TEMAS SELECTOS DE QUÍMICA
La materia de puede presentar en estado solido,liquido,gaseoso y plasma dicho estado se denomina estado de agregación de la materia,las características y particularidades del estado gaseoso,al no ser fácilmente perceptibles y manipulables , resulta complicado para su análisis.
LEYES DE LOS GASES
La determinación de una ecuación de estado de los gases implica inevitablemente la medición de la presión, o fuerza por unidad de área, que un gas ejerce sobre las paredes del recipiente que lo contiene. La presión de los gases comúnmente se expresa en atmósferas o milímetros de mercurio.
El estudio sistemático del comportamiento de los gases le interesó a los científicos durantes siglos. Destacan los nombres de varios investigadores que establecieron las propiedades de los gases.
LEY DE BOYLE-MARIOTTE
La ley de Boyle se puede expresar como:
donde Kn,t es una constante cuyo valor depende de la temperatura y de la cantidad de gas.
Hoy, después de numerosas confirmaciones del trabajo de Boyle y experimentos adicionales, la relación entre el volumen y la presión de un gas se conoce como Ley de Boyle. Si aumenta la presión de un gas. El volumen disminuye proporcionalmente; por lo tanto, si la presión disminuye, el volumen aumenta. Si dos cantidades sob inversamente proporcionales, cuando una aumenta la otra disminuye.
Ejemplo: piense en un globo inflado, cuando oprimimos el globo (aumenta la presión) el volumen disminuye; al soltarlo (disminuye la presión) el volumen aumenta.
Un método que se utiliza extensamente para demostrar la relación entre dos cantidades es la construcción de gráficas, en las que se aprecia fácilmente como varían 2 cantidades entre sí.
Ley de Boyle:
“El volumen de un gas, a temperatura constante, es inversamente proporcional a la presión”
LEY DE CHARLES
En 1787, Jacques Charles investigó la relación existente entre el volumen y la temperatura de una gas a presión constante. Usó un aparato similar al que se ve en la figura:
Al conservar la presión constante, el volumen aumenta y cuando la temperatura disminuye, el volumen también disminuye. Luego, había una proporcionalidad lineal directa entre el volumen y la temperatura, la cual se conoce como Ley de Charles.
Ejemplo: un globo lleno aumenta su volumen cuando se le caliente y lo disminuye cuando se le enfría.
Ley de Charles:
“El volumen de un gas a presión constante es directamente proporcional a la temperatura kelvin”.
LEY DE DALTON
Cuando Dalton formuló por primera vez su teoría atómica poco había elaborado la teoría acerca de la vaporización del agua y el comportamiento de mezclas gaseosas. A partir de sus mediciones dedujo que dos gases es una mezcla actuaban de manera mutuamente independiente.
Por ejemplo si se colocan tres gases en un recipiente de determinado volumen, V, se puede considerar que cada uno de los gases ocupa todo el volumen. Es decir, si el gas está cerrado, las moléculas del gas debido a su rápido movimiento azar y ase tamaño tan pequeño, ocuparán todo el recipiente. Luego, cada uno de los tres gases que forman todo el recipiente. Luego, cada uno de los tres gases forman la mezcla tendrá el volumen V. Ahora, si temperatura del recipiente tuviera un valor constante, T, cada uno de los gases tendría esta temperatura.
Si estudiamos cada uno de estos gases en forma separada, la contribución a la presión de cada componente está directamente relacionada con el número de moles del componente y con la razón a la que las partículas chocan con las paredes del recipiente. Dado que cada componente tiene el mismo volumen y temperatura, las diferencias entre las presiones que ejercen se deberá a los distintos números de moles.
La presión que ejerce un componente determinado de la mezcla de gases si éste ocupara por sí solo el recipiente, se llama presión parcial del componente. Las presiones parciales se calculan aplicando la ley de los gases ideales a cada componente. Así la presión parcial, Pc, para una componente consistente en nc moles está dada por la expresión:
Se puede calcular la presión parcial de cada componente, si se conoce el número de moles de cada uno en la mezcla encerrada en un volumen determinado, a una temperatura dada. Debido a que las partículas de cada gas componente se conducen en forma independiente, la presión total que ejerza la mezcla será un resultado de todas las partículas.
Establece que la presión total de una mezcla de gases es igual a la suma de las presiones parciales de los gases individuales.
