CINÉTICA Y EQUILIBRIO QUÍMICO

Texto completo

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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.

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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

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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?

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¿Cómo

ocurren las

reacciones

químicas?

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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.

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ENERGÍA DE LAS REACCIONES

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ENERGÍA DE LAS REACCIONES

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ENERGÍA DE LAS REACCIONES

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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

ENERGÍA DE LAS REACCIONES

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ENERGÍA DE LAS REACCIONES

REACCIONES ENDOTÉRMICAS

Procesos físicos:

H2O (s) + E → H2O (l)

KNO3 (s) + H2O (l) + E → KNO3 (ac) + H2O (l)

Reacción química:

NaHCO3 (s) + HAC (s) + E → NaAc (s) + CO2 (g) + H2O (l)

Reacción química:

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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

ENERGÍA DE LAS REACCIONES

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ENERGÍA DE LAS REACCIONES

REACCIONES EXOTÉRMICAS

Proceso físico: H2O (l) → H2O (s) Reacción química: H2O2 (ac) → H2O (l) + O2 (g) + E Reacción química: Al (s) + HCl (ac) → AlCl3 (s) + H2 (g) + E Reacción química: K (s) + H2O (l) → KOH (ac) + H2 (g) + E

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ENERGÍA DE LAS REACCIONES

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ENERGÍA DE LAS REACCIONES

REACCIONES EXOTÉRMICAS

2H

2(g)

+ O

2(g)

→ 2H

2

O

(l)

+ 571.6KJ

2H

2(g)

+ O

2(g)

→ 2H

2

O

(l)

∆H= - 571.6KJ

Neutralización

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ENERGÍA DE LAS REACCIONES

REACCIONES EXOTÉRMICAS

Desplazamiento

2Na

(s)

+ 2H

2

O

(l)

→ 2NaOH

(ac)

+ H

2(g)

+ 367.5KJ

Combustión

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ENERGÍA DE LAS REACCIONES

REACCIONES ENDOTÉRMICAS

2HgO

(s)

→ 2Hg

(l)

+ O

2(g)

∆H= 320KJ

CaCO

3(s)

+ 177.8KJ → CaO

(s)

+ CO

2(g)

H

2

O

(s)

→ H

2

O

(l)

∆H= 6.01KJ

H

2

O

(l)

+ 40.79KJ → H

2

O

(g)

(24)

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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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.

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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)

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.

USO DE CATALIZADOR

FACTORES QUE AFECTAN LA

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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.

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ENERGÍA DE LAS REACCIONES

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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.

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(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:

CaCO3 (s) + 2HCl (ac) → CaCl2 (ac) + H2O (l) + CO2 (g)

Ejemplo: use el gráfico para calcular la velocidad de reacción del HCl a los 650 s.

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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:

2N2O5 (g) → 4NO2 (g) + O2 (g)

Ejemplo: use el gráfico para calcular la velocidad de reacción del NO2 a los 4 min.

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40 60 70 76 80 84 88 90 92 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 20 40 60 80 100 120 140 160 180 V o lumen ( ml) Tiempo (s)

Gráfica #1. Volumen liberado de bióxido de bióxido de carbono durante la reacción entre el NaHCO3 y el HCl

VELOCIDAD DE LAS REACCIONES

NaHCO3 (s) + HCl (ac) → NaCl (ac) + H2O (l) + CO2 (g)

Ejemplo: use el gráfico para calcular la velocidad de reacción del CO2 a los 80 s.

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FACTORES QUE AFECTAN LA

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LLUVIA ÁCIDA

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LLUVIA ÁCIDA

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LLUVIA ÁCIDA

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LLUVIA ÁCIDA

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LLUVIA ÁCIDA

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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.

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Laboratorio de diseño

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Montajes apropiados para medir la velocidad de reacción.

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Montajes apropiados para medir la velocidad de reacción.

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Montajes apropiados para medir la velocidad de reacción.

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Montajes apropiados para medir la velocidad de reacción.

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Montajes apropiados para medir la velocidad de reacción.

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Montajes apropiados para medir la velocidad de reacción.

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EQUILIBRIO QUÍMICO

Este gráfico ilustra el cambio de la concentración del reactivo A

Este gráfico ilustra el cambio de la concentración del producto B

A

B

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EQUILIBRIO QUÍMICO

REACCIONES IRREVERSIBLES

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EQUILIBRIO QUÍMICO

REACCIONES IRREVERSIBLES

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EQUILIBRIO QUÍMICO

REACCIONES REVERSIBLES

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EQUILIBRIO QUÍMICO

REACCIONES REVERSIBLES

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EQUILIBRIO QUÍMICO

REACCIONES REVERSIBLES

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EQUILIBRIO QUÍMICO

H

2

+ I

2

2HI

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EQUILIBRIO QUÍMICO

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EQUILIBRIO QUÍMICO

A + B

C + D

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EQUILIBRIO QUÍMICO

A + B

C + D

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EQUILIBRIO QUÍMICO

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EQUILIBRIO QUÍMICO

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.

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EQUILIBRIO QUÍMICO

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.

LA CONSTANTE DE EQUILIBRIO

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EQUILIBRIO QUÍMICO

[HI]

2

Kc = ---

[H

2

] [I

2

]

H

2 (g)

+ I

2 (g)

2HI

(g)

LA CONSTANTE DE EQUILIBRIO

(81)

EQUILIBRIO QUÍMICO

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.

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EJEMPLO 1 DEL CÁLCULO DE LA CONSTANTE DE EQUILIBRIO (KC) :

Se da el siguiente equilibrio a 200ºC

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

EQUILIBRIO QUÍMICO

H

2 (g)

+ I

2 (g)

→ 2HI

(g)

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EQUILIBRIO QUÍMICO

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

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.

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EQUILIBRIO QUÍMICO

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.

EJERCICIOS

N

2(g)

+ 3H

2(g)

→ 2NH

3(g)

+ 92.2KJ

2SO

2(g)

+ O

2(g)

→ 2SO

3(g)

+ 188.3KJ

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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

EQUILIBRIO QUÍMICO

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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

EQUILIBRIO QUÍMICO

N

2(g)

+ 3H

2(g)

→ 2NH

3(g)

Si la Kc a esta temperatura es 1,7 X 10

2

, ¿Cuál es la

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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.

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