie de tal manera que reduzca un efecto del cambio. Así el sistema volverá a estar en equilibrio químico. Forma en que las variables termodinámicas (concentración, presión y temperatura) afectan el equilibrio químico de la reacción. Alteración por agentes externos Aumento de la temperatura Reducción de la temperatura Adición de algún reactivo Adición de un producto Aumento de presión (reducción de volumen cuando hay presencia de gases) Reducción de presión (aumento del volumen cuando hay presencia de gases Cambio durante el restablecimiento del equilibrio Se absorbe energía térmica Se libera energía térmica Se transforma parte del reactivo agregado Se transforma parte del reactivo agregado La presión disminuye La presión aumenta Efecto sobre el equilibrio de la reacción El equilibrio se desplaza el sentido endotérmico El equilibrio se desplaza en el sentido exotérmico Aumenta la concentración de los productos Aumenta la concentración de los reactivos La composición cambia para disminuir el número total de moles de gas La composición cambia para aumentar el número total de gas Efecto sobre la Kc de la reacción Varía Varía No varía No varía No varía No varía En general para la adición o remoción de una sustancia involucrada en un equilibrio químico: 1. La posición del equilibrio se desplazará en la dirección en que se elimine la sustancia que ha sido agregada.

8 2. La posición del equilibrio se desplazará en la dirección en que supla la sustancia que ha sido removida. Es importante: Para la constante de equilibrio en una reacción heterogénea, es decir donde existan solidos puros y líquidos puros, la expresión constante de equilibrio no incluye las concentraciones de solidos puros. De un modo similar en las reacciones en las cuales el reactivo o producto ocurre como una fase de líquido pura, la concentración de dicha sustancia en un líquido puro es también una constante. De aquí resulta que las concentraciones de las fases líquidas puras tampoco aparecen en una expresión de constante de equilibrio. Estas simplificaciones se aplican solamente cuando se trata con fases condensadas puras. Cuando existen sustancias en las soluciones liquidas o sólidas, sus concentraciones son variables y sus concentraciones en la expresión de la ley de acción de masas no podrán, por lo tanto, incorporarse a K.