6

6. Racciones químicas: cinética y equilibrio

Objetivos

  • Comprender el lenguaje simbólico de las ecuaciones químicas como representaciones de los cambios químicos.
  • Entender las implicancias cuantitativas de una ecuación química.
  • Conocer los principales tipos de reacciones que ocurren en solución.
  • Adquirir el concepto de velocidad de reacción y conocer los factores que la afectan.
  • Adquirir el concepto de equilibrio químico y conocer los factores que lo afectan.

6.1. Introducción

Texto

La composición del sistema cambia durante una transformación o reacción química. A nivel molecular, esto implica que algunas de las sustancias originalmente presentes se transforman en sustancias nuevas. En ocasiones, estos cambios son tan lentos que resultan imperceptibles y otras veces son instantáneos. Una misma reacción, incluso, puede ocurrir con diferentes velocidades si se modifican sus condiciones. En esta unidad se mostrará cómo se suelen representar esquemáticamente los cambios químicos mediante ecuaciones y se discutirá con detalle cuál es el contenido de información de tales ecuaciones. Por último se analizarán los factores que afectan la velocidad de las reacciones químicas.

Gráfico 6.1. Cambio químico
+

Cuando ocurre una reacción química, la composición del sistema cambia con el tiempo. Este caso, además, es un ejemplo de reacción química con disolución, tal como se discutió en la Unidad 5 (soluciones).

6.2. Representación de los cambios químicos

Texto

Las diferentes sustancias químicas pueden ser inestables y modificarse, dando como resultado otras sustancias distintas de las iniciales. En estos casos, decimos que ha ocurrido un cambio o reacción química. Las sustancias químicas presentes inicialmente, que van desapareciendo por efecto de la reacción, se denominan reactivos, mientras que las correspondientes a las sustancias que se forman como consecuencia de la reacción se denominan productos.

Los cambios químicos se representan mediante ecuaciones químicas. Estas proveen gran cantidad de información acerca de la reacción, aunque no toda la información que uno podría requerir. A fin de analizar el contenido de información de una ecuación química, comenzaremos con un ejemplo simple y relativamente familiar: la reacción de formación de agua.

El agua se forma por combinación de hidrógeno y oxígeno. Para representar este cambio, ya sea en papel o en una pantalla, se escriben los reactivos a la izquierda del renglón, separados entre sí por un signo más (+), luego se escribe una flecha apuntando hacia la derecha. Finalmente, a la derecha de la flecha se escriben los productos también separados por un signo más. A veces, reactivos y productos se separan por una flecha que apunta en ambos sentidos. De acuerdo con los criterios antedichos, la reacción de formación de agua podría escribirse como:

 

\(Hidrógeno + oxígeno \to agua.\)

 

Así escrita, la ecuación indica que hidrógeno y oxígeno se combinan para formar agua. La flecha con doble sentido se utiliza en aquellos casos en los que se quiere enfatizar que la reacción en cuestión puede ocurrir en ambos sentidos. En este caso se podría utilizar la doble flecha para destacar que el agua también puede descomponerse para producir hidrógeno y oxígeno. Sin embargo, como ese proceso no ocurre en forma apreciable en las condiciones ambientales normales, se utilizará la flecha simple.

Es importante destacar que la notación de la ecuación anterior es ambigua, ya que no explicita si los que reaccionan son átomos de hidrógeno y oxígeno (H y O), o si son sus moléculas (H2 y O2). En el caso del oxígeno, este podría incluso presentarse también como ozono (O3). Asumiendo que los que reaccionan son H2 y O2, que es la situación usualmente encontrada, la transformación química podría representarse por:

 

\(H_2 + O_2 \to H_2O\)

 

Así escrita, la ecuación provee información clara acerca de cuáles son los reactivos y cuáles son los productos de la reacción; y también muestra que la reacción inversa no es relevante. No obstante, tiene una deficiencia fundamental por la cual no es fiel al proceso que verdaderamente ocurre a nivel molecular. En una reacción química los átomos no se crean ni se destruyen. Solo se destruyen algunas uniones químicas y se crean otras. En otras palabras, al ocurrir la reacción los átomos se reordenan y/o reagrupan de manera diferente, pero no pueden aparecer o desaparecer. Si se analiza la ecuación anterior, puede apreciarse que del lado de los reactivos hay dos átomos de hidrógeno y dos átomos de oxígeno, por lo que, así escrita, la ecuación implícitamente sugiere que desaparece un átomo de oxígeno al ocurrir la reacción, cosa que es absolutamente falsa.

L
Leer con atención
+

En una reacción química los átomos no se crean ni se destruyen, solo cambia la forma en la que están combinados.

Texto

Para respetar el principio de conservación del número y tipo de átomos se escribe, delante de la fórmula de cada molécula, un número entero o fraccionario. Los valores a utilizar deben elegirse de manera tal que, al sumar los átomos de cada clase a la izquierda de la flecha, se obtenga la misma cantidad que a la derecha. Por ejemplo, la ecuación de formación del agua escrita anteriormente se puede corregir precediendo las moléculas de H2 y H2O con un número 2:

 

\(2H_2 + O_2 \to 2H_2O\)

 

De esta manera, hay cuatro átomos de hidrógeno del lado de los reactivos, ya que hay dos moléculas de este elemento y cada una de ellas tiene dos átomos; y hay cuatro átomos de hidrógeno del lado de los productos, ya que hay dos moléculas de agua y cada una de ellas tiene dos átomos de hidrógeno. De la misma manera se puede constatar que el número de átomos de oxígeno a derecha e izquierda es dos. Cuando una ecuación química expresa correctamente cuáles son los reactivos y los productos de la reacción, y si además el número de átomos de cada especie a izquierda y derecha de la flecha es el mismo, se dice que la ecuación química está balanceada o equilibrada. Los números que preceden a la fórmula de cada elemento se denominan coeficientes estequiométricos.

L
Leer con atención
+

Para ser correcta, una ecuación química debe estar balanceada (o equilibrada). Esto significa que el número de átomos de cada elemento a un lado y otro de la flecha debe ser el mismo.

Gráfico 6.2. Información brindada por una ecuación química equilibrada
+

Una ecuación química debe ser una representación fidedigna de un cambio químico. En ella se muestran las proporciones en las que se combinan las moléculas de los reactivos y la proporción entre las moléculas de reactivos consumidos y de productos formados.

Texto

Es necesario reflexionar acerca de la información que provee una ecuación química balanceada. La ecuación anterior en su forma más estricta indica que cada vez que dos moléculas de hidrógeno se combinan o reaccionan con una molécula de oxígeno se generan dos moléculas de agua. Pero en realidad la ecuación indica más que eso, ya que muestra las proporciones en las que se combinan los reactivos. Con esa consideración, la ecuación significa que, cuando se forma agua a partir de sus elementos, el número de moléculas de hidrógeno que se consumen es el doble del número de moléculas de oxígeno y es igual al número de moléculas de agua que se forman. En otras palabras, lo relevante en la ecuación no son los coeficientes estequiométricos de cada compuesto, sino las proporciones entre ellos. La reacción anterior podría representarse en forma igualmente correcta como:

 

\(10 \ H_2 + 5 \ O_2 \to 10 \ H_2O\)

 

o como:

 

\(80 \ H_2 + 40 \ O_2 \to 80 \ H_2O\)

 

porque  lo importante son las relaciones entre coeficientes estequiométricos y no los coeficientes mismos. En todos los casos presentados se cumple que la relación entre el número de moléculas de hidrógeno (o de agua) y de oxígeno es dos:

 

\(2/1 = 10/5 = 80/40.\)

6.3. Balanceo de ecuaciones químicas

Texto

El primer paso para escribir una ecuación química balanceada es conocer todos los reactivos y productos de dicha reacción y escribir correctamente sus fórmulas químicas. Estas fórmulas brindan información sobre el número de cada tipo de átomos, tanto del lado de los reactivos como de los productos. Por ejemplo, para la reacción entre el metano y el oxígeno que forma dióxido de carbono y agua, se comienza escribiendo las fórmulas de reactivos y productos a un lado y otro de la flecha:

 

\(CH_4 + O_2 \to CO_2 + H_2O\)

 

Luego se cuenta el número de átomos de cada tipo a izquierda y derecha de la flecha. En el ejemplo presentado hay un átomo de carbono, cuatro de hidrógeno y dos de oxígeno a la izquierda, mientras que a la derecha hay uno de carbono, dos de hidrógeno y tres de oxígeno.