Pt = pa + pb + pc + ...
Está relación se conoce como Ley de las Presiones Parciales de Dalton e indica que la presión total de una mezcla de gases es igual a la suma de las presiones parciales de los componentes de la mezcla.
La ley de Dalton es muy útil cuando deseamos determinar la relación que existe entre las presiones parciales y la presión total de una mezcla de gases.
LEY DE GAY-LUSSAC
V = V0(1 + "t)
Donde V0 es el volumen que a la temperatura de 0 ºC, " es una constante que tiene aproximadamente el valor 1/273 para todos los gases y t es la temperatura en la escala Celsius. Esta ecuación establece que el volumen de un gas aumenta linealmente al aumentar su temperatura.
LEY COMBINADA DE LOS GASES
La ley general de los gases o ley combinada dice que una masa de un gas ocupa un volumen que está determinado por la presión y la temperatura de dicho gas. Estudia el comportamiento de una determinada masa de gas si ninguna de esas magnitudes permanece constante.
Esta ley se emplea para todos aquellos gases ideales en los que el volumen, la presión y la temperatura no son constantes. Además la masa no varía. La fórmula de dicha ley se expresa: (V1 * P1) / T1 = (V2 * P2) / T2 Es decir, el volumen de la situación inicial por la presión original sobre la temperatura es igual a el volumen final por la nueva presión aplicada sobre la temperatura modificada.
La presión es una fuerza que se ejerce por la superficie del objeto y que mientras más pequeña sea ésta, mayor presión habrá
A partir de la ley combinada podemos calcular la forma como cambia el volumen o presión o temperatura si se conocen las condiciones iniciales (Pi,Vi,Ti) y se conocen dos de las condiciones finales (es decir, dos de las tres cantidades Pt, Vt, Tf).
Ley de Avogadro
El principio de Avogadro fue expuesta por Amedeo Avogadro en 1811 y complementaba a las de Boyle, Charles y Gay-Lussac. Asegura que en un proceso a presión y temperatura constante (isobaro e isotermo), el volumen de cualquier gas es proporcional al número de moles presente, de tal modo que:
Esta ecuación es válida incluso para gases ideales distintos. Una forma alternativa de enunciar esta ley es:
El volumen que ocupa un mol de cualquier gas ideal a una temperatura y presión dadas siempre es el mismo.
Para que ocurra una reacción química , los átomos que conforman las moléculas , deben chocar entre si con la orientación correcta y la energía suficiente para romper enlaces
Aplicando la teoría de las colisiones, la velocidad de reacción depende de la frecuencia de los choques entre las partículas de los reactantes. Por lo tanto, cuando la concentración se incrementa, y al haber más choques, una mayor cantidad de ellos serán efectivos, es decir, aumentará la velocidad de reacción y, por lo tanto, el proceso ocurrirá en menos tiempo.
Aún cuando los choques sean efectivos, no todas las reacciones se producen con la misma velocidad. Algunas ocurren en forma inmediata y otras demoran mucho tiempo en producirse
Energia de activación
Es la mínima cantidad de energía para que una reacción ocurra, sólo si esta se alcanza, la reacción procede.
Todo cambio (factor) que provocamos sobre la reacción y que favorece el que los reactantes alcancen la energía de activación, afectará la velocidad de dicha reacción.
Si la colisión entre las partículas de reactante, con la orientación adecuada, posee una energía mayor que la energía de activación la reacción puede llevarse a cabo. Si su energía es menor que la de activación, las partículas chocarán pero no sufrirán ningún cambio.
Los factores que afectan la velocidad de reacción son: la concentración de los reactantes, latemperatura a la que ocurre la reacción, el estado de división de los reactantes, la presión en sistemas gaseosos y la presencia de catalizadores. Alterando uno o varios de estos factores es posible o, conseguir que la reacción se detenga, o por el contrario que se desarrolle con una mayor rapidez.
1.- Factor concentración. Es fácil comprender que mientras mayor sea el número de partículas de reactantes (concentración), mayor será el número de colisiones y, por e lo tanto, mayor será la velocidad de reacción. Es decir, el proceso ocurrirá en menos tiempo.
Por ejemplo :Al abanicar el fuego estamos aumentando la concentración de oxígeno en el lugar de la combustión y, por lo tanto, aumenta la velocidad de reacción (de combustión) y el fuego se aviva más.
