CINÉTICA Y EQUILIBRIO QUÍMICO

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  • 1. PRÁCTICA DIRIGIDA DE QUÍMICA UNMSM TEMA: CINÉTICA Y EQUILIBRIO QUÍMICO CINÉTICA QUÍMICA Sea la reacción química: aA + bB → cCEs una parte química que se encarga de estudiar lavelocidad o rapidez con la que ocurren las reacciones se cumple:químicas, el mecanismo de cómo se consumen los = =reactantes y de los factores que alteran la velocidadde una reacción química Teorías para Explicar la Velocidad de Reacción υ Velocidad Media de Reacción (υ) 1. TEORÍA DE LAS COLISIONESEs una medida del cambio de concentración queexperimentan los reactantes o productos en un cierto Según esta teoría para que se produzca unaintervalo de tiempo. reacción deben cumplirse tres condiciones: Las moléculas de los reactivos tienen que ∆[ ]  mol mol  υ=±  ,  chocar entre sí. ∆ t.  L . s L . min    Estos choques deben de producirse con energía suficiente de forma que se puedanDonde: ∆ [ ] = [ ]final – [ ]inicial romper y formar enlaces químicos. En el choque debe haber una orientación ∆ t = t final − t inicial adecuada para que los enlaces que se tienen que romper y formar estén a una distancia y Variación de la Concentración Vs Tiempo posición viable. () Producto Reactante Inicio Tiempo Descripción: La concentración de los reactantes disminuye. 2. TEORÍA DEL COMPLEJO ACTIVADO La concentración de los productos aumenta. La velocidad al iniciar la reacción es máxima. Según esta teoría, cuando los reactantes se aproximan se produce la formación de un estado Velocidad de una Reacción y su Estequiometria intermedio de alta energía, alta inestabilidad y por tanto de corta duración, que se denominaLa velocidad con la cual se consume un reactante y la complejo activado. La energía que necesitan losvelocidad de formación de los productos son reactantes para alcanzar este complejo se llamaproporcionales a los coeficientes estequiométricos. energía de activación (Ea). Cuanto mayor sea la Página | 1
  • 2. “Año de la Inversión para el Desarrollo Rural y la Seguridad Alimentaria” energía de activación, en general, menor será la Una regla empírica es que la velocidad se velocidad de la reacción. duplica por cada 10°C de incremento de En conclusión sostiene que los reactantes deben temperatura. Esta regla sólo es una aproximación. absorber energía hasta llegar a un estado transitorio llamado “Complejo Activado” para 3. GRADO DE SUBDIVISIÓN poder transformarse en productos. Si los reactivos están finamente divididos, hay más superficie de contacto, es decir, más moléculas de reactivos que pueden chocar unas con otras, para romperse y formar las moléculas de los productos. Cuanto mayor sea el grado de división de los reactivos, con más velocidad se producirá la reacción. 4. CONCENTRACIÓN DE LOS REACTANTES Mientras mayor sea la concentración de cada reactante que se utilice en una determinadaFACTORES QUE AFECTAN LA VELOCIDAD reacción, mayor será la velocidad con que seDE REACCIÓN formen el o los productos. Esto porque a mayor concentración habrá más1. NATURALEZA DE LOS REACTIVOS opciones de choque entre las moléculas, por lo tanto, más velocidad de reacción. La velocidad de reacción varía mucho según la naturaleza de los reactivos. Por ejemplo, un Ley de Velocidad de Reacción trozo de sodio pierde inmediatamente su brillo debido a su reacción con el oxígeno y el agua Es la ecuación que expresa la relación entre las atmosféricos. El hierro también reacciona con concentraciones de los reactantes y la el oxígeno y la humedad del aire, formando velocidad de reacción. herrumbre, pero de forma más lenta. La