Cuando los números a izquierda y derecha no coinciden, se agregan los coeficientes estequiométricos que sean necesarios delante de la fórmula de cada compuesto. Un coeficiente N delante de la fórmula del compuesto X significa que la fórmula del compuesto X se repite N veces. O, lo que es equivalente, que N moléculas del compuesto X participan en la reacción. En el ejemplo considerado, la ecuación puede balancearse agregando el coeficiente 2 delante de las fórmulas de O2 y H2O. La ecuación balanceada entonces queda:

 

\(CH_4 + 2 O_2 \to CO_2 + 2 H_2O\)
Gráfico 6.3. Reacción de oxidación del metano
+

Una molécula de metano se combina con dos de oxígeno molecular para formar una molécula de dióxido de carbono y dos moléculas de agua.

A
Para ampliar
+

Como se ha discutido en esta sección, en una reacción química no cambia el número de átomos de cada elemento. Solo cambia la manera en la que los átomos están unidos formando compuestos. Considerando esta información, junto con el hecho de que cada átomo tiene una masa definida, se infiere que en una reacción química no hay variación en la masa total del sistema. En otras palabras, si la reacción se lleva a cabo en un recipiente cerrado, de manera tal que los reactivos o productos no puedan escapar, la masa del sistema antes de que ocurra  y al final de la reacción será la misma. Asimismo, es correcto afirmar que la masa de los productos obtenidos debe ser, necesariamente, igual a la masa de los reactivos a partir de los cuales se formaron.

Texto

En muchas ocasiones, para describir un cambio químico es relevante especificar el estado de agregación de los reactivos y productos. Por ejemplo, la ecuación

 

\(Zn(s) + 2 HCl(aq) \to ZnCl_2(aq) + H_2(g)\)

 

nos indica que el cinc sólido reacciona con ácido clorhídrico en solución acuosa para formar cloruro de cinc, también en solución acuosa, e hidrógeno gaseoso.

Gráfico 6.4. Ejemplo de reacción con disolución
+

Virutas de zinc se disuelven en ácido clorhídrico y liberan hidrógeno.
Texto

Algunas reacciones ocurren solo si el sistema alcanza una temperatura muy alta. En la ecuación química este hecho se representa poniendo un símbolo \(\Delta\) sobre la flecha. Por ejemplo:

 

\(MgCO_3(s)\underrightarrow{\Delta} CO_2(g) + MgO(s)\)

 

indica que es necesario calentar para lograr que el carbonato de magnesio se descomponga en dióxido de carbono y óxido de magnesio. Por último, a veces también es importante indicar que la reacción solo ocurre a velocidades apreciables en presencia de un catalizador. En la ecuación química, la presencia del catalizador se indica escribiendo su fórmula sobre la flecha que va de reactivos a productos. Por ejemplo, la oxidación de dióxido de azufre a trióxido de azufre no ocurre a velocidades apreciables en ausencia de catalizador. Pero si se agrega pentóxido de vanadio, que cataliza esta reacción, la reacción progresa hacia productos a una velocidad mayor. En la ecuación química estos hechos se representan por:

 

\(2 SO_2 + O_2 \stackrel{V_2 O_5}{\rightarrow} 2 SO_3\)

 

L
Leer con atención
+

Un catalizador es una sustancia cuya presencia altera la velocidad de una reacción, pero no es un reactivo ni un producto. La acción de los catalizadores se tratará con mayor detalle en el subapartado 6.5.4.

6.4. Reacciones en solución acuosa

Texto

Una cantidad muy importante de reacciones químicas ocurren en solución. En este apartado presentaremos algunos de los tipos de reacciones más importantes en dicho medio. Para facilitar la comprensión de los temas que aquí se tratan, es importante tener presente la definición de electrolitos, dada en la Unidad 5, así como las definiciones de ácidos y bases que se presentan a continuación.

L
Leer con atención
+

Ácidos y bases

Existen diferentes definiciones sobre lo que es una sustancia ácida o una básica. En este MDM se discutirán las definiciones dadas por Svante ArrheniusN, ya que son las más simples y son adecuadas para comprender el comportamiento de las soluciones acuosas.

Se define como ácida a una sustancia que en solución acuosa forma iones H3O+ (llamados iones hidronio) Por ejemplo, el HCl es un ácido porque en agua participa de la siguiente reacción, que ya presentamos en la Unidad 5:

 

\(HCl(aq) + H_2O \to Cl^-(aq) + H_3O^+(aq)\)

 

Podemos entender esta reacción pensando que un ion H+ pasa del HCl al H2O, dejando un anión Cl y el H3O+. Es importante notar que el ion H+ es simplemente un protón, ya que el átomo de hidrógeno no tiene otros electrones. Muchas veces, por simplicidad, en las reacciones de los ácidos en agua se omite la molécula de agua y se escribe directamente:

 

\(HCl(aq) \to Cl^-(aq) + H^+(aq)\)

 

Este uso es correcto en tanto y en cuanto se tenga presente que es una representación simplificada, ya que el H+ nunca está libre en solución acuosa, sino que siempre se encuentra hidratado (o sea, como H3O+).

Otros ácidos de este tipo son HF, HBr, HI, H2S, HNO3 y H2SO4. Hay también sustancias que son ácidas a pesar de no tener átomos de H en sus moléculas. El ejemplo más común es el CO2, que es un compuesto gaseoso a temperatura y presión ambiente. Sin embargo, cuando se disuelve en agua, cosa que ocurre en la soda y otras bebidas gaseosas, participa de la siguiente reacción:

 

\(CO_2(aq) + 2 H_2O \to CO_3H^-(aq) + H_3O^+(aq)\)

 

Justamente, la presencia del ion H3O+(aq) es lo que le confiere acidez a dichas bebidas. La expresión simplificada de la reacción anterior es:

 

\(CO_2(aq) + H_2O \to CO_3 H^-(aq) + H^+(aq)\)

 

Esta expresión nos permite ver que la acción del CO2 es descomponer el H2O, quitándole un ion OH-; por esa vía se libera el ion H+ que le da acidez a la solución.