2.- Factor temperatura: Al aumentar la temperatura de una sustancia, aumenta su agitación térmica; esto es, se incrementa la energía cinética media de sus partículas. Por lo tanto, será mayor ,el número de partículas que chocan y que tienen la energía su-ficiente como para que la colisión sea efectiva. En consecuencia, al aumentar la temperatura, aumenta la velocidad de reacción, ya que las colisiones entre las partículas serán más frecuentes y más eficaces.
Se ha observado experimentalmente que la velocidad en las reacciones químicas aumenta con la temperatura: por cada 10°C de aumento de temperatura, se duplica la velocidad. Es decir ,la medida en que la temperatura es mayor ,las reacciones se aceleran.
3.- Factor estado de división. La velocidad de reacción será tanto mayor cuanto más divididos se encuentren los reactantes, en el caso de reactivos sólidos. Según la teoría de las colisiones, una mayor superficie de contacto, como la que tiene un sólido finamente dividido, posibilita que haya más partículas que puedan colisionar y por lo tanto la reacción ocurre en menor intervalo de tiempo.
Agitación
La agitación es una variante del punto anterior, lo que se logra agitando las sustancias reaccionantes, es mezclar íntimamente los reactivo aumentando la superficie de contacto entre ellos.
Factor presión. En el caso de que los reactantes sean gases, si se disminuye el volumen o se aumenta la presión del recipiente que contiene las sustancias reaccionantes, las partículas "están obligadas" a estar más cerca unas de otras, por lo que chocarán más, aumentando la velocidad de reacción.
En la figura anterior se observa, que aumentando la presión las moléculas de las sustancias reaccionantes se aproximan entre sí, acrecentando la posibilidad de choque entre sus moléculas, y por consiguiente se acelera la reacción.
Factor catalizador. Algunas reacciones ocurren muy lentamente. La velocidad de tales reacciones puede incrementarse gracias a la adición de catalizadores, unas sustancias que no son, ni los reactantes, ni los productos.
Un catalizador es una sustancia que, aun en cantidades muy pequeñas, tiene la propiedad de acelerar una reacción, actuando activamente en el proceso pero, sin consumirse en ella.
La acción de un catalizador se limita a bajar la barrera de la energía de activación de las partículas reaccionantes. Al necesitar menor energía de activación, por la presencia de un catalizador, un mayor número de partículas alcanza la energía suficiente para chocar eficazmente romper sus enlaces y así formar productos.
Las enzimas son un ejemplo de catalizadores biológicos. Producidas por los organismos vivos, aceleran las reacciones que serían muy lentas a la temperatura del cuerpo.
Volviendo al tema de la constante de equilibrio, ahora explicaremos el concepto de Cociente de reacción. Matemáticamente es igual a la expresión de K, pero el significado es diferente.
El valor de Q nos indicará hacia donde tendera la reacción, es decir, no se refiere al punto de equilibrio como la K ya que es calculada en un momento distinto al equilibrio. Ahora si calculando Q nos arroja el valor de K concluimos que la reacción se encuentra en el equilibrio.
VELOCIDAD DE REACCIÓN
Es el área de estudio que se ocupa de la velocidad de reacción y de los factores que determinan esa velocidad, recibe el nombre de cinética química. La palabra "cinética" nos sugiere movimiento la idea de que las partículas de reactantes se mueven y chocan entre sí, siendo capaces de rompe enlaces y así dar curso a la reacción química.
Las reacciones necesitan de una cantidad mínima de energía para iniciarse, llamada energía de activación. Por ejemplo, un fósforo no se enciende hasta frotarlo y el carbón no arde hasta que le aplicamos un fósforo encendido. El calor liberado por el fósforo inicia la reacción entre el oxígeno del aire y el carbón. Como resultado de la reacción se desprende energía que se usa para continuar el proceso de combustión del carbón.
TEORÍA DE LAS COLISIONES
Para que ocurra una reacción química , los átomos que conforman las moléculas , deben chocar entre si con la orientación correcta y la energía suficiente para romper enlaces
Aplicando la teoría de las colisiones, la velocidad de reacción depende de la frecuencia de los choques entre las partículas de los reactantes. Por lo tanto, cuando la concentración se incrementa, y al haber más choques, una mayor cantidad de ellos serán efectivos, es decir, aumentará la velocidad de reacción y, por lo tanto, el proceso ocurrirá en menos tiempo.