velocidad de reacción es proporcional al En conclusión la rapidez de la reacción depende producto de las concentraciones de las de las propiedades químicas de los reactantes. sustancias que reaccionan elevada cada una de Orden de reactividad en los halógenos. I 2 < Br2 < Cl 2 < F2 ellas a coeficientes denominados órdenes parciales de reacción. Ejemplo: Sea la siguiente reacción: aA + bB → cC + dD H 2( g ) + F2( g ) → HF( g ) ⋅ Instantáneo α β H 2( g ) + I 2( g ) → HI( g ) ⋅ Lento La ley de velocidad es: v = k [A] [B]2. EFECTO DE LA TEMPERATURA Donde: A medida que la temperatura es mayor, [A] y [B] son las concentraciones molares aumenta la energía cinética de las moléculas, lo de los reactivos en un instante dado que provoca que choquen con mayor α y β son exponentes calculados de forma frecuencia, y que la reacción se realice más experimental rápidamente. Por lo tanto, cuando se eleva la k: es la constante de velocidad temperatura de una reacción química, aumenta v: es la velocidad instantánea de la reacción la velocidad de la misma. orden global o total de reacción = α + β Página | 2
  • 3. “Año de la Inversión para el Desarrollo Rural y la Seguridad Alimentaria”5. EFECTO DE LOS CATALIZADORES La ley de velocidad es: v = k [A]a[B]b Un catalizador es un agente que modifica la El orden de la reacción es: a + b velocidad de una reacción química sin experimentar cambio al final de la misma. En 2. REACCIONES COMPLEJAS una gran mayoría de casos los catalizadores son sustancias, pero a veces la luz o un campo Son aquellas cuyo mecanismo consta de varias eléctrico externo realizan también una labor etapas. Cada una de las reacciones que catalizadora. describen el mecanismo se llama reacción elemental. Si las reacciones elementales tienen Un catalizador acelera la velocidad de la diversas velocidades, la reacción más lenta reacción disminuyendo la energía de activación determina la velocidad de la reacción. y sin modificar el producto y sin ser consumido durante la reacción. Un inhibidor (catalizador negativo) es aquella EQUILIBRIO QUÍMICO sustancia que disminuye la velocidad de reacción y aumenta la energía de activación. Ejemplo: Es un estado, característico de las reacciones reversibles, en donde los reactantes se consumen en KClO 3(s) → KCl (s ) + O 2( g ) ⋅ lento forma parcial, de tal modo que al final del proceso MnO (en el equilibrio) coexisten junto con los productos. KClO 3(s )  2 → KCl (s ) + O 2( g ) ⋅ rápido  Desde el punto de vista físico el equilibrio es estático, ∴ El MnO 2 es un catalizador positivo. debido a que no se observan cambios macroscópicos a medida que transcurre el tiempo, por ejemplo: la concentración, presión, temperatura, etc. Desde el punto de vista químico el equilibrio es dinámico, debido a que la reacción directa e inversa se siguen desarrollando con la misma rapidez. Vdirecta = Vinversa Ejemplo: Condicion Inicial Estado en Equilibrio HCl H2 Cl2 ............. Cl2 MECANISMO DE REACCIÓN H2Es el proceso o pasos elementales a través de loscuales los reactivos se convierten en productos.De acuerdo al mecanismo de reacción, las En el equilibrio, coexisten las tres sustanciasreacciones se clasifican en: gaseosas, en la cual el número de moles es constante y por ello su concentración, presión permanecen1. REACCIONES SENCILLAS (ELEMENTALES) constantes. Vd Son aquellas reacciones lentas que se llevan a H 2(g) + Cl 2(g) 2HCl (g) cabo en una sola etapa y se pueden controlar. Vi Sea la siguiente reacción elemental: a A + b B → cC + dD Página | 3
