PARA PENSAR

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” La velocidad de mi amor por ti es linealmente positiva y

tiende al infinito ” 

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EQUILIBRIO QUÍMICO

El equilibrio es un estado en el que no se observan cambios a medida que  transcurre el tiempo. Cuando una reacción alcanza el equilibrio las concentraciones de reactivos y productos permanecen constantes. El equilibrio es un estado dinámico en el que se mantienen iguales las velocidades de dos reacciones opuestas.

El estudio del equilibrio químico es importante, ya que nos permite establecer hasta qué punto puede avanzar un proceso. Si queremos ver a que velocidad ocurren los cambios en dicho proceso, debemos revisar la cinética química de dicho proceso.

Algunas de las áreas donde podemos aplicar los principios en los que se fundamenta el equilibrio químico y la cinética química, son:

a) Industria de los alimentos: Período de caducidad de alimentos enlatados y el  uso de conservadores
b) Industria automotriz: Convertidores catalíticos para disminuir la emisión de sustancias nocivas.
c) Medicina: Determinar la caducidad de los medicamentos.
d) Perfumería: Producción de sustancias estables y con olores agradables.
e) Ecología: Control de emisiones tóxicas con ayuda de catalizadores y, evitar la
contaminación por plaguicidas, al conocer su tiempo de permanencia en el ambiente.
f) En la casa: Conservación de los alimentos por congelación.

Reversibilidad de las reacciones químicas.

Hasta este momento, hemos considerado que las reacciones químicas ocurren partiendo de reactantes y terminando en los productos. Sin embargo, la mayoría de las reacciones químicas son reversibles; es decir, una vez formados los productos, éstos reaccionan entre sí y forman nuevamente a los reactantes. Por ejemplo, el dióxido de nitrógeno es un gas café rojizo, que al enfriarse se transforma en tetraóxido de dinitrógeno, el cual es un líquido amarillo.Este último, al calentarse se transforma nuevamente en dióxido de nitrógeno.

La reversibilidad de una reacción, se representa mediante dos flechas encontradas, las cuales nos indican que las dos reacciones se están llevando a cabo simultáneamente. A la reacción que va de reactantes a productos se le conoce como reacción directa, mientras que a la que va de productos a reactantes, se le denomina reacción inversa.

Un ejemplo cotidiano de reacciones reversibles, lo observamos en las pilas recargables, las cuales una vez agotadas pueden ser recargadas nuevamente haciendo pasar una corriente eléctrica a través de ellas. En este tipo de pilas, los productos que se forman reaccionan entre sí al hacerles pasar una corriente eléctrica, formando de nuevo los reactantes encargados de producir la energía eléctrica. En algunas reacciones sólo es perceptible la reacción directa, la reacción inversa no es evidente. Una reacción de este tipo, que ocurre sólo hacia la derecha, recibe el nombre de reacción irreversible. Un ejemplo de lo anterior es la oxidación de un clavo, la cual representamos con la siguiente ecuación química: 

2Fe + O –>2FeO

De acuerdo al sentido de desplazamiento, las reacciones químicas, éstas pueden ser reversibles o irreversibles.

En la naturaleza, la mayoría de las reacciones químicas son reversibles y una de sus características es que después de un cierto tiempo la velocidad de la reacción directa es igual a la velocidad de la reacción inversa; a este estado dinámico se le conoce con el nombre de equilibrio químico.

Durante el equilibrio químico, las cantidades de reactantes y productos permanecen constantes. Hasta aquí hemos visto que las reacciones pueden ser reversibles e irreversibles.

¿A qué se debe que algunas reacciones sean reversibles y otras irreversible?

Una reacción es irreversible, cuando la energía que se requiere para romper los enlaces de los reactantes es mucho menor que la que se requiere para romper los enlaces de los productos. A esta energía se le llama energía de activación; por lo tanto, en una reacción reversible, la energía de activación de los productos es igual o menor que la de los reactantes.

