IYL 1

Equilibrio QuímicoEquilibrio Químico

Reacción QuímicaReacción Química

A + B ---> C + D

Reactantes Productos

aA + bB ---> cC + dD Reacción Irreversible

aA + bB <==> cC + dD Reacción Reversible

IYL 2

Velocidad de ReacciónVelocidad de ReacciónLey de Guldberg y WaageLey de Guldberg y Waage(Ley de Acción de Masas)(Ley de Acción de Masas)

aA + bB <==> cC

V1 α [ A ]a · [ B ]b

V1 = κ 1 [ A ]a · [ B ]b

V-1 α [ C ]c

V-1 = κ−1 [ C ]c

V1

V-1

IYL 3

Velocidad de ReacciónVelocidad de ReacciónLey de Vant’ HoffLey de Vant’ Hoff

T

VR

De acuerdo a la regla empírica y aproximada de Vant’ Hoff, un aumento de 10°C puede duplicar la velocidad de reacción

IYL 4

Equilibrio QuímicoEquilibrio Químico

2 Al (OH)3 (s) ---> Al2O3 (s) + 3 H2O (g) Sistema AbiertoTº

2 Al (OH)3 (s) <==> Al2O3 (s) + 3 H2O (g) Sistema CerradoTº

V1 = k1 [ Al (OH)3 ]2

V-1 = k-1 [ Al2O3 ] [ H2O ]3

IYL 5

k1 [ Al (OH)3 ]2 = k-1 [ Al2O3 ] [ H2O ]3

k1 [ Al2O3 ] [ H2O ]3

k-1 [ Al (OH)3 ]2

___ _______________=

K = [ Al2O3 ] [ H2O ]3

[ Al (OH)3 ]2

_________________

IYL 6

VR

t

V1

V-1

V1 = V-1

En el equilibrio V1 = V-1

IYL 7

Características Equilibrio QuímicoCaracterísticas Equilibrio Químico

1.- Dinámico, la formación de productos y la regeneración de reactantes siempre esta ocurriendo:

2.- Principio de Le Chatelier: los sistemas tienden espontáneamente al equilibrio

CH3COOH (ac) <==> CH3COO-(ac) + H+

(ac)

K =[ CH3COOH ]

[ CH3COO- ] [ H+ ]

IYL 8

3.- La naturaleza y propiedades del Equilibrio Químicoson independientes del camino por el cual se alcanza

V1 = k1 [ NO2 ] [ CO ]

V-1 = k-1 [ NO ] [ CO2 ]

NO2 (g) + CO (g) <==> NO (g) + CO2 (g)

k1

k-1

El Equilibrio Químico puede alcanzarse a partir del oxido de nitroso o por la reacción del monóxido nitroso. En el equilibrio las propiedades de este serán las mismas independientes del camino por el cual se alcanza.

IYL 9

4.- Existe un compromiso entre un estado de Mínima Energía

y un estado de Máxima Entropía

H2 (g) <==> H (g) + H (g)

HI (g) <==> H (g) + I (g)

N2 (g) + O2 (g) <==> 2 NO (g) ???

En reacciones mas complejas, se consideran parámetros termodinámicos como energías libre y cambios de entalpía para saber si la reacción procede o no.

IYL 10

Constante de EquilibrioConstante de Equilibrio

aA + bB <==> cC + dD

V1 = k1 [ A ]a [ B ]b V-1 = k-1 [ C ]c [ D ]d

V1 = V-1

k1 [ A ]a [ B ]b = k-1 [ C ]c [ D ]d

= Kc =[ C ]c [ D ]d

[ A ]a [ B ]b

k1

k-1

Kc = constante de equilibrio en función de las concentraciones de reactantes y productos

IYL 11

Cómo escribir la constante de equilibrio?Cómo escribir la constante de equilibrio?

1.- Considerar el estado físico de las especies participantes de la reacción.

CaCO3 (s) <==> CaO (s) + CO2 (g)

Kc =[ CaO ] [ CO2 ]

[ CaCO3 ] cte.

cte.