  • 4. “Año de la Inversión para el Desarrollo Rural y la Seguridad Alimentaria” Variación de la Concentración Vs Tiempo Relación entre KP y KC ) ∆nmol KP = KC (RT) Inicio del estado L de equilibrio Donde: (HCl) ୟ୲୫.୐ R = 0,082 ୫୭୪.୏ (H 2) ∆n: variación de moles gaseosos (Cl 2 ) ∆n = (c + d)-(a + b) Inicio TIPOS DE EQUILIBRIO Tiempo )Descripción: 1. EQUILIBRIO HOMOGÉNEO Los reactantes y productos poseen el mismo La concentración de los reactantes (H2 y Cl2) estado físico (por lo general gaseoso o líquido) disminuye hasta alcanzar el estado de y por ello se dice que es monofásico. equilibrio. Ejemplo: La concentración del producto (HCl) aumenta 1N2(g) + 3H2(g) ⇌ 2NH3(g) hasta alcanzar el estado de equilibrio. 2. EQUILIBRIO HETEROGÉNEO CONSTANTE DE EQUILIBRIO (Keq) Son sistemas en la cual dos o más sustancias presentes en la reacción poseen estados físicos Toda reacción que alcanza el estado de equilibrio, a diferentes. La concentración de los sólidos y una determinada temperatura, presenta una líquidos puros no debe tomarse en cuenta en la constante que le es característica; su valor depende expresión de la constante de equilibrio ya que de la naturaleza de la reacción y de la temperatura. su concentración (densidad) permanece La importancia práctica de la Keq, tiene que ver constante cuando la temperatura es constante. con el rendimiento de la reacción debido a que es Ejemplo: posible calcular las cantidades de reactantes NH4Cl(s) ⇌ NH3(g) + HCl(g) productos presentes en el equilibrio. Sea la siguiente reacción reversible en equilibrio: KC = [NH3][HCl] aA + bB ↔ cC + dD Luego se define: PRINCIPIO DE LE-CHATELIER ) Kc = [C]c [D]d PC ⋅ PD c d Kp = Cuando un sistema en equilibrio es perturbado por [A]a [B]b PA ⋅ PB a b una acción externa, el sistema reacciona internamente para debilitar o neutralizar la perturbación, para ello debe desplazarse hacia la derecha o izquierda y luego Donde: restablecer un nuevo estado de equilibrio. Un sistema en equilibrio se puede perturbar Kc = constante equilibrio en función a la modificando: la concentración, presión, temperatura. concentración molar (mol / l) Kp = constante equilibrio en función a la presión 1. EFECTO DE LA CONCENTRACIÓN parcial de las sustancias gaseosas. Un aumento de la concentración de uno de los reactivos, hace que el equilibrio se desplace hacia Página | 4
  • 5. “Año de la Inversión para el Desarrollo Rural y la Seguridad Alimentaria” la formación de productos, y a la inversa en el D) La cantidad de sustancias que se transforma en caso de que se disminuya dicha concentración. Y la unidad de tiempo. un aumento en la concentración de los productos E) La masa de producto que se forma por minuto o segundo. hace que el equilibrio se desplace hacia la formación de reactivos, y viceversa en el caso de 2. Marque la secuencia correcta respecto a los que se disminuya mecanismos de reacción.2. EFECTO DE LA PRESIÓN I. Es el conjunto de etapas de reacción desde La variación de la presión en un equilibrio, sólo reactivos hasta productos. influye cuando intervienen sustancias en estado II. Se clasifican en mecanismos de primer y de segundo orden. gaseoso y se verifica una variación en el número III. Las reacciones complejas tiene más de una de moles entre reactivos y productos. Si aumenta etapa de reacción. la presión se desplazará hacia donde existan menor número de moles gaseosos, para así A) VVV B) VFF C) VFV contrarrestar el efecto de disminución de D) FVV E) FFF volumen. En cambio, si se disminuye la presión, se 3. Marque la secuencia correcta con respecto a las energías involucradas en una reacción química. favorecerá la reacción en la que los productos ocupen un volumen mayor que los reactivos