Fundamentos de Cinética Química y Equilibrio de Reacciones

Cinética Química: Factores que Determinan la Velocidad de Reacción

La cinética química estudia la velocidad a la que ocurren las transformaciones químicas y los factores que la influyen.

Factores Influyentes en la Velocidad de Reacción

• Ecuación de Velocidad: Expresa la dependencia de la velocidad con las concentraciones de los reactivos.

  $$V = K \cdot [A]^{\alpha} \cdot [B]^{\beta}$$

• Temperatura: La relación entre la constante de velocidad ($K$) y la temperatura ($T$) se describe mediante la Ley de Arrhenius:

  $$K = K_0 \cdot e^{-E_a / (R \cdot T)}$$

• Concentración y Presión: Para gases, la relación entre presión ($P$), concentración ($[X]$) y temperatura se basa en la ley de los gases ideales:
  • $$P \cdot V = n \cdot R \cdot T$$
  • $$P = \frac{n \cdot R \cdot T}{V} \implies \frac{n}{V} = \text{Concentración}$$
  • $$P = [X] \cdot R \cdot T$$
• Estado de Agregación:
  • Sólidos: Pocas colisiones, reacciones lentas. El grado de división es crucial: cuantas más partes, mayor superficie de choque.
  • Líquidos: Colisiones medias, velocidad media en las reacciones.
  • Gases: Muchas colisiones, reacciones más rápidas.
• Catalizadores: Sustancias que modifican la velocidad de reacción sin consumirse ni alterar los estados termodinámicos finales.
  • Catalizadores Positivos: Aumentan la velocidad.
  • Catalizadores Negativos (Inhibidores): Disminuyen la velocidad.

  Nota: Los catalizadores no modifican magnitudes termoquímicas ($\Delta H, \Delta G, \Delta S$), ni la cantidad final de producto, ni el orden de reacción.

Conceptos Adicionales en Cinética

Orden de Reacción: Son los exponentes ($\alpha, \beta$) de las concentraciones en la ecuación de velocidad.

Orden de Reacción Total: Es la suma de los exponentes de las concentraciones en la ecuación de velocidad ($\alpha + \beta$).

Fórmulas Relacionadas con la Velocidad

• La velocidad de reacción ($V$) se expresa generalmente en función de los reactivos consumidos o productos formados, manteniendo una relación estequiométrica: $$V_{\text{reactivo}} = -\frac{1}{a} \frac{d[A]}{dt} = -\frac{1}{b} \frac{d[B]}{dt} = \frac{1}{c} \frac{d[C]}{dt} = \frac{1}{d} \frac{d[D]}{dt}$$ (Donde $a, b, c, d$ son los coeficientes estequiométricos).
• Problemas de Experiencias: Se resuelven mediante proporciones, simplificando, sustituyendo y hallando los órdenes o la constante $K$.

Diagramas Entálpicos

Representan la energía de los reactivos frente a la de los productos.

• Reacción Endotérmica: $\Delta H = H_{\text{productos}} - H_{\text{reactivos}} > 0$ (Absorbe energía).
• Reacción Exotérmica: $\Delta H = H_{\text{productos}} - H_{\text{reactivos}} < 0$ (Libera energía).

Equilibrio Químico

El equilibrio químico se alcanza en reacciones reversibles cuando las velocidades de reacción directa e inversa se igualan.

Tipos de Reacciones

• Reacciones Irreversibles: Ocurren en un recipiente abierto, donde los productos tienden a abandonar el sistema (excepto si son sólidos o líquidos).
• Reacciones Reversibles: Ocurren en recipiente cerrado, permitiendo el intercambio de energía pero no de materia. Son procesos simultáneos (formación y destrucción de reactivos/productos) hasta alcanzar el equilibrio.

Constantes de Equilibrio

La relación entre concentraciones o presiones en el estado de equilibrio define la constante.

Constante de Concentración ($K_c$)

Para una reacción general $aA + bB \rightleftharpoons cC + dD$:

$$K_c = \frac{[C]^c \cdot [D]^d}{[A]^a \cdot [B]^b}$$

Constante de Presión ($K_p$)

Cuando solo participan gases:

$$K_p = \frac{(P_C)^c \cdot (P_D)^d}{(P_A)^a \cdot (P_B)^b}$$

Relación entre $K_p$ y $K_c$:

$$K_p = K_c \cdot (R \cdot T)^{\Delta n} \quad ; \quad K_c = K_p \cdot (R \cdot T)^{-\Delta n}$$

Magnitudes Relacionadas con Gases en Equilibrio

• Composición en % en Volumen (para gases): $$\% = \frac{n_A}{n_T} \cdot 100$$
• Presiones Parciales ($P_A$): Se derivan de la ley de los gases ideales aplicadas al componente A: $$P_A \cdot V = n_A \cdot R \cdot T \implies P_A = \frac{n_A}{V} \cdot R \cdot T = [A] \cdot R \cdot T$$
• Fracción Molar ($X_A$): $$X_A = \frac{n_A}{n_T} \implies P_A = X_A \cdot P_T$$
• Grado de Disociación ($\alpha$): Representa la fracción de la sustancia inicial que se ha disociado o reaccionado. $$\alpha = \frac{\text{nº moles disociados}}{\text{nº moles iniciales}}$$ $$\alpha = \frac{\text{concentración disociada}}{\text{concentración inicial}}$$ $$\alpha = \frac{X}{C_0}$$

Factores que Afectan al Equilibrio: Ley de Le Chatelier

Si se altera una condición de equilibrio (concentración, temperatura o presión), el sistema se desplazará en la dirección que contrarreste dicha alteración.

Efecto de la Temperatura

• Enfriamiento de la reacción: Favorece el sentido exotérmico (liberación de calor).
• Calentamiento de la reacción: Favorece el sentido endotérmico (absorción de calor).

Consideraciones sobre las Especies en las Constantes

Sustancias Usadas en Cálculos de Concentración y Disociación

• Se consideran sólidos, líquidos y gases para el cálculo de concentraciones y grado de disociación.

Sustancias Usadas en Cálculos de Presión y Fracción Molar

• Se usan solo gases para el cálculo de presiones parciales y fracción molar.