De acuerdo con la definición de Arrhenius, una base es una sustancia que libera iones OH cuando se disuelve en agua. El ion OH recibe el nombre de hidroxilo u oxhidrilo. Así, por ejemplo, son bases los compuestos iónicos llamados hidróxidos, los cuales están formados por iones OH. Los hidróxidos más comunes son Na(OH), K(OH), Ca(OH)2, Al(OH)3, Fe(OH)3. Todos estos compuestos son electrolitos que, al disolverse en agua, liberan los iones OH. Por ejemplo:

 

\(Ca(OH)_2(aq) \to Ca^{+2}(aq) + 2 OH^-(aq)\)

 

También hay sustancias que son básicas, pero que no tienen el ion OH en sus fórmulas, sino que lo generan al reaccionar con H2O. El ejemplo más común de este tipo es el amoníaco, cuya fórmula es NH3. El amoníaco es gaseoso a temperatura y presión ambiente, pero cuando se disuelve en agua participa de la siguiente reacción, que ya presentamos en la Unidad 5:

 

\(NH_3(aq) + H_2O \to NH_4^+(aq) + OH^-(aq)\)
Texto

Decimos que un ácido es un ácido fuerte cuando en solución se encuentra totalmente disociado. Por ejemplo el HNO3 es un ácido fuerte porque en solución se encuentra casi totalmente disociado en H+ y NO3-. En este caso “casi totalmente disociado” significa que la proporción de HNO3 presente en la solución es tan baja que resulta imperceptible o extremadamente difícil de medir. Por el contrario, existen otros ácidos que se disocian parcialmente. Un ejemplo de ellos es el ácido cianhídrico (HCN). Cuando esta sustancia se disuelve en agua hay una alta proporción de HCN, aunque hay también algo de H+ y CN-. Por último, debemos destacar que las bases también se pueden clasificar como fuertes y débiles de acuerdo a la proporción en la que se disocian.

6.4.1. Reacciones de neutralización

Texto

Una reacción de neutralización es una reacción entre un ácido y una base. Por ejemplo:

 

\(HCl(aq) + NaOH(aq) \to NaCl(aq) + H_2O\)

 

La reacción así escrita es formalmente correcta; sin embargo, notamos que no representa con fidelidad la realidad del proceso que intenta describir, dado que, en solución acuosa, NaCl, HCl y NaOH se encuentran disociados. Por tanto, una manera más fidedigna de representar este cambio químico sería:

 

\(H^+(aq) + Cl^-(aq) + Na ^+(aq) + OH ^-(aq) \to Na^+(aq) + Cl^-(aq) + H_2O\)

 

La ecuación así escrita recibe el nombre de ecuación iónica completa. Tiene la virtud de mostrar claramente que algunos de los iones presentes en la solución no participan de la reacción (o sea, no sufren ningún cambio químico). A estas especies se las llama espectadores. En este caso, los iones que actúan como espectadores de la reacción son Cl-(aq) y Na+(aq), ya que se encuentran como reactivos y como productos, y en las mismas cantidades. Por simplicidad, en general se prefiere no agregar las especies espectadoras en la ecuación química, lo que da lugar a la llamada ecuación iónica neta. En este caso sería:

 

\(H^+(aq) + OH^-(aq) \to H_2O\)

 

Notamos que esta es la ecuación iónica neta correspondiente a todas las reacciones de neutralización entre ácidos y bases fuertes en solución acuosa. En cambio, si el ácido y la base no se encuentran mayoritariamente disociados en solución, lo adecuado es escribir la ecuación con sus fórmulas moleculares (como la primera ecuación de esta sección).

L
Leer con atención
+

Al escribir una ecuación iónica, la suma de las cargas eléctricas a la izquierda de la flecha debe ser igual que a la derecha. Se dice en tal caso que la reacción está equilibrada en carga. Como ya se explicó, la reacción también debe estar equilibrada con respecto al número de átomos de cada elemento, lo que conlleva a que esté equilibrada en masa.

6.4.2. Reacciones de precipitación

Texto

Las reacciones de precipitación en solución acuosa son aquellas reacciones en las que se forma un compuesto sólido insoluble en agua (precipitado) por combinación de dos compuestos solubles. Por ejemplo, si se hace reaccionar un nitrato de plata (AgNO3) con cloruro de sodio (NaCl), en solución acuosa, se observa la formación de un sólido de color blanco correspondiente al cloruro de plata (AgCl), mientras que el nitrato de sodio queda en solución. La ecuación química completa que representa a este cambio es

 

\(NaCl(aq) + AgNO_3(aq) \to AgCl(s) + NaNO_3(aq)\)

 

Debido a que los precipitados generalmente coalecen y se depositan en el fondo del recipiente donde se lleva a cabo la reacción, la aparición del precipitado muchas veces se representa escribiendo una flecha que señala hacia abajo, a la derecha del compuesto que precipita. Por ejemplo:

 

\(NaCl(aq) + AgNO_3(aq) \to AgCl(s) \downarrow + NaNO_3(aq)\)
Texto

En general, los compuestos que precipitan en solución acuosa son sales. Por tanto, las reacciones de precipitación pueden ser reacciones de neutralización, en las que un ácido y una base forman una sal poco soluble y agua. La otra posibilidad es que se trate de una reacción de intercambio de iones entre dos sales solubles para dar una sal insoluble, como el caso recién visto de la combinación entre el cloruro de sodio y el nitrato de plata. En cualquier caso, el requisito indispensable para que una reacción de neutralización o de cualquier otro tipo sea de precipitación es que la sal que se forma tenga escasa o nula solubilidad en agua.

6.4.3. Reacciones redox

Texto

Un tercer conjunto muy importante de reacciones que ocurren en solución acuosa son las llamadas reacciones de óxido-reducción o simplemente reacciones redox. Sin embargo, es importante notar que las reacciones redox ocurren no solo en solución acuosa sino también en soluciones no acuosas, en fase gaseosa o sobre superficies sólidas.

Para poder determinar si una reacción dada es una reacción redox, primero necesitamos saber qué es el número de oxidación de un átomo.

L
Leer con atención
+

Se define como número o estado de oxidación de un átomo en un compuesto a la carga que tendría ese átomo si el compuesto fuera iónico y los electrones de los enlaces en los que dicho átomo participa se adjudicaran al elemento más electronegativo.

X
Ejemplo
+

Como ejemplo para la determinación de los números de oxidación consideraremos al tetracloruro de carbono, cuya fórmula es CCl4. En este compuesto el carbono está unido a los átomos de cloro por uniones covalentes polares debido a que el cloro es más electronegativo que el carbono. Si el compuesto fuera iónico, cosa que ocurriría si la diferencia de electronegatividades fuera aún mayor, cada uno de los átomos de cloro se quedaría con el par de electrones que comparte con el carbono. De esta manera, el carbono perdería cuatro electrones quedando con una carga +4, mientras que cada uno de los cuatro átomos de cloro ganaría un electrón, quedando con una carga -1. Por tanto, en el tetracloruro de carbono, el número de oxidación del carbono es +4 y el del cloro es -1.

Texto

Es importante notar que el número de oxidación es una propiedad de un átomo en un compuesto. No es una propiedad intrínseca del átomo. El número de oxidación del cloro, por ejemplo, puede ser -1, +1, +3, +5 y +7, dependiendo del compuesto que se esté considerando.

De acuerdo con la definición dada, para determinar el número de oxidación de un elemento en un compuesto es necesario tener una tabla periódica o alguna tabla más simple en la que aparezcan listadas las electronegatividades de todos los elementos. Afortunadamente, unas pocas reglas sencillas alcanzan para determinar el número de oxidación de la mayoría de los compuestos. Estas reglas se enuncian a continuación.