I. La energía de activación es siempre positiva. II. La energía de reacción es positiva para las3. EFECTO DE LA TEMPERATURA reacciones exotérmicas. Se observa que, al aumentar temperatura el III. En una reacción endotérmica la energía de los sistema se desplaza hacia donde se consuma productos es mayor que la de los reactivos. calor, es decir, hacia la izquierda en las A) VVV B) FFV C) VFV reacciones exotérmicas y hacia la derecha en las D) VVF E) VFV endotérmicas. Si disminuye la temperatura el sistema se 4. La expresión de velocidad para la reacción desplaza hacia donde se desprenda calor (derecha sencilla: en las exotérmicas e izquierda en las A2 + 2 B → 2 AB es: endotérmicas). A) VRx = k[AB]2 B) VRx = k[A]2 [B]24. EFECTO DEL CATALIZADOR C) VRx = k[A]2 [2B] Un catalizador cambia la velocidad de una D) VRx = k[A2] [B] reacción, pero no desvía el equilibrio hacia los E) VRx = k[A2] [B]2 productos ni hacia los reactivos. Afecta igualmente a la energía de activación de 5. La reacción AB2 → Productos, es de segundo la reacción directa y a la de la inversa y por ello, orden. Calcule la velocidad de reacción cuando la concentración del reactivo es de 0,2M y la lo único que hace es que el equilibrio se alcanza constante de velocidad es de 2,5 Lmol-1s-1. con mayor rapidez A) 0,50 B) 0,10 C) 0,25SEMANA Nº 11: D) 0,05 E) 0,01 CINÉTICA QUÍMICA 6. Calcule el valor de la constante de velocidad para1. La velocidad de una reacción se mide como: la reacción sencilla: 2A+B → 2C A) El cambio de concentración de una sustancia Si la velocidad de reacción es de 0,05Ms-1, cuando en la unidad de tiempo la concentración de A es de 0,1M y la de B B) El tiempo que dura la transformación de una 0,05M. molécula en otra. C) La frecuencia con que chocan unas moléculas A) 10 B) 100 C) 0,25 contra otras. D) 50 E) 0,01 Página | 5
  • 6. “Año de la Inversión para el Desarrollo Rural y la Seguridad Alimentaria” 7. Marque la secuencia de verdadero (V) o falso (F) 12. Por acción del calor, la fosfina (PH3) se sobre las siguientes proposiciones: descompone según la siguiente reacción: I. La velocidad y mecanismo de reacción son 4 PH3(g) → P4(g) + 6 H2(g) estudiadas por la cinética química. II. El mecanismo de una reacción está Considerando que la reacción es de primer orden, constituida por las etapas en que esta ocurre calcule la velocidad de reacción cuando [PH3]= III. De acuerdo al mecanismo, las reacciones 1,5 mol.L-1 y k = 0,002 min-1 pueden ser sencillas y complejas. IV. Si la reacción es sencilla, esta se desarrolla A) 0,001 mol/L.s B) 0,003 mol/L.min en una sola etapa. C) 0,003 mol.L/s D) 0,015 mol/L.min E) 0,005 mol.L/min A) VVVV B) VVFF C) VFVV D) FVFV E) FFVV 13. Respecto de la teoría de las colisiones y la teoría del complejo activado, marque la secuencia 8. Marque la respuesta que contiene a las correcta de verdadero (V) o falso (F) para los afirmaciones correctas. siguientes enunciados: I. Según la teoría de las colisiones, todos los I. La velocidad de reacción aumenta cuando choques son efectivos. aumenta la concentración de los reactantes. II. La energía de activación es positiva y II. El tamaño de partículas se relaciona de permite la formación del complejo manera inversamente proporcional con la activado. velocidad de reacción. III. En las reacciones endotérmicas, la energía III. El catalizador aumenta la velocidad de de los productos es mayor que la energía de reacción y al final se transforma en productos los reactantes. A) I y II B) I y III C) II y III A) VVV B) FVF C) VVF D) FVV E) VFF D) Solo I E) Solo II. 14. Para la reacción sencilla que se muestra a 9. Para