Aún cuando los choques sean efectivos, no todas las reacciones se producen con la misma velocidad. Algunas ocurren en forma inmediata y otras demoran mucho tiempo en producirse
Energia de activación
Es la mínima cantidad de energía para que una reacción ocurra, sólo si esta se alcanza, la reacción procede.
Todo cambio (factor) que provocamos sobre la reacción y que favorece el que los reactantes alcancen la energía de activación, afectará la velocidad de dicha reacción.
Si la colisión entre las partículas de reactante, con la orientación adecuada, posee una energía mayor que la energía de activación la reacción puede llevarse a cabo. Si su energía es menor que la de activación, las partículas chocarán pero no sufrirán ningún cambio.
Los factores que afectan la velocidad de reacción son: la concentración de los reactantes, latemperatura a la que ocurre la reacción, el estado de división de los reactantes, la presión en sistemas gaseosos y la presencia de catalizadores. Alterando uno o varios de estos factores es posible o, conseguir que la reacción se detenga, o por el contrario que se desarrolle con una mayor rapidez.
1.- Factor concentración. Es fácil comprender que mientras mayor sea el número de partículas de reactantes (concentración), mayor será el número de colisiones y, por e lo tanto, mayor será la velocidad de reacción. Es decir, el proceso ocurrirá en menos tiempo.
Por ejemplo :Al abanicar el fuego estamos aumentando la concentración de oxígeno en el lugar de la combustión y, por lo tanto, aumenta la velocidad de reacción (de combustión) y el fuego se aviva más.
2.- Factor temperatura: Al aumentar la temperatura de una sustancia, aumenta su agitación térmica; esto es, se incrementa la energía cinética media de sus partículas. Por lo tanto, será mayor ,el número de partículas que chocan y que tienen la energía su-ficiente como para que la colisión sea efectiva. En consecuencia, al aumentar la temperatura, aumenta la velocidad de reacción, ya que las colisiones entre las partículas serán más frecuentes y más eficaces.
Se ha observado experimentalmente que la velocidad en las reacciones químicas aumenta con la temperatura: por cada 10°C de aumento de temperatura, se duplica la velocidad. Es decir ,la medida en que la temperatura es mayor ,las reacciones se aceleran.
3.- Factor estado de división. La velocidad de reacción será tanto mayor cuanto más divididos se encuentren los reactantes, en el caso de reactivos sólidos. Según la teoría de las colisiones, una mayor superficie de contacto, como la que tiene un sólido finamente dividido, posibilita que haya más partículas que puedan colisionar y por lo tanto la reacción ocurre en menor intervalo de tiempo.
Agitación
La agitación es una variante del punto anterior, lo que se logra agitando las sustancias reaccionantes, es mezclar íntimamente los reactivo aumentando la superficie de contacto entre ellos.
Factor presión. En el caso de que los reactantes sean gases, si se disminuye el volumen o se aumenta la presión del recipiente que contiene las sustancias reaccionantes, las partículas "están obligadas" a estar más cerca unas de otras, por lo que chocarán más, aumentando la velocidad de reacción.
En la figura anterior se observa, que aumentando la presión las moléculas de las sustancias reaccionantes se aproximan entre sí, acrecentando la posibilidad de choque entre sus moléculas, y por consiguiente se acelera la reacción.
Factor catalizador. Algunas reacciones ocurren muy lentamente. La velocidad de tales reacciones puede incrementarse gracias a la adición de catalizadores, unas sustancias que no son, ni los reactantes, ni los productos.
Un catalizador es una sustancia que, aun en cantidades muy pequeñas, tiene la propiedad de acelerar una reacción, actuando activamente en el proceso pero, sin consumirse en ella.
La acción de un catalizador se limita a bajar la barrera de la energía de activación de las partículas reaccionantes. Al necesitar menor energía de activación, por la presencia de un catalizador, un mayor número de partículas alcanza la energía suficiente para chocar eficazmente romper sus enlaces y así formar productos.
Las enzimas son un ejemplo de catalizadores biológicos. Producidas por los organismos vivos, aceleran las reacciones que serían muy lentas a la temperatura del cuerpo.