L
Leer con atención
+

El número o estado de oxidación de un átomo:

  1. Es cero para cualquier sustancia neutra que contiene átomos de un solo elemento; por ejemplo: O2, P4, Al.
  2. Es igual a la carga del ion en iones que contienen átomos de un solo elemento; por ejemplo, para Ca++=+2.
  3. Es igual a +1 para el H, excepto cuando se combina con los metales para formar hidruros.
  4. Es igual a -2 para el O, excepto en los óxidos y superóxidos.
  5. Los elementos de los grupos I y II tienen números de oxidación +1 y +2, respectivamente.
  6. La suma de los números de oxidación de una molécula neutra es igual a cero.
  7. La suma de los números de oxidación de un ion molecular es igual a la carga del ion.
A
Texto aparte
+

Las reacciones redox son de fundamental importancia tecnológica, ya que las pilas de todos los dispositivos electrónicos que usamos a diario están basadas en una reacción redox. Cuando la pila se agota significa que la reacción ha concluido: todos los reactivos se transformaron en productos. Al recargar la pila, lo que estamos haciendo es utilizar energía eléctrica para que la reacción redox ocurra en sentido contrario y se regeneren los reactivos a partir de los productos.

A
Para ampliar
+

Peróxidos y superóxidos

El peróxido y el superóxido son dos iones moleculares formados por el oxígeno. Sus fórmulas son: O2-2 (peróxido) y O2-1 (superóxido). El oxígeno forma peróxidos y superóxidos cuando se combina con metales muy reactivos, como los del grupo I. Son ejemplos de esta clase de compuestos el peróxido de sodio, Na2O2, y el superóxido de potasio, KO2. Pero, sin lugar a duda, el peróxido más conocido es el peróxido de hidrógeno, H2O2, comúnmente llamado agua oxigenada. Los peróxidos y superóxidos son compuestos inestables que se descomponen liberando oxígeno para formar el óxido correspondiente.

Texto

En una reacción redox, cambia el número de oxidación de al menos dos átomos del sistema. Por ejemplo, en la reacción presentada al comienzo de la unidad:

 

\(Zn(s) + 2HCl(aq) \to ZnCl_2(aq) + H_2(g)\),

 

el cinc aumenta su número de oxidación de 0 a +2, mientras que cada átomo de hidrógeno lo disminuye de +1 a 0. La ecuación iónica neta para la reacción anterior es:

 

\(Zn(s) + 2H^+(aq) \to Zn^{+2}(aq) + H_2(g)\)

 

En una reacción redox, se dice que una especie se oxida cuando aumenta su número de oxidación y que se reduce si disminuye su número de oxidación. Asimismo, se califica como oxidante a la especie que se reduce (porque ha provocado la oxidación de otra especie), mientras que se llama reductor a la especie que se oxida (porque ha provocado la reducción de otra especie).

6.5. Elementos de cinética química

Texto

La cinética química es la rama de esta ciencia que estudia la velocidad de las reacciones químicas y los factores que la afectan. Este estudio es de enorme importancia práctica, ya que en innumerables ocasiones es necesario controlar las reacciones para hacer que ocurran con más rapidez o más lentamente; o para que se favorezcan ciertos productos en vez de otros. Los estudios de cinética química han permitido, entre otras cosas, modificar los productos de la combustión de un automóvil antes de que sean despedidos a la atmósfera, y evitar la corrosión de las juntas en cañerías industriales o el deterioro de los alimentos. En este apartado se discutirán los aspectos básicos de cinética química, con los cuales el lector interesado podrá luego abordar estudios más específicos.

6.5.1. Velocidad de las reacciones químicas

Texto

Como ya se ha analizado, cuando ocurre una reacción química hay un cambio en la composición del sistema. Sin embargo, este cambio no ocurre en forma instantánea, sino que se desarrolla en un período de tiempo, lo que permite observar cómo las concentraciones de las especies involucradas van cambiando paulatinamente. Algunas reacciones son extremadamente lentas y los cambios que ellas producen solo se aprecian en el transcurso de años. Por ejemplo, la oxidación de un trozo de hierro dejado a la intemperie no ocurre en un día ni en una semana, sino que requiere más tiempo para volverse apreciable. Por el contrario, otras reacciones son extremadamente rápidas y tienen lugar en el lapso de millonésimas de segundo o, incluso, menos.

Gráfico 6.6. Los cambios de composición durante una reacción química
+
a. Se muestra en forma esquemática lo que ocurre, a nivel molecular, durante el transcurso de una reacción química del tipo \(A \to B\).

b. Se muestra cómo van cambiando con el tiempo las concentraciones de las diferentes especies involucradas en la reacción de descomposición de N2O5 en NO2 y O2.
Texto

A partir de estos gráficos cabe preguntarse: ¿cómo puede definirse la velocidad de una reacción? ¿Cómo se percibe, en un gráfico de concentraciones en función del tiempo, el hecho de que una reacción sea más rápida que otra? Intuitivamente, es claro que cuanto mayor sea el cambio observado en la concentración de alguna especie, para un intervalo definido, mayor será la velocidad de la reacción. Esto sugiere que podría calcularse la velocidad de una reacción midiendo la concentración de un reactivo o producto a dos tiempos diferentes, t1 y t2, y dividiendo el cambio de concentración por el intervalo de tiempo transcurrido:

 

\(v = \frac{c_2-c_1}{t_2-t_1}\)(6.1)

 

donde v es la velocidad de la reacción, mientras que c2 y c1 son las concentraciones observadas a t2 y t1. El problema con esta definición es que, a menos que las gráficas de concentración en función del tiempo sean líneas rectas, el valor de velocidad calculado dependerá del intervalo de tiempo transcurrido entre t2 y t1. Con los datos provistos en el Gráfico 6.6, podemos comprobarlo haciendo el cociente entre el cambio de concentración de N2O5 en el intervalo de tiempo entre 0 y 2 minutos, o entre 0 y 6 minutos. Incluso para un mismo intervalo de tiempo, por ejemplo de 2 minutos, no se obtiene el mismo valor de velocidad si se toman las concentraciones a 0 y 2 minutos que a 2 y 4 minutos.

Concluimos, por tanto, que el cálculo de la velocidad de reacción mediante la fórmula anterior no es apropiado ya que no provee un valor único. Esta variación en los valores de velocidad obtenidos se debe a que son un promedio de las velocidades observadas en el período considerado.

P
Para reflexionar
+

Calcular la velocidad de una reacción a partir de las concentraciones medidas a dos tiempos diferentes es equivalente a calcular la velocidad de un auto midiendo la distancia que recorrió y el tiempo que tardó en recorrerla. Consideremos, por ejemplo, un viaje en auto desde La Plata a Buenos Aires por la autopista. El trayecto a recorrer es de 58 km. Si para hacer ese trayecto el auto demora 45 minutos (3/4 de hora), su velocidad promedio habrá sido 58 km/0,75 hora = 77,33 km/hora. Sin embargo, es claro que por momentos el auto ha avanzado a velocidades menores, como cuando pasó por las estaciones de peaje, y por momentos ha avanzado a velocidades mayores, por ejemplo en los tramos rectos. Por ello, la velocidad de 77,33 km/hora es una velocidad promedio, pero las velocidades instantáneas del auto en distintos puntos del recorrido difieren de esta velocidad promedio.