Kc = [ CO2 ]

IYL 12

2.- Participación del solvente en la reacción.

CH3COOH (ac) + CH3OH (ac) <==> CH3COOCH3 (ac) + H2O (l)

Kc =[ CH3COOCH3 ] [ H2O ]

[ CH3COOH ] [ CH3OH ]

cte.

Kc =[ CH3COOCH3 ]

[ CH3COOH ] [ CH3OH ]

Equilibrio en medio acuoso:

IYL 13

CH3COOH (l) + CH3OH (l) <==> CH3COOCH3 (l) + H2O (l)

[ CH3COOCH3 ] [ H2O ]

[ CH3COOH ] [ CH3OH ]Kc =

CH3COOH (ac) + CH3OH (ac) <==> CH3COOCH3 (ac) + H2O (g)

Kc =[ CH3COOCH3 ] [ H2O ]

[ CH3COOH ] [ CH3OH ]

Equilibrio en solventes puros:

IYL 14

Valor Numérico de la Constante de EquilibrioValor Numérico de la Constante de Equilibrio

Π (Productos)

Π (Reactantes)

K =

Si K > 1 => Π (Productos) > Π (Reactantes)

HCl (g) + LiH (s) <==> H2 (g) + LiCl (s)

K = 8 · 1030

El valor de K es la tendencia de los reactantes a convertirse en productos y viceversa

IYL 15

Valor Numérico de la Constante de EquilibrioValor Numérico de la Constante de Equilibrio

Π (Productos)

Π (Reactantes)

K =

Si K < 1 => Π (Productos) < Π (Reactantes)

BaSO4 (s) <==> Ba2+ (ac) + SO4

2- (ac)

K = 1 · 10-10

Si K = 1 ???

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Factores que afectan el estado de Equilibrio Químico. Factores que afectan el estado de Equilibrio Químico. Principio de Le ChatelierPrincipio de Le Chatelier

1.- Concentración

Zn (s) + Cu2+ (ac) <==> Zn2+

(ac) + Cu (s)

[ Zn2+ ]

[ Cu2+ ]K = = 2 · 1037

Los cambios de concentración modifican las concentraciones relativas de reactantes y productos pero el valor de la constante permanece

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2.- TemperaturaReacción Exotérmica : ∆H < 0

Reacción Endotérmica : ∆H > 0

i) Reacción Exotérmica

aA + bB <==> cC + dD + Q

Si la temperatura aumenta la formación de productos y el valor de la constante de equilibrio disminuye

ii) Reacción Endotérmica

aA + bB + Q <==> cC + dD

Si la temperatura aumenta la formación de productos y el valor de la constante de equilibrio aumenta

El calor Q como integrante del sistema

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Función de EstadoFunción de Estado: sólo depende del estado inicial y final del sistema: sólo depende del estado inicial y final del sistema

Ecuación de EstadoEcuación de Estado P · V = n · R · T ∆T = Tf - Ti

Variación de Entalpía : Variación de Entalpía : ∆∆ HH: es el calor liberado o absorbido cuando es el calor liberado o absorbido cuando se efectúa una reacción química a presión constantese efectúa una reacción química a presión constante

C (grafito) + O2 (g) <==> CO2 (g)∆H = - 94 kcal / molReacción exotérmica

∆H de la reacción

Reacción Exotérmica

Reactantes Productos

EnergíaReactantes

EnergíaProductos

Termoquímica o Termodinámica QuímicaTermoquímica o Termodinámica Química

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H2 (g) + I2 (g) <==> 2 HI (g) ∆H = 12.8 Kcal / mol Reacción endotérmica

EnergíaProductos

EnergíaReactantes

Reactantes Productos

∆Η de la reacción ReacciónEndotérmica

∆HR = E. Productos - E. Reactantes

∆HR = Entalpía Productos - Entalpía Reactantes

∆∆ HHRR = Variación de la Entalpía de la Reacción = Variación de la Entalpía de la Reacción

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∆Hf : Entalpía de Formación

∆HR : Entalpía de Reacción

∆∆ HHRR = = Σ ∆Σ ∆HHf (Productos)f (Productos) - - Σ ∆Σ ∆ HHf (Reactantes)f (Reactantes)

Energía Libre de Gibbs (G)Energía Libre de Gibbs (G)El cambio de entalpías nos permite decir que ocurre con la absorción o liberación de calor, pero no indica el sentido de la reacción.

