Conceptos Fundamentales de Termoquímica y Cinética Química

Termoquímica

Entalpía (ΔH)

Es la cantidad de energía que un sistema termodinámico puede intercambiar con su entorno a presión constante. Se expresa con la fórmula: ΔH = ΔU + PΔV = qp.

• Proceso exotérmico: Libera calor (ΔH < 0).
• Proceso endotérmico: Absorbe calor (ΔH > 0).

El cambio de entalpía de una reacción se calcula como la diferencia entre la entalpía de los productos y la de los reactantes: ΔH°reacción = ΣnΔH°f(productos) - ΣmΔH°f(reactantes).

Complejo activado o estado de transición

Es un estado de alta energía donde se forman especies químicas intermedias inestables durante el transcurso de una reacción.

Energía de activación (Ea)

Es la energía mínima que se debe suministrar a los reactantes para que alcancen el complejo activado y la reacción pueda comenzar.

Relación para gases

Para reacciones que involucran gases, la relación entre el cambio de entalpía y el cambio de energía interna es: ΔH = ΔU + ΔnRT, donde Δn es el cambio en el número de moles de gas (moles de productos gaseosos - moles de reactantes gaseosos).

Ley de Hess

Establece que si una reacción transcurre en varias etapas, la variación de entalpía del proceso global es la suma de las variaciones de entalpía de las etapas individuales, independientemente del camino seguido.

Principio de Berthelot y Thomsen

Sostiene que todo cambio químico que se produce sin la intervención de energía externa tiende hacia la formación de aquellas sustancias que liberan la mayor cantidad de energía (procesos más exotérmicos).

Entropía (S)

Es una medida del grado de desorden o aleatoriedad de las moléculas que integran un sistema. En un proceso espontáneo e irreversible, la entropía del universo siempre aumenta.

Energía libre de Gibbs (G)

Indica la cantidad de energía disponible para efectuar trabajo útil a temperatura y presión constantes. Es una función de estado y su cambio (ΔG) determina la espontaneidad de un proceso. Se calcula con la fórmula: ΔG = ΔH - TΔS.

Cinética Química

Velocidad de reacción

Es el cambio que experimenta la concentración de los reactantes o productos con respecto al tiempo.

Factores que influyen en la velocidad de reacción

1. Naturaleza de los reactantes: La estructura atómica y los enlaces de las sustancias determinan su reactividad inherente. Ejemplo: la oxidación del hierro es más lenta que la del magnesio.
2. Concentración de los reactantes: A mayor concentración, mayor es la frecuencia de colisiones entre partículas, lo que generalmente aumenta la velocidad de la reacción.
3. Temperatura: Un aumento en la temperatura incrementa la energía cinética de las moléculas, provocando colisiones más frecuentes y energéticas, lo que acelera la reacción.
4. Presencia de un catalizador: Un catalizador es una sustancia que aumenta la velocidad de una reacción química sin consumirse en el proceso, al proporcionar una ruta de reacción alternativa con menor energía de activación.
5. Estado físico y superficie de contacto: Mientras más finamente divididos estén los reactantes sólidos, mayor será su superficie de contacto y, por lo tanto, más rápida será la reacción.

Orden de reacción

Describe la influencia matemática que tiene la concentración de los reactantes sobre la velocidad de una reacción. Se determina experimentalmente y puede ser de orden cero, primer orden, segundo orden, etc.

Energía de activación (Ea)

Es la barrera de energía mínima que deben superar las moléculas de los reactantes para que sus colisiones sean efectivas y se inicie la reacción química.

Efecto de un catalizador

Un catalizador actúa proporcionando un mecanismo de reacción alternativo que tiene una menor energía de activación (Ea), lo que permite que un mayor número de partículas reaccionen en un tiempo dado, aumentando así la velocidad de la reacción.