VELOCIDAD DE REACCIÓN
La velocidad de reacción se define como la cantidad de sustancia que se transforma en una determinada reacción por unidad de volumen y tiempo. Por ejemplo, la oxidación del hierro bajo condiciones atmosféricas es una reacción lenta que puede tardar muchos años,pero la combustión del butano en un fuego es una reacción que sucede en fracciones de segundo.
La cinética química es la parte de la fisicoquímica que estudia las velocidades de reacción, la dinámica química estudia los orígenes de las diferentes velocidades de las reacciones. El concepto de cinética química se aplica en muchas disciplinas, tales como la ingeniería química, enzimología e ingeniería ambiental.
EQUILIBRIO QUÍMICO
Cuando estamos en presencia de una reacción química, los reactivos se combinan para formar productos a una determinada velocidad. Sin embargo, los productos también se combinan para formar reactivos. Es decir, la reacción toma el sentido inverso. Este doble sentido en las reacciones que es muy común en química, llega a un punto de equilibrio dinámico cuando ambas velocidades se igualan. No hablamos de un equilibrio estático en el que las moléculas cesan en su movimiento, sino que las sustancias siguen combinándose formando tanto productos como reactivos. A este equilibrio lo llamamos equilibrio químico.
El equilibrio químico se representa a través de una expresión matemática llamada constante de equilibrio.
En una reacción hipotética:
aA + bB<——–> cC + dD
La constante de equilibrio esta dado por:
K = ( [D]d . [C]c ) / ( [A]a . [B]b ) (Las minúsculas estan elevadas como potencia).
La constante de equilibrio químico es igual al producto de las concentraciones de los productos elevados a sus coeficientes estequiométricos (c y d) dividido por el producto de las concentraciones de los reactivos elevados a sus coeficientes estequiométricos (a y b). Recordemos que estos coeficientes son los números que equilibran a las reacciones químicas. La constante no varía, por eso es constante. Solo depende de la temperatura. A cada temperatura distinta habrá valores diferentes de constantes para la misma reacción. Con respecto a las unidades de K, estas dependerán de la expresión matemática que quede en cada caso particular.
Según el valor que tenga la K de equilibrio, tendremos una idea certera de lo completa que puede llegar a ser una reacción. Si estamos en presencia de una K grande, mucho mayor que 1, la reacción tiende a completarse bastante a favor de los productos. Caso contrario sucede si la K es muy pequeña.
En el caso de aquellas reacciones donde figuren compuestos en estado gaseoso, la constante se denomina Kp en lugar de Kc como normalmente se usa en las reacciones. Kp hace alusión a la presión en lugar de la concentración molar.
Kp = Kc.(R.T)∆ng
R = Constante universal de los gases.
T = Temperatura absoluta.
∆ng = Variación del numero de moles gaseosos.
PRINCIPIO DE LE-CHATELIER
Cuando hablamos de equilibrio aplicado a sistemas químicos o físicos, siempre se hace hincapié en el Principio de Le Chatelier. Este principio sostiene que un sistema siempre reaccionará en contra del cambio inducido. Por ejemplo, si una reacción gaseosa aumenta el volumen al formar productos, al aplicarle una presión tendera a formar reactivos, es decir, invertirá su sentido con la finalidad de disminuir esa presión. Otro ejemplo lo tenemos en las reacciones exotérmicas o endotérmicas, las que generan calor o absorben respectivamente. Si a una reacción exotérmica le damos calor, el sistema para disminuir la temperatura, irá hacia la formación de reactivos. De esta manera generara menos calor para atenuar el cambio. Y si es endotérmica formara más productos, y así, absorberá más calor evitando el ascenso térmico.
Cociente de reacción (Q):
El valor de Q nos indicará hacia donde tendera la reacción, es decir, no se refiere al punto de equilibrio como la K ya que es calculada en un momento distinto al equilibrio. Ahora si calculando Q nos arroja el valor de K concluimos que la reacción se encuentra en el equilibrio.
Si Q es mayor que K, las concentraciones o presiones parciales de los productos son mucho mayores, entonces la reacción tiende a formar reactivos, es decir, hacia la derecha. Si Q es menor que K, la reacción ira hacia la derecha, es decir, hacia el sentido de la formación de los productos.
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