Si la reacción representa la formación de un mol de un compuesto a partir de sus elementos, el cambio de Entalpía recibe el nombre de ∆H de formación (∆∆ HHf f ))

Reactantes <==> Productos

La variación de energía total esta dado por el cambio de entalpía. Pero en el equilibrio tiende a La variación de energía total esta dado por el cambio de entalpía. Pero en el equilibrio tiende a una mínima energía y máxima entropía. Por lo tanto el una mínima energía y máxima entropía. Por lo tanto el ∆∆ H es igual a un factor energético H es igual a un factor energético mas un factor entrópico.mas un factor entrópico.

IYL 21

Reacción EspontáneaReacción Espontánea: : son reacciones que cursan con una son reacciones que cursan con una disminución de la energía libre.disminución de la energía libre.

E. LibreReactantes

E. LibreProductos

∆GR < 0

H = G + T · S H=Entalpía G=Energía libre de GibbsT=Temperatura ºK S=Entropía

∆H = ∆G + T∆S

∆G = ∆H - T∆S

IYL 22

Reacción no Espontánea: Reacción no Espontánea: son reacciones que cursan con una son reacciones que cursan con una disminución de la energía libre.disminución de la energía libre.

E. LibreReactantes

E. LibreProductos

∆GR > 0

IYL 23

∆∆ G G procesoproceso = E. Libre Productos - E. Libre Reactantes = E. Libre Productos - E. Libre Reactantes

∆∆ GGRR = = Σ ∆Σ ∆GGf (Productos)f (Productos) - - Σ ∆Σ ∆ GGf (Reactantes)f (Reactantes)

∆ Gf : Energía libre de Formación

∆ GR : Energía libre de Reacción

Reactantes <==> ProductosSiendo la variación Siendo la variación ∆∆ G de una reacción la diferencia G de una reacción la diferencia entre las entre las energías libres de los productos y reactantesenergías libres de los productos y reactantes

Si el proceso representa la formación de un compuesto a partir de sus Si el proceso representa la formación de un compuesto a partir de sus elementos la variación de energía libre será elementos la variación de energía libre será ∆∆G de formaciónG de formación

IYL 24

Energía Libre de Gibbs y Equilibrio QuímicoEnergía Libre de Gibbs y Equilibrio Químico

aA + bB + ··· <==> pP + qQ + ···

∆G > 0 ==> Reacción no Espontánea

∆G < 0 ==> Reacción Espontánea

∆G = 0 ?

∆∆ G = 0 ==> Estado de EquilibrioG = 0 ==> Estado de Equilibrio

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∆∆ G G y Constante de Equilibrioy Constante de EquilibrioCondiciones Estándar de Reacción

Reactantes(1 atm., 1 M, 298ºK) <==> Productos(1 atm., 1 M, 298ºK)

∆Gº : cambio de energía libre estándar.∆G : cambio de energía libre fuera de condiciones normales de reacción.

En condiciones normales G = GG = G00 + n R T ln c + n R T ln c

En el equilibrio

∆∆ GGºº = - R · T · ln K = - R · T · ln K ln K = - ln K = - ∆∆ GGºº / RT / RT

K = eK = e--∆∆ Gº / RTGº / RT K = 10K = 10--∆∆ Gº / 2.3 RTGº / 2.3 RT

R: 1.987 cal

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∆Gº < 0 ; ∆Hº < 0 : Reacción espontánea y exotérmica

∆Gº < 0 ; ∆Hº > 0 : Reacción espontánea y endotérmica

∆Gº > 0 ; ∆Hº < 0 : Reacción no espontánea y exotérmica

∆Gº > 0 ; ∆Hº > 0 : Reacción no espontánea y endotérmica