Texto

Si bien en principio el cociente (c2 - c1) / (t2 - t1) depende del intervalo de tiempo considerado, se observa que, a medida que la diferencia t2 - t1 se hace más y más chica, el cociente se aproxima a un valor único y definido. Matemáticamente, este valor definido tiene un nombre: es la derivada de la concentración con respecto al tiempo, que se representa como dc/dt.

 

\(v = \frac{dc}{dt} = lim_{(t_2-t_1)\to 0} \frac{c_2-c_1}{t_2-t_1}\)(6.2)

 

En otras palabras, la derivada de la concentración con respecto al tiempo es el valor único y definido que alcanza el cociente (c2 - c1) / (t2 - t1) en el límite en que el intervalo t2-t1 se vuelve infinitesimalmente pequeño.

Gráfico 6.7. Velocidades instantáneas de reacción
+

Las velocidades instantáneas corresponden a la derivada de la concentración en función del tiempo.

P
Para reflexionar
+

Las velocidades promedio e instantáneas, en un gráfico de concentración en función del tiempo, tienen un significado geométrico muy preciso. Así, la velocidad promedio está dada por la inclinación de la recta que une los puntos t1,c1 con t2,c2. Para la velocidad instantánea tenemos que evaluar la inclinación de la curva a un tiempo dado, por ejemplo t3. Esta inclinación puede medirse trazando una recta que toque la curva solo en el punto en cuestión. La recta que toca la curva solo en un punto se denomina recta tangente a la curva. Luego, la velocidad instantánea está dada por la inclinación de la recta tangente. En el lenguaje matemático, la inclinación de una recta o una curva se denomina pendiente. Todos los puntos de una recta tienen igual pendiente, mientras que en una curva diferentes puntos tienen diferente pendiente.

Texto

Utilizando el concepto de derivada de la concentración en función del tiempo, es posible dar una definición unívoca de la velocidad de una reacción, pero es necesario considerar un último detalle que se presenta cuando los reactivos y/o productos tienen diferentes coeficientes estequiométricos. Se tomará como ejemplo una reacción de disociación genérica:

 

\(A_2 \to 2A\)

 

Esta ecuación indica que, por cada molécula de A2 que desaparece, se forman dos átomos de A. Por tanto, la velocidad de aparición de los átomos de A debe ser el doble de la velocidad con que desaparecen las moléculas de A2. Por este motivo, la concentración de A aumenta con una velocidad que duplica a la velocidad con que disminuye la concentración de A2. Cabe preguntarse, entonces, ¿cuál de estas dos velocidades se define como la velocidad de la reacción?

Se define como velocidad de una dada reacción química a la velocidad con que cambian las concentraciones de las especies que tienen coeficiente estequiométrico 1. Si la especie tiene coeficiente estequiométrico 2, entonces la velocidad de la reacción es la mitad de la velocidad con que cambia su concentración; si el coeficiente estequiométrico es 3, entonces la velocidad es 1/3 de la velocidad con que cambia su concentración. En otras palabras, si se mide la velocidad con que cambia la concentración de una especie que participa en una reacción química, la velocidad de la reacción se calcula dividiendo la velocidad del cambio de concentración por el coeficiente estequiométrico de la especie en cuestión.

6.5.2. Ley de velocidad

Texto

Cuando se estudia una dada reacción química, es muy importante conocer de qué factores depende su velocidad. Si se conocen estos factores es posible modificar las condiciones existentes, a fin de favorecer o desfavorecer la reacción de acuerdo a nuestras necesidades o conveniencia.

La velocidad de las reacciones, en general, depende de múltiples factores, pero dos de ellos son los más importantes: la temperatura y la composición de la mezcla reaccionante. La ecuación que indica cómo la velocidad de una reacción depende de la composición de la mezcla reaccionante se conoce como Ley de velocidad. En la mayoría de los casos la Ley de velocidad puede escribirse como:

 

\(v = k[A]^\alpha[B]^\beta[C]^\gamma...\)(6.3)

 

En esta expresión [A] significa concentración de A, [B] significa concentración de B y así siguiendo. Las especies A, B, C, etc., que aparecen en la Ley de velocidad pueden ser reactivos, productos o cualquier otra especie presente en el medio. Por su parte, los exponentes \( \alpha \text{, } \beta \) y \( \gamma\) se conocen como órdenes de reacción. Así, alfa es el orden de reacción con respecto al compuesto A, beta es el orden de reacción con respecto a B, etc. La suma de todos los órdenes de reacción que aparecen en la Ley de velocidad se llama orden global de la reacción. Por último, la constante k que establece la proporcionalidad entre la velocidad y las potencias de las concentraciones es un parámetro específico de cada reacción que depende fuertemente de la temperatura y se denomina constante de velocidad o coeficiente de velocidad.

L
Leer con atención
+

La Ley de velocidad de una reacción es una ecuación que expresa cómo la velocidad de la reacción depende de las concentraciones de las especies presentes en el medio de reacción.

Texto
+

Las leyes de velocidad de las reacciones químicas varían enormemente de una reacción a otra. Incluso reacciones similares pueden tener leyes de velocidad muy diferentes. Por ejemplo, en la reacción entre I2 y H2 para dar HI, la ley de velocidad es:

\(v = k[I_2][H_2]\)(6.4)

Sin embargo, para la reacción entre Br2 y H2, la ley es:

 

\(v = \frac{k_1[H_2][Br_2]^{1/2}}{1+k_2[HBr] / [Br_2]}\)(6.5)

 

Es importante notar que en este último caso la Ley de velocidad ni siquiera tiene la forma más común, que es la de la ecuación (6.3). En situaciones como esta no es correcto hablar de orden de reacción. Las leyes de velocidad, en general, deben ser determinadas empíricamente.

En situaciones más complejas, la ley de velocidad puede tener formas funcionales más complejas, puede tener más de un término y puede requerir más de una constante de velocidad. En cualquier caso, la información necesaria debe obtenerse experimentalmente. Una vez que se dispone de todos esos datos se puede utilizar la Ley de velocidad para predecir cómo cambian las concentraciones con el tiempo.

Por este motivo, para obtener la Ley de velocidad se hacen numerosos experimentos en los que se mide la velocidad de la reacción en diferentes condiciones. Finalmente se propone una ley, una expresión matemática, que sea capaz de dar cuenta de los resultados obtenidos en los experimentos realizados. Nada garantiza, sin embargo, que la misma ley sea válida en condiciones muy diferentes a las utilizadas en los experimentos por los cuales se la determinó. Por lo tanto, las leyes de velocidad solo son válidas dentro de un cierto rango de condiciones que generalmente se dan a conocer cuando se publican los resultados de la investigación de la reacción.

6.5.3. Ley de Arrhenius

Texto

El coeficiente de velocidad k –como se dijo en el apartado anterior– depende fuertemente de la temperatura. Esto significa que las velocidades de las reacciones son muy sensibles a los calentamientos o enfriamientos que el sistema reactivo pueda sufrir. Al igual que la Ley de velocidad, la dependencia de k con la temperatura debe ser determinada empíricamente. Sin embargo, el comportamiento observado en la mayoría de los casos puede predecirse por una ley conocida como la Ley de ArrheniusN:

Texto
\(k(T) = Ae^{-E_a/RT}\)(6.6)

 

En esta expresión, R es la constante general de los gases, T es la temperatura absoluta, mientras que A y Ea son dos parámetros independientes de la temperatura denominados factor de frecuencia y energía de activación, respectivamente. Ambos parámetros varían de reacción en reacción y, por lo tanto, deben ser determinados de manera experimental para cada caso de interés.

