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Tema 5. Cinética química, termodinámica y equilibrio (III)

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Autor: Javier Pozuelo de Diego

QUIMICA DE MATERIALES

TEMA 5. CINÉTICA QUÍMICA, TERMODINÁMICA Y EQUILIBRIO

Equilibrio químico

Naturaleza del equilibrio químico

La mayoría de las reacciones químicas son reversibles.

eq1

Equilibrio Químico:
Se produce cuando las velocidades de la reacción directa e inversa se igualan.

eq2

linea

Supongamos la reacción:

eq3

Se van a realizar tres experimentos partiendo de concentraciones diferentes de cada compuesto.

Para un instante inicial:

eq4

Cuando paso un tiempo suficiente para llegar al equilibrio
eq5

 

eq6

La constante de equilibrio será:

eq7

eq8

La constante de equilibrio está relacionada con las concentraciones en el equilibrio y es independiente de las concentraciones iniciales.

Equilibrios homogeneos

Aquellos en los que todas las especies se encuentran en la misma fase.

Supongamos la reacción:

eq9

En función de la concentraciones

eq10

En función de las presiones

eq11

Relación entre KC y KP

 

Supongamos la reacción:

eq12

eq13

eq14

Equilibrios heterogeneos

Aquellos en los que todas las especies no se encuentran en la misma fase.

 

Supongamos la reacción:

eq16

La concentración molar de sólidos y líquidos siempre es constante

Por ejemplo: El Cu tiene una densidad = 8.96 g/cm3, ésta es la misma para 1 gramo que para 1 tonelada

eq15

Equilibrios multiples

Supongamos la reacción:

eq17

Si la reacción se puede escribir como:

eq18

 

Deducción termodinámica de la constante de equilibrio

Sabemos que:

eq19

eq20

eq21

Si el proceso se realiza a temperatura constante: eq22

eq23

Supongamos la reacción: eq24

eq25

Factores que alteran el equilibrio Químico

Principio de Le Châtelier

Si se aplica una tensión externa a un sistema en equilibrio, el sistema se ajusta de tal manera que se cancela parcialmente dicha tensión alcanzando una nueva posición de equilibrio.

“tensión” o un cambio en la concentración, presión, volumen o temperatura.

linea

Cambios en la concentración: eq26

Si añadimos una cantidad de A el equilibrio de desplaza a la derecha

Si [A] aumenta, [B] debe aumentar eq27

Si añadimos una cantidad de B el equilibrio de desplaza a la izquierda

Si [B] aumenta , [A] debe aumentareq28

Sea la reacción: eq29a

eq29

linea

Cambios en la presión y en el volumen.

Es poco importante en fases condensadas pero muy importante para gases.

Supongamos la reacción: eq30

Si p aumenta flecha V disminuye flecha [ ] disminuyen

Si a = b Se mantiene el mismo equilibrio

Si a > b La reacción se desplaza a la derecha

Si a < b La reacción se desplaza a la izquierda

El razonamiento para los cambios de volumen es similar al de la presión.

eq31

Si la reacción es exotérmica

Si T aumenta la reacción se desplaza a la izquierda

Si T disminuye la reacción se desplaza a la derecha

 

 

Si la reacción es endotérmica

Si T aumenta la reacción se desplaza a la derecha

Si T disminuye la reacción se desplaza a la izquierda

El equilibrio ácido-base. Definiciones

Definición clásica de Arrhenius

Ácido: Aquella sustancia que en disolución acuosa genera grupos H+

eq32

Base: Aquella sustancia que en disolución acuosa genera grupos OH -

eq33

linea

Teoría de Bronsted-Lowry (para disolventes distintos de agua)

Ácido: Aquella sustancia capaz de ceder grupos H+

eq36

eq34

Base: Aquella sustancia capaz de aceptar H+

eq35

Pares conjugado ácido-base

Ácido conjugado: Se forma cuando la base gana un protón

eq37

Base conjugada: Se forma cuando el ácido pierde un protón.

eq38

linea

Teoría de Lewis

Ácido: Aquella sustancia capaz de aceptar un par de electrones
Base: Aquella sustancia capaz de donar un par de electrones

eq39

Propiedades Ácido-Base del agua

El agua puede actuar como ácido y como base.

eq40

Producto iónico del agua:

La constante de equilibrio es:

Como el agua es el disolvente:

eq41

eq42

Se define como pH, pOH o pK como el menos logaritmo decimal de la concentración de protones, de grupos OH o de la constante de equilibrio, respectivamente.