2 En una reacción reversible, se llevan a cabo dos reacciones que son contrarias, cada una ocurre a cierta velocidad, a esta velocidad se le llama velocidad de reacción y puede ser calculada con base en lo que establece la llamada “ley de acción de masas”.

VELOCIDAD DE REACCIÓN

El concepto de velocidad es algo que la mayoría de nosotros tenemos claro:  Medimos la velocidad con la que se desplazan los automóviles, la que adquiere una pelota de béisbol al ser lanzada por un pitcher, la que alcanza un corredor de 100 metros planos, etcétera.
La velocidad y las condiciones que puedan influir para alcanzarla, son aspectos importantes en la vida de muchos deportistas, a mayor velocidad, mayor posibilidad de ganar; por lo tanto, mayores recursos económicos. Las unidades que usualmente empleamos para medir velocidad son kilómetros por hora (Km./hr) y millas por hora (Mi/hr).

En los procesos químicos, la velocidad con la que ocurren las reacciones afecta dicha velocidad. Por ejemplo, en tiempo de verano, es común escuchar lo siguiente: “No dejes la comida fuera del refrigerador… se va a echar a perder”. Algunos alimentos se descomponen muy rápidamente, como la leche; otros, más lentamente como la carne o las verduras.

Para comprender lo anterior, debemos recurrir a la cinética química, la cual se define como: Rama de la química que se encarga del estudio de la velocidad de una reacción y los factores que la afectan.

Para medir la velocidad de un automóvil, tomamos en cuenta el cambio de posición en un determinado tiempo y, como ya se estableció, las unidades que se utilizan son kilómetros por hora o millas por hora.

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HORA DE EXPERIMENTAR

En este experimento, utilizaremos una tableta de Alka Seltzer, la cual estácompuesta de ácido cítrico y bicarbonato de sodio (reactantes). Estos dos compuestos, no reaccionan espontáneamente entre sí. Cuando colocamos la tableta en agua, se inicia la  fervescencia, la cual se debe a la reacción entre el bicarbonato de sodio y el ácido cítrico.

Como productos de esta reacción, se forman: Bióxido de carbono, citrato de
sodio y agua. El CO se libera en forma de gas.

Instrucciones

1. Prepárate para medir tiempo, consigue un reloj con segundero.2. Toma el tiempo desde el momento en que se deposita la tableta, hasta el momento en que desaparece.

3. Anota el tiempo.

Preguntas

a) ¿Cuánto tiempo tardó en desaparecer la tableta?____________________________________________

b) ¿Qué tiempo es el que medimos? ¿La desaparición de reactantes o la aparición de
productos?_______________________________________________________________________

c) ¿Puedes definir la velocidad de reacción a partir de estos datos? Si esto es posible, anótela:
________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Los resultados obtenidos en el experimento, nos permiten concluir con una definición para la velocidad de reacción, como:

Se define como la cantidad de producto que aparece, o bien, la cantidad de reactante que desaparece por unidad de tiempo.

Las unidades que se emplean para medir velocidad de reacción son moles por segundo (Mol/s).

Existen diversas maneras de medir en el laboratorio, la velocidad de una reacción como pueden ser: Formación de precipitados, cambios de color, variación de conductividad eléctrica, etcétera.

Teoría de Colisiones

Cuando colisionan dos moléculas que sufren una reacción química, el choque puede ocasionar la ruptura de los enlaces químicos en las moléculas de los reactivos a medida que se forman nuevos enlaces en las moléculas de los productos.

La suposición de que las reacciones químicas se efectúan a través de colisiones de moléculas se conoce como la teoría de colisiones.

La ruta o método por el que las moléculas de reactivo se transforman en moléculas de producto se conocen como mecanismo de reacción.