la siguiente reacción sencilla: 2 A + B → C , continuación: marque la secuencia correcta: NH4+(ac) + NO2-1(ac) → N2(g) + 2 H20(l) I. Se lleva a cabo en una sola etapa. La ley de velocidad de reacción y orden de II. El orden total de reacción es 3 reacción es: III. Su ley de velocidad se expresa como: VRx= k[A]2 [B] A) VRx = k[N2][H2O] y 2 B) VRx = k[NH4+] [N2] y 1 A) FFV B) VVV C) FVF D) VFV E) VVF C) VRx = k[NH4+] [NO2-1] y 2 D) VRx = k[NH4+] [NO2-1] y 110. ¿Cuál de las siguientes reacciones acompañadas E) VRx = k[NH4+] [NO2-1] y 3 por su respectiva ley de velocidad es compleja y de tercer orden a la vez? 15. La siguiente reacción: 2 AB(g) + C2(g) → A2(g) + 2 BC(g) es homogénea en fase gas y se lleva a A) 2 A → 3C + D Vrx= k[A]2 cabo en dos etapas: B) 2 A + B → C + 2D Vrx= k[A]2 [B] C) 2 A + 2 C → 3D + 2E Vrx= k[A]2 [C] I. AB + C2 → AC + BC reacción lenta D) A + 2B → C Vrx= k[A] [B]2 II. AC + AB → BC + A2 reacción rápida E) A2 + 2B → 2C Vrx= k[A2] [B]2 Marque la respuesta correcta sobre esta11. En la reacción sencilla A + 2B → C, calcule la reacción: [A] cuando la [B] es 0,2M, la velocidad de reacción es 0,005 mol/L.s y k= 0,25 L2mol-2s-1. A) Es una reacción sencilla. B) El orden total de la reacción es 3. A) 5 x 10-1 mol/L B) 1 x 10-1 L/mol C) El producto intermedio es AB. C) 2 x 10-3 mol/L D) La ley de velocidad está dada por D) 1 x 10-3 L/mol E) 5 x 10-1 L/mol VRx = k[AB]2[C2] E) La ley de velocidad depende de la etapa más lenta. Página | 6
  • 7. “Año de la Inversión para el Desarrollo Rural y la Seguridad Alimentaria”16. Determine la expresión de la ley de velocidad ¿Cuál es la presión parcial de NO2 si la presión para la siguiente reacción: de N2O4 es de 4 atm? A + B2 → C + D2 Si experimentalmente se ha obtenido los datos A) 1,50 B) 3,00 C) 2,00 que figuran en la tabla D) 1,41 E) 0,72 [A] [B] Velocidad de reacción 5. En un recipiente cerrado de un litro de capacidad, 0,0126 0,0125 1,40 x 10-2 se tiene una mezcla en equilibrio formada por: 0,0252 0,0250 1,12 x 10-1 0,05 moles de SO3, 0,1 moles de SO2 y 0,2 moles 0,0252 0,0125 5,60 x 10-2 de O2 a 300ºC. Calcule el valor de KC, según la ecuación química: A) VRx = k[A]2[B2] B) VRx = k[A] [B2] SO2(g) + O2(g) ⇌ SO3(g) + Q C) VRx = k[A] [B2]2 D) VRx = k[A]2 A) 12,00 B) 0,62 C) 1,25 E) VRx = k[B2]2 D) 0,25 E) 2,50 6. La tostación del sulfuro de zinc representada por EQUILIBRIO QUÍMICO la ecuación química: 1. Un sistema está en equilibrio cuando: ZnS(s) + O2(g) ⇌ ZnO(s) + SO2(g) A) La concentración de reactivos y productos Se lleva a cabo a una presión de 2 atmósferas. son iguales. Calcule el valor de la constante de equilibrio KP, B) Las reacciones terminan y ya no hay si alcanzado el equilibrio se tiene 1 mol de O2 y 2 cambio en el sistema. moles de SO2. C) Los productos comienzan a convertirse en reactivos. A) 6,0 x 100 atm-1 B) 2,0 x 10-1 atm-2 D) Las velocidades de reacción directa e C) 0,6 x 10-1 atm-3 inversa son iguales. D) 5,0 x 10-1 atm-1 E) 1,6 x 100 atm-1 E) La presión y la temperatura del sistema son constantes. 7. A 2000ºC y a una presión total de 1 atm, la presión parcial del agua gaseosa es 0,976 atm. 2. Marque la secuencia correcta respecto al Calcule a estas condiciones el KP de la reacción: equilibrio químico: 2 H2O(g) ⇌ 2 H2(g) + O2(g) I. Las reacciones en equilibrio pueden ser A) 2,15 x 10-6 B) 2,15 x 106 homogéneas y heterogéneas. C) 1,25 x 10-3 II. La constante de equilibrio depende de la D) 2,15 x 102 E) 1,25 x 103 temperatura y de las concentraciones de las sustancias. 