De acuerdo con la ecuación de Arrhenius, la manera en que se modifica k al variar T depende de la magnitud y el signo de la energía de activación. Si Ea es positiva, entonces k aumenta al aumentar T; mientras que si Ea es negativa, k disminuye al aumentar T. La gran mayoría de las reacciones tienen energía de activación positiva y, por ende, se aceleran al calentar el sistema. Por otra parte, si Ea es muy grande significa que k es muy sensible a los cambios de T. Contrariamente, si Ea es próximo a cero (1), entonces k varía muy poco con T. Por último, es importante destacar que para Ea positiva, un valor grande de Ea implica una velocidad de reacción muy baja. Las variaciones de k como función de T se muestran en el Gráfico 6.8 para el caso de una energía de activación positiva.

Gráfico 6.8. Dependencia de la constante de velocidad con la temperatura
+

Se aprecia que la velocidad de reacción es muy sensible a los cambios de temperatura.
Texto

Es importante destacar que no todas las reacciones siguen la Ley de Arrhenius. Pero, en general, esta ley se cumple en la mayoría de los casos si la reacción se estudia en un rango relativamente pequeño de temperaturas. Si el rango de T se amplía, por ejemplo a unos 1000 K, entonces se observan desviaciones.

A
Para ampliar
+

¿Cuándo usamos la Ley de Arrhenius?

La Ley de Arrhenius tiene innumerables aplicaciones. No solo en las plantas industriales y petroquímicas donde se elaboran los compuestos requeridos por las diferentes industrias, sino también en nuestras casas. Una de las aplicaciones más habituales de la Ley de Arrhenius en nuestra vida cotidiana está relacionada con la cocción y la conservación de los alimentos. No es un secreto para nadie que los alimentos se cocinan más rápido si son sometidos a altas temperaturas. Lo que quizás muchos pueden no saber es que esas velocidades de cocción siguen, en muchos casos, una ley de Arrhenius en la que cada tipo de alimento tiene su propia energía de activación. Así, por ejemplo, la cocción de alimentos con alto contenido de proteínas como un bife o una pechuga de pollo tiene una energía de activación que es casi 25% más elevada que la observada en la cocción de tortas y galletitas.

Por otra parte, todos nosotros guardamos cotidianamente alimentos en la heladera para que duren más tiempo. El hecho de que estos se mantengan en buen estado cuando son conservados en la heladera se relaciona con que la velocidad a la que se reproducen las bacterias sigue, también, una ley de Arrhenius. El gabinete de una heladera está, por lo general, a una temperatura de 4 °C, mientras que el ambiente normal de una casa está, aproximadamente, a 23 °C. Por este motivo, una leche pasteurizada puede durar unos 20 días si es guardada en la heladera, pero dura menos de un día si se la deja afuera.

Fuente: <https://aaccipublications.aaccnet.org/doi/abs/10.1094/CC-82-0053>.

Texto

Para los valores usualmente hallados en la energía de activación de las reacciones químicas, se encuentra que k puede modificarse en varios órdenes de magnitud para cambios de T de entre 100 a 300 K. Por este motivo se vuelve imposible realizar un gráfico de k versus T en una escala lineal, ya que ello requeriría un eje de ordenadas muy grande. Es por esto que se suele utilizar para el eje de ordenadas una escala logarítmica. Es más común aún mostrar la dependencia de k con T representando el logaritmo natural de k en función de la inversa de la temperatura. Al proceder de esta manera, si se cumple la ecuación de Arrhenius, el gráfico que se obtiene es una recta de cuya pendiente se puede evaluar k. Los gráficos de ln(k) versus 1/T se denominan gráficos de Arrhenius. Por otra parte, si al representar ln(k) versus 1/T se obtiene una curva en vez de una recta, eso significa que la energía de activación depende de la temperatura. Tal comportamiento se considera como una desviación respecto de la Ley de Arrhenius.

A
Para ampliar
+

Decimos que un parámetro cambia en un orden de magnitud cuando se modifica por un factor de 10, aproximadamente. Por ende, cuando hablamos de “varios órdenes de magnitud”, estamos hablando de factores de 100, 1.000, 10.000, etcétera.

Gráfico 6.9. Gráfico tipo Arrhenius
+

6.5.4. Reacciones simples y complejas

Texto

Algunas reacciones químicas, a nivel molecular, ocurren en un único evento. Este evento puede ser, por ejemplo, una colisión entre dos moléculas. Si dicha colisión tiene la energía y la geometría adecuada, ocurre que las moléculas originales se transforman en nuevas moléculas. En otras ocasiones, una única molécula se puede disociar o isomerizar.

En una reacción de disociación, un enlace de una molécula se rompe y la molécula original se divide en dos fragmentos (Gráfico 6.10.b). En una isomerización puede cambiar la manera en la que están unidos los átomos (Gráfico 6.10.c). O sea, en una reacción de isomerización, una molécula es transformada en otra que posee los mismos átomos, pero dispuestos en forma distinta.

Gráfico 6.10. Reacciones químicas simples a nivel molecular
+

a. Evento bimolecular

b. Disociación (evento unimolecular)

c. Isomerización (evento unimolecular)

Fuente: elaboración propia.
Texto

Cuando la reacción química ocurre en un único evento a nivel molecular, se dice que la reacción es simple o elemental. Sin embargo, la mayoría de las reacciones no ocurren en un único evento, sino que tienen lugar a partir de una concatenación o sucesión de eventos elementales. Cada uno de estos eventos se denomina paso o etapa de la reacción, y las reacciones que ocurren en muchos pasos se denominan reacciones complejas.

L
Leer con atención
+

Se denominan pasos o etapas de una reacción compleja a cada una de las reacciones simples que, al ocurrir de manera sucesiva, dan lugar a la transformación química correspondiente a la reacción compleja.

Texto

Como ejemplo de una reacción compleja se considerará la reacción entre SO2(g) y O2(g) para dar SO3(g). Si en el medio reaccionante solo se encuentran presentes el SO2(g) y el O2(g), la reacción ocurre a velocidades tan bajas que la formación de productos resulta imperceptible. Por este motivo se suele decir que en estas condiciones la reacción no ocurre. No obstante, hay diversas especies que con su presencia hacen que la oxidación de SO2 a SO3 ocurra a velocidades perceptibles. Una de ellas es, como mencionamos anteriormente, el pentóxido de vanadio, V2O5, que es un compuesto sólido en las condiciones de temperatura y presión a las que generalmente se lleva a cabo esta reacción. En este caso, el SO2(g) y el O2(g) se adhieren a la superficie del sólido y sobre ella suceden una gran variedad de transformaciones que finalmente conducen a la formación de SO3(g). Este proceso es muy complejo y, por lo tanto, no se abordará en profundidad en este apartado. En cambio, se estudiará la reacción entre SO2(g) y O2(g) en presencia de NO(g). En este caso, tiene lugar una reacción por etapas, tal como se muestra debajo:

 

\(O_2 + 2NO \to 2NO_2\)

 

\(SO_2 + NO_2 \to SO_3 + NO\)

 

En la primera etapa, una molécula de O2 se encuentra con dos de NO y se forman dos moléculas de NO2. En la segunda etapa, una molécula de SO2 reacciona con una de NO2 y se forma el SO3. Debido a que en la primera etapa se forman dos de NO2 y en la segunda se consume solo una, una representación más fidedigna del proceso sería:

 

\(O_2 + 2NO \to 2NO_2\)

 

\(2SO_2 + 2NO_2 \to 2SO_3 + 2NO\)

 

Finalmente, para obtener la reacción neta se deben sumar ambas etapas, obteniendo:

 

\(2SO_2 + O_2 \to 2SO_3\)

 

La ecuación que representa a la reacción neta es la que muestra la trasformación de reactivos en productos y que omite toda especie involucrada en las etapas intermedias que no sea ni reactivo ni producto. Así, muchas de las ecuaciones químicas presentadas a lo largo de esta unidad involucran una serie de pasos intermedios. El listado de todos los pasos de una reacción compleja se denomina mecanismo de la reacción.