Relación pH y pOH

eq43

eq44

eq45

eq48

eq46

eq47

Fuerza de ácidos y bases

Ácidos fuertes: Son electrolitos fuertes, se ionizan completamente.

eq49

Ácidos débiles: Son electrolitos débiles, no se ionizan completamente.

eq50

Bases fuertes: Son electrolitos fuertes, se ionizan completamente.

eq51

Bases débiles: Son electrolitos débiles, no se ionizan completamente.

eq52

En el equilibrio: eq53

eq54

Porcentaje de Ionización

Se define como:

eq55

eq58

Sea la reacción:

eq56

Sea la reacción:

eq57

Relación entre constante de acidez y basicidad

Sean las reacciones: eq59

eq60

Ácidos dipróticos y polipróticos

Son aquellos ácidos que pueden ceder más de un protón H+

Ejemplo: ácido carbónico (H2CO3)

eq61

Ejemplo: ácido fosfórico (H2PO4)

eq62

Hidrólisis

Una sal en presencia de agua se disocia completamente en un anión y un catión

Hidrólisis: Es la reacción con agua del catión o del anión que proceden de una sal al disociarse.

A) Hidrólisis de sales que producen disoluciones neutras (derivadas de un ácido y una base fuertes)

eq63

No existe reacción de hidrólisis

linea

B) Sales que producen disoluciones básicas (derivadas de una base fuerte y un ácido débil)

eq64

Dato: constante del ácido acético. Ka (acético)

eq65

linea

C) Sales que producen disoluciones ácidas (derivadas de una base débil y un ácido fuerte)

eq66

Dato: constante del amoniaco. Kb (NH3)

eq67

linea

D) Sales en las que se hidrolizan el anión y el catión (derivadas de una base débil y un ácido débil)

eq68

Datos: constante del ácido acético y constante del amoniaco. eq69

eq70

Propiedades ácido-base de óxidos e hidróxidos

A) Óxidos básicos: (En presencia de agua originan disoluciones básicas)

Óxidos de los grupos 1A y 2A (excepto BeO)

eq71

B) Óxidos ácidos: (En presencia de agua originan disoluciones ácidas)

Óxidos no metálicos con nº de oxidación alto N2O5, CO2, SO3, CL2O7

eq72

C) Óxidos anfóteros: Óxidos que pueden comportarse como ácidos y como bases

BeO y óxidos del grupo 3A y 4A

eq73

D) Hidróxidos anfóteros: Hidróxidos que pueden comportarse como ácidos y como bases

eq74

Disoluciones reguladoras o tampones (efecto del ión común)

Efecto del ión común: Es el desplazamiento del equilibrio causado por la adición de un compuesto que tiene un ión común con la sustancia disuelta.

Disolución reguladora o tampón: Mezcla de un ácido o base débil y su sal conjugada. La disolución no cambia el pH aún cuando se añada una pequeña cantidad de ácido o base fuerte

linea

A) Ácido débil con su sal conjugada   eq75

eq76

Al añadir la sal conjugada el equilibrio del ácido se desplaza hacia la izquierda.

eq77

linea

B) Base débil con su sal conjugada eq78

eq79

Al añadir la sal conjugada el equilibrio de la base se desplaza hacia la izquierda.

eq80

Por tanto:    eq81

Valoraciones ácido-base

Valoración, ácido base: es un procedimiento para determinar la concentración de una disolución mediante otra de concentración conocida

A) Valoración ácido fuerte-base fuerte

Curva de valoración. NaOH 0.1M sobre 25 mL HCl 0.1M

NaOH + HCl —› nº mol (NaOH)

En el punto de equivalencia

nº mol (HCl) = nº mol (NaOH)

MaVa = MbVb

eq82

B) Valoración ácido debil-base fuerte

Curva de valoración. NaOH 0.1M sobre 25 mL CH3COOH 0.1M

El punto de equivalencia se encontrará a un pH básico

eq83

C) Valoración ácido fuerte-base debil

Curva de valoración. HCl 0.1M sobre 25 mL NH3 0.1M

El punto de equivalencia se encontrará a un pH ácido

eq84

Indicadores ácido-base: Son sustancias que a un determinado pH cambian de color.

eq85

Si: eq86 Predomina el color del ácido (color A)

Si: eq87 Predomina el color de la base (color B)

Predomina el color del ácido (color B) eq88

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