CINÉTICA Y EQUILIBRIO QUÍMICO

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.

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

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?

¿Cómo ocurren las reacciones químicas?

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.

TEORÍA DE LAS COLISIONES

TEORÍA DE LAS COLISIONES

TEORÍA DE LAS COLISIONES

TEORÍA DE LAS COLISIONES

TEORÍA DE LAS COLISIONES

ENERGÍA DE LAS REACCIONES

ENERGÍA DE LAS REACCIONES

• REACCIONES EXOTÉRMICAS Y ENDOTÉRMICAS

ENERGÍA DE LAS REACCIONES

• REACCIONES EXOTÉRMICAS Y ENDOTÉRMICAS

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

ENERGÍA DE LAS REACCIONES

• REACCIONES EXOTÉRMICAS Y ENDOTÉRMICAS

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:

Ba(OH)2 .8H2O (s) + NH4NO3 (s) + E → Ba(NO3)2 (ac) + NH3 (ac) + H2O (l)

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

• REACCIONES EXOTÉRMICAS Y ENDOTÉRMICAS

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

ENERGÍA DE LAS REACCIONES

• REACCIONES EXOTÉRMICAS Y ENDOTÉRMICAS

ENERGÍA DE LAS REACCIONES

• REACCIONES EXOTÉRMICAS

2H2(g) + O2(g) → 2H2O(l) + 571.6KJ

2H2(g) + O2(g) → 2H2O(l) ∆H= - 571.6KJ

Neutralización

HCl(ac) + NaOH(ac) → NaCl(ac) + H2O(l) ∆H=- 56.2KJ

ENERGÍA DE LAS REACCIONES

• REACCIONES EXOTÉRMICAS

Desplazamiento

2Na(s) + 2H2O(l) → 2NaOH (ac) + H2(g) + 367.5KJ

Combustión

CH4(g) + 2O2(g) → CO2(g) + 2H2O(l) ∆H= - 890.4KJ

ENERGÍA DE LAS REACCIONES

• REACCIONES ENDOTÉRMICAS

2HgO(s) → 2Hg(l) + O2(g) ∆H= 320KJ

CaCO3(s) + 177.8KJ → CaO(s) + CO2(g)

H2O(s) → H2O(l) ∆H= 6.01KJ

H2O(l) + 40.79KJ → H2O(g)

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-3s-1

o también Ms-1

CINÉTICA

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.

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.

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.

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 VELOCIDAD DE LAS REACCIONES

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.

ENERGÍA DE LAS REACCIONES • ACCIÓN CATALÍTICA

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.

VELOCIDAD DE LAS REACCIONES

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.

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.

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

Vo

lum

en

(m

l)

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.

FACTORES QUE AFECTAN LA VELOCIDAD DE LAS REACCIONES

LLUVIA ÁCIDA

LLUVIA ÁCIDA

LLUVIA ÁCIDA

LLUVIA ÁCIDA

• Emisiones de NOX y SO2 en EEUU, 1992

LLUVIA ÁCIDA • Emisiones de SO2 en EEUU, 2002

LLUVIA ÁCIDA

LLUVIA ÁCIDA

LLUVIA ÁCIDA

LLUVIA ÁCIDA • Efectos de la lluvia ácida.

LLUVIA ÁCIDA

LLUVIA ÁCIDA • Efectos de la lluvia ácida en el CaCO3.

LLUVIA ÁCIDA • Efectos de la lluvia ácida en el CaCO3.

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.

Laboratorio de diseño

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

• Montajes apropiados para medir la velocidad de reacción.

Laboratorio de diseño

• Montajes apropiados para medir la velocidad de reacción.

Laboratorio de diseño

• Montajes apropiados para medir la velocidad de reacción.

Laboratorio de diseño

• Montajes apropiados para medir la velocidad de reacción.

Laboratorio de diseño

• Montajes apropiados para medir la velocidad de reacción.

Laboratorio de diseño

• Montajes apropiados para medir la velocidad de reacción.

Laboratorio de diseño

EQUILIBRIO QUÍMICO

EQUILIBRIO QUÍMICO

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 Reactivo Producto

EQUILIBRIO QUÍMICO • REACCIONES IRREVERSIBLES

A + B → C + D

EQUILIBRIO QUÍMICO • REACCIONES IRREVERSIBLES

A + B → C + D

EQUILIBRIO QUÍMICO • REACCIONES REVERSIBLES

A + B → C + D ←

EQUILIBRIO QUÍMICO • REACCIONES REVERSIBLES

A + B → C + D ←

EQUILIBRIO QUÍMICO • REACCIONES REVERSIBLES

A + B → C + D ←

EQUILIBRIO QUÍMICO

H2 + I2 → 2HI ←

EQUILIBRIO QUÍMICO

H2 + I2 → 2HI ←

EQUILIBRIO QUÍMICO

A + B → C + D ←

EQUILIBRIO QUÍMICO

A + B → C + D ←

EQUILIBRIO QUÍMICO

A + B → C + D ←

EQUILIBRIO QUÍMICO

EQUILIBRIO QUÍMICO

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.

• EQUILIBRIO DINÁMICO

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

aA + bB → cC + dD ←

EQUILIBRIO QUÍMICO

[HI]2

Kc = --------------

[H2] [I2]

H2 (g) + I2 (g) → 2HI (g) ←

• LA CONSTANTE DE EQUILIBRIO

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.

• EJERCICIOS

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

[H2] = 3,27 X 10-3 M

[I2] = 7,55 X 10-3 M

EQUILIBRIO QUÍMICO

H2 (g) + I2 (g) → 2HI (g) ←

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.

• LA CONSTANTE DE EQUILIBRIO

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.

• LA CONSTANTE DE EQUILIBRIO

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

N2(g) + 3H2(g) → 2NH3(g) + 92.2KJ ←

2SO2(g) + O2(g) → 2SO3(g) + 188.3KJ ←

3O2(g) + 288.7KJ → 2O3(g) ←

EJEMPLO 2 DEL CÁLCULO DE LA CONSTANTE DE EQUILIBRIO (KC) :

Se da el siguiente equilibrio a 230ºC

2NO(g) + O2 (g) → 2NO2 (g)

Necesitamos saber las concentraciones para poder calcular Kc:

Concentraciones: [NO] = 5,42 X 10-3M

[O2] = 1,27 X 10-3M

[NO2] = 1,55 X 10-4M

←

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 NH3 y

3,45 X 10-2 M de H2, para la reacción

EQUILIBRIO QUÍMICO

N2(g) + 3H2(g) → 2NH3(g) ←

Si la Kc a esta temperatura es 1,7 X 102, ¿Cuál es la

concentración en equilibrio de N2?

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.