8. Para la reacción química en equilibrio cuya III. Los sólidos puros y los gases no se ecuación es: N2O4(g) ⇌ 2 NO2(g) consideran en la expresión de equilibrio. Calcule la concentración de NO2, si KC = 0,1 y la A) VVV B) VFF C) VFV concentración de N2O4 es 0,1M. D) FVF E) FFF A) 1,0M B) 0,2M C) 0,5M 3. La expresión de equilibrio para el sistema: D) 0,1M E) 0,3M H2(g) + I2(g)⇌ 2 HI(g) es 9. Si la presión parcial del amoniaco en el equilibrio A) KC = [H2]2[I2]2 / [HI]2 NH4HS(s) ⇌ NH3(g) + H2S(g) es 2,0x101 atm. B) KC = [HI]2 / [H2]2[I2]2 Determine la presión parcial del H2S si KP es C) KP = P(H2) x P(I2) / P2(HI) 6,8x10-2 atm2 a 295K. D) KP = P2(HI)/ P(H2) x P(I2) E) KP = P2(H2) x P2(I2) A) 1,4 x 10-1 B) 3,4 x 10-5 C) 1,4 x 102 4. A ciertas condiciones el sistema en equilibrio: D) 3,4 x 10-3 E) 3,4 x 10-4 2 NO2(g) ⇌ N2O4(g) tiene como valor de KP = 2. Página | 7
  • 8. “Año de la Inversión para el Desarrollo Rural y la Seguridad Alimentaria”10. Determine el valor de la constante de equilibrio I. La reacción es reversible, endotérmica y KP para la reacción, cuya ecuación se indica a redox. continuación: 2 A/g) + B(g) ⇌ D(g) , si las II. La constante de equilibrio es KP = P(NH3)/ presiones parciales en el equilibrio son PA= 1 P(N2) x P(H2) atm; PB = 0,5 atm y PD = 0,25 atm. III. En un proceso isotérmico, el equilibrio se desplaza a la izquierda cuando se añade A) 1,2atm B) 1,3atm-1 C) 1,4atm2 hidrógeno. D) 0,5atm-2 E) 1,6 IV. La producción de amoniaco se incrementa, al aumentar la temperatura en un proceso11. A 17°C y a 1 atm; una mol-g de N2O4 está isobárico. disociado en un 20%. Calcule el KP de la reacción en equilibrio. A) VFFF B) FVFV C) VFFV N2O4 ⇌ NO2 D) FFVV E) FFFF A) 1,0 B) 0,2 C) 0,5 15. Marque la secuencia, verdadero (V) o falso (F), D) 0,3 E) N.A para el sistema cerrado en equilibrio.12. Para el sistema en equilibrio mostrado, señale la CaCO3(s) + calor ⇌ CaO(s) + CO2(g) alternativa que exprese el comportamiento del sistema a los cambios: I. Es un equilibrio heterogéneo y exotérmico. II. Al retirar CO2, el equilibrio se desplaza a la PCl3(g) + Cl2(g) ⇌ PCl5(g) ∆Hº = 92,5kJ izquierda. III. La expresión para la constante de equilibrio I. Aumento de la presión es KP = P(CO2) II. Aumento en la concentración de Cl2 III. Aumento en la temperatura A) VFF B) FFV C) VFV IV. Disminución en la concentración de PCl3. D) FFF E) FVF V. Añadir un catalizador 16. Dentro de un recipiente de un litro se obtiene A) →, →, →, →,….. ozono a partir de oxígeno molecular y en B) →, →, →, ←,…… condiciones adecuadas se alcanza el equilibrio C) ←, →, →, ←,…. en fase gaseosa. Marque la secuencia de verdad D)…., ←, →, →, → (V) o falsedad (F), para los enunciados, cuando E) →, ←, →, ←, ← en el equilibrio se encuentran 0,04 moles de O2 y 0,4 moles de O3.13. En el sistema en equilibrio mostrado señale los procesos que produzcan un aumento del I. El equilibrio es homogéneo y se desplaza producto. hacia la derecha al añadir catalizador. II. El valor de la constante de equilibrio KC es N2F4(g) ⇌ 2 NF2(g) ∆Hº = 38,5Kj 0,4. III. La producción de ozono aumenta al I. Aumento de la presión. incrementar la presión. II. Aumento en la concentración de NF2. IV. La formación de ozono disminuye cuando III. Aumento de la temperatura. se incrementa la concentración de O2. IV. Añadir un catalizador. A) VFFV B) FVFV C) VFVF A) I, II y III B) II y IV C) I y IV D) FFVF E) FFFF D) IV E) III14. La materia prima para la fabricación de Profesor: Antonio Huamán Navarrete fertilizantes en el mundo es el amoniaco y su Lima, Abril del 2013 obtención se describe mediante la siguiente ecuación química: H2(g) + N2(g) ⇌ NH3(g) ∆Hº = -92,2kJ Marque la secuencia correcta de verdad (V) o falsedad (F). Página | 8