Por ejemplo, el mecanismo de la reacción anterior tiene varios puntos que son para destacar. Por un lado, es importante notar la presencia o la participación de dos especies, el NO y el NO2, que no aparecen en la reacción neta. De allí que cuando ocurre una reacción compleja, la simple estequiometría de la reacción (o sea, la reacción neta) no proporciona toda la información posible sino solo una parte de ella.

Por otro lado, de acuerdo con el mecanismo indicado, se requieren dos moléculas de NO para dar inicio a la reacción. En ausencia de NO, la reacción no sucedería porque no podría iniciarse. Luego, en el segundo paso se regeneran dos moléculas de NO. El resultado neto es que no se forma ni se consume ninguna molécula de NO. Por lo tanto, la cantidad que estaba presente antes de iniciarse la reacción es la misma que estará presente cuando la reacción concluya. Cuando un compuesto no se crea ni se consume en una reacción química, pero su presencia es necesaria para que la reacción proceda a velocidades apreciables, se dice que ese compuesto es un catalizador de la reacción en cuestión. En un mecanismo de reacción, un catalizador siempre aparece primero como reactivo de una de las etapas y luego como producto de una etapa posterior. La participación del catalizador en los diferentes pasos del mecanismo explica por qué esa sustancia modifica la velocidad de la reacción a pesar de no ser ni un reactivo ni un producto.

L
Leer con atención
+

Las etapas de un mecanismo, cuando ocurren en orden sucesivo, dan como resultado el cambio químico observado en la reacción compleja.

A
Texto aparte
+

Una gran cantidad de reacciones químicas suceden a través de mecanismos complejos que involucran catalizadores. Es importante notar que en presencia de diferentes catalizadores la reacción se lleva a cabo por mecanismos diferentes. Más aún, la reacción puede ocurrir también en ausencia de catalizadores, pero su velocidad es tan lenta que resulta inapreciable o simplemente de poca utilidad.

A
Para ampliar
+

Catalizadores negativos: son sustancias que se utilizan para hacer que una reacción sea más lenta. Así, por ejemplo, el ácido del limón y de otros cítricos enlentece el proceso de oxidación de la materia orgánica con el oxígeno del aire. El tetraetilo de plomo se utilizaba antiguamente en la nafta como antidetonante.

Texto

Siguiendo con el mecanismo de oxidación de SO2 a SO3, se puede apreciar que el NO2 se forma en la primera etapa de la reacción y luego se consume en la segunda, por lo que tampoco hay un cambio neto en el número de moléculas de este compuesto antes y después de la reacción. Sin embargo, hay una diferencia muy grande en el rol que tienen el NO y el NO2 en el mecanismo analizado. Dado que el NO2 se produce en la primera etapa, su presencia no es necesaria para que se inicie la reacción. Por el contrario, la propia reacción irá generando el NO2 necesario a medida que el SO2 se vaya consumiendo. Así, si al inicio de la reacción no había nada de NO2, tampoco habrá nada cuando la reacción concluya al consumirse alguno de los reactivos. En otras palabras, el NO2 solo está presente durante el transcurso de la reacción: ni antes ni después. Una sustancia que, sin ser reactivo ni producto, se forma en alguna de las etapas de una reacción y se consume en una etapa posterior se denomina intermediario de reacción. En general, los intermediarios están presentes durante el transcurso de la reacción, pero no antes ni después. Su presencia no se requiere para que la reacción se inicie, pero sí es necesaria para que la reacción pueda proceder. Así, por ejemplo, si se logra eliminar selectivamente el intermediario de una reacción química, las etapas posteriores a su formación no pueden ocurrir y la reacción se detiene o deja de ocurrir a velocidades apreciables.

P
Para reflexionar
+

Conocer el mecanismo por el que ocurre una reacción es de suma importancia, ya que a partir de él se pueden hacer todas las predicciones que se quiera sobre la reacción. En primer lugar, el mecanismo muestra todas las especies involucradas (no solo los reactivos y productos). Además, si se conoce el mecanismo se puede determinar cómo variarán con el tiempo las concentraciones de todas las especies y también se puede obtener la Ley de velocidad. Todos estos conocimientos proveen herramientas para controlar la reacción, ya sea para favorecerla o para evitarla.

6.6. Equilibrio químico

Texto

Hasta ahora hemos considerado que las reacciones químicas ocurren en un solo sentido de modo significativo, es decir que solo pueden ocurrir de reactivos a productos. En muchos casos esta suposición es acertada. Por ejemplo, el hidrógeno molecular se combina con el oxígeno molecular para dar agua, pero en condiciones normales el agua no se descompone por sí sola en hidrógeno y oxígeno molecular.

Sin embargo, en la mayoría de los casos, la suposición de que la única reacción que ocurre apreciablemente es la que va desde los reactivos a los productos es errónea: los productos también pueden combinarse para dar los reactivos. La Tabla 6.1 muestra lo que ocurre con las concentraciones en la reacción de descomposición de N2O4 en NO2,

 

\(N_2 O_4 \leftrightarrow 2 NO_2\)

 

cuando se empieza con diferentes cantidades de estos gases. Las filas de la tabla corresponden a diferentes experimentos. En cada experimento, la reacción se inicia con las concentracionesN de N2O4 y NO2 indicadas en las columnas [N2O4]0 y [NO2]0, respectivamente. Aquí el subíndice “0” hace referencia a que son concentraciones iniciales. Además, se observa que la reacción deja de progresar cuando las concentraciones son las indicadas en las columnas [N2O4]e y [NO2]e. En este caso, el subíndice “e” hace referencia a que son las concentraciones alcanzadas en el equilibrio, cuando ya no ocurre reacción neta en ningún sentido. Analizando los datos de la tabla puede observarse que, ya sea que la reacción se inicie habiendo solo [N2O4] o habiendo solo [NO2], cuando el proceso alcanza la posición donde no hay un avance neto de la reacción ambos compuestos están presentes en el medio. Estas observaciones demuestran que la reacción puede ocurrir en un sentido o en otro, y que se alcanza una situación en la que ambas especies coexisten mientras que sus concentraciones se mantienen constantes. La última columna de la tabla lleva el título de Kc, que es el símbolo utilizado para indicar la constante de equilibrio escrita en función de las concentraciones. En este caso, la constante Kc está dada por:

\(K_C = \frac{[NO_2]_{e^2}} {[N_2O_4]_e}\)(6.7)

Texto

Usualmente las concentraciones en la constante de equilibro suelen expresarse en molaridad. Lo que muestra la última columna de la Tabla 6.1 es que, independientemente del hecho de que las concentraciones iniciales y finales de cada experimento sean distintas, el valor de Kc es siempre el mismo, siempre y cuando se mantenga constante la temperatura del experimento. Justamente es la constancia de este valor, en particular su independencia de las concentraciones iniciales y finales, la que da origen al nombre constante de equilibrio.