El mecanismo de la reacción involucra una colisión entre las dos moléculas de reactivo que conduce a la ruptura de los enlaces entre los átomos de las dos moléculas elementales y a la formación de nuevos enlaces entre los átomos de dos moléculas elementales y a la formación de nuevos enlaces para producir dos moléculas de los productos AB.

1. Las colisiones entre dos moléculas de reactivos deben efectuarse en la orientación geométrica adecuada.
2. La colisión debe ocurrir con suficiente energía para romper los enlaces de los reactivos, de tal modo que puedan formarse nuevos enlaces en los productos.

Esta energía mínima requerida para la reacción se conoce como energía de activación.  Los investigadores han tratado de elaborar teorías que expliquen satisfactoriamente el comportamiento de las reacciones, con el fin de predecir la velocidad de una reacción antes de que se efectúe. Una de éstas, es la Teoría de colisiones, la cual se explica a través de los siguientes puntos:

a) Para que en una reacción se formen los productos, es necesario que primeramente se rompan los enlaces de las sustancias que están participando como reactantes. Esto lo podemos explicar con la siguiente reacción:

Como puedes observar en la reacción, los átomos de hidrógeno están enlazados o unidos entre sí, lo mismo pasa con los oxígenos. Si existe unión, debe existir una fuerza que los mantenga unidos; si estamos de acuerdo en esto, entonces:

¿De dónde se obtuvo la energía necesaria para separar a los átomos de hidrógeno y  oxígeno?

b) Posteriormente, los átomos libres se recombinan y se unen a través de nuevos enlaces.  Si queremos unir algo, es lógico pensar que debemos emplear una cierta cantidad de fuerza que haga posible esta unión. La pregunta que nos hacemos aquí es:

¿De dónde se obtiene la energía que hace posible que los hidrógenos se unan a los oxígenos para formar la molécula de agua?

c) Para resolver las dos preguntas anteriores, debemos considerar que los átomos, iones o moléculas no son estáticos, están en constante movimiento; es decir, poseen energía cinética o energía de movimiento.

d) Debido a esta energía cinética, los átomos, iones o moléculas que participan en una reacción química, colisionan o chocan entre sí y, en ocasiones, la energía de este choque es suficiente para separar o unir a los átomos, iones o moléculas o bien, para romper o formar enlaces.

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e) Para que los átomos, iones o moléculas se unan, los choques deben ser efectivos; esto significa que el choque entre las especies reaccionantes debe ser suficiente para formar productos. A mayor número de choques efectivos, mayor velocidad de reacción.

De lo anterior, podemos concluir que la teoría de colisiones establece lo siguiente:

La velocidad de una reacción es directamente proporcional al número de choques efectivos que se dan entre las sustancias reaccionantes.

Según la teoría de las colisiones, los choques efectivos se dan entre moléculas o átomos que hayan alcanzado la energía de activación, la cual se define de la siguiente manera:

Es la energía que se requiere para romper o formar un enlace.

Una reacción no se efectúa si las moléculas de reactivos no han alcanzado su energía de activación. Algunas especies reaccionantes requieren de mucha energía para unirse, por lo que su velocidad de reacción es baja; otras, en cambio, requieren pequeñas cantidades de energía para realizar la unión, por lo que su velocidad de reacción será mayor.

En la siguiente figura , se puede observar “la montaña” que hay que vencer para que las sustancias que participan como reactivos se activen y la reacción suceda:

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Mayor energía de activación = menor velocidad de reacción.

Menor energía de activación = mayor velocidad de reacción.

Energía de activación y reacciones

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Las colisiones en a y b no producen una reacción debido a que las moléculas no están en posición de formar enlaces.

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Las moléculas en c están en la posición correcta cuando colisionan, y originan una reacción. Las moléculas en d también están en posición correcta para colisionar, pero la falta de suficiente energía en el punto de colisión impide una reacción química.

FACTORES QUE AFECTAN LA VELOCIDAD DE REACCIÓN

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