Tabla 6.1. Experimentos para analizar el equilibrio en la reacción \(N_2 O_4 \leftrightarrow 2 NO_2\) a temperatura constante de 100 °C

Experimento

[N2O4]0

[NO2]0

[N2O4]e

[NO2]e

Kc

1

0,0

0,0200

0,00140

0,0172

0,21

2

0,0

0,0300

0,00180

0,0243

0,21

3

0,0200

0,0

0,00452

0,0310

0,21

Nota: las concentraciones están expresadas en escala de molaridad.

Fuente: elaboración propia.

 

Gráfico 6.11. Equilibrio químico en la reacción \(N_2 O_4 \leftrightarrow 2 NO_2\)
+

A la izquierda, el experimento se inicia solo con N2O4. Cuando aún hay poco NO2 sigue habiendo una reacción neta de reactivos a productos. Finalmente se alcanza una situación en la que las concentraciones dejan de variar. En ese momento el sistema está en equilibrio químico. En la representación de la ecuación, el equilibrio se indica por una doble flecha, señalando en ambos sentidos.
E
Audiovisual
+

Aunque el agua no se descompone espontáneamente en hidrógeno y oxígeno en condiciones normales, es posible llevar a cabo la reacción mediante el pasaje de una corriente eléctrica. Este procedimiento recibe el nombre de electrólisis, que significa “romper mediante electricidad”. El siguiente video muestra un experimento casero de electrólisis del agua.

<https://www.youtube.com/watch?v=d9YiX5dY86Y> [Consulta: 31 de agosto 2017].

6.6.1. La constante de equilibrio

Texto

En el apartado anterior se mostró la expresión de la constante Kc para la reacción \(N_2 O_4 \leftrightarrow 2 NO_2\). En este se analizará el caso más general. Para ello consideraremos una reacción genérica de ecuación balanceada:

 

\(aA + bB \rightleftharpoons cC +dD\)(6.8)

 

Para esta reacción, la constante de equilibrio se define como:

 

\(K_C = \frac{[C]^c_{e.}[D]^d_{e.}} {[A]^a_{e.}[B]^b_{e.}}\)(6.9)
L
Leer con atención
+

Podemos expresar en palabras la regla general para escribir la constante de equilibrio Kc: la constante Kc está dada por el producto de las concentraciones de productos, cada uno elevado a su correspondiente coeficiente estequiométrico, dividido por el producto de las concentraciones de los reactivos, cada uno elevado a su correspondiente coeficiente estequiométrico.

Texto

Es importante notar que en el cálculo de Kc solo se pueden utilizar las concentraciones de equilibrio. En la ecuación anterior, este aspecto fue destacado mediante la utilización del subíndice “e”. Sin embargo, en muchos libros de texto, este punto no se destaca de igual manera, lo que puede llevar a creer que cualquier concentración es válida para calcular la constante de equilibrio. Esa creencia es falsa. Si en lugar de utilizar las concentraciones de equilibrio se emplean concentraciones arbitrarias, lo que se está calculando es el cociente arbitrario de reacción Q:

 

\(Q = \frac{[C]^c_.[D]^d_.} {[A]^a_.[B]^b_.}\)(6.10)

 

Como su nombre lo indica, Q puede tomar cualquier valor, desde cero cuando no hay productos, hasta infinito cuando no hay reactivos. El valor de Kc, por el contrario, es único para una temperatura dada. Cuando se prepara un sistema reactivo con concentraciones diferentes a las de equilibrio, el sistema reacciona en un sentido o en otro. Esta reacción neta, a su vez, produce modificaciones en las concentraciones de todos los componentes y, por ende, se modifica Q. Eventualmente, la reacción neta se detiene porque el sistema ha llegado al equilibrio. En ese momento (solo en ese momento), las concentraciones alcanzadas son las de equilibrio, por lo que Q es igual a Kc.

Un valor elevado de Kc indica que, cuando se alcanza el equilibrio, la proporción de productos a reactivos es grande. Por el contrario, un valor de Kc muy pequeño indica que el sistema deja de reaccionar cuando la proporción de productos a reactivos es pequeña. A veces, la constante de equilibrio es tan grande que las concentraciones de reactivos presentes en el equilibrio son despreciables. Incluso puede ocurrir que sean tan bajas que no puedan ser medidas. En estos casos decimos que la reacción es completa o irreversible. Por el contrario, una reacción con un Kc extremadamente bajo, tal que las concentraciones de productos en el equilibrio no sean detectables, es una reacción que prácticamente no ocurre.

6.6.2. Equilibrio y velocidad de las reacciones químicas

Texto

Es importante notar que el equilibrio químico siempre es un equilibrio dinámico, al igual que el equilibrio de fases. Esto significa que la condición de equilibrio, evidenciada por la ausencia de reacción neta, no se alcanza cuando hay ausencia de reacciones químicas sino cuando las reacciones directa e inversa ocurren a la misma velocidad. La evolución de un sistema reactivo hacia la situación de equilibrio se ilustra en el Gráfico 6.12, tomando como ejemplo una reacción esquemática \(A \leftrightarrow B\), que podría corresponder a una reacción de isomerización o de disociación. En el momento inicial solo está presente el reactivo A y, por ende, solo puede ocurrir la reacción directa. Al cabo de un tiempo, la concentración de B es apreciable y por ello se vuelve apreciable la reacción inversa. Sin embargo, la velocidad de la reacción directa es mayor a la velocidad de la inversa, por lo que la reacción neta sigue siendo la reacción directa y la concentración de B sigue aumentando. Como este proceso consume A y produce B, enlentece la velocidad directa e incrementa la velocidad inversa. Claramente, el proceso solo puede continuar hasta que ambas velocidades se igualan, ya que en ese momento dejan de variar las concentraciones.

Gráfico 6.12. Evolución de un sistema reactivo al equilibrio
+
Texto

A pesar del nombre “constante de equilibrio”, la Kc de una reacción no es una constante absoluta, sino que depende de la temperatura. Esta dependencia con T es causada, a su vez, por la dependencia de las velocidades de reacción directa e inversa. Así, las constantes de velocidad de ambas reacciones se modifican al variar la temperatura, pero no se modifican en la misma proporción, lo que hace variar la relación de las concentraciones en el equilibrio. Tanto la experiencia experimental como las deducciones de termodinámica teórica indican que, si una reacción absorbe calor, aumenta su Kc al aumentar la temperatura. Por el contrario, las reacciones que desprenden calor disminuyen su Kc al aumentar la temperatura.

Cuando los componentes de una reacción están todos en fase gaseosa, la constante de equilibrio puede expresarse en función de la presión que ejerce cada gas por separado; en ese caso, la constante de equilibrio se simboliza con KP. Por ejemplo, si la reacción \(aA + bB \rightleftharpoons cC +dD\) ocurre en fase gaseosa, la situación de equilibrio se puede analizar en términos de KP, dada por

\(Kp = \frac{p(C)^c_{e.}p(D)^d_{e.}} {p(A)^a_{e.}p(B)^b_{e.}}\)(6.11)

 

Donde p(X) representa la presión parcial del componente X en el equilibrio.

6.6.3. Equilibrios heterogéneos

Texto

Muchos sistemas reactivos involucran reactivos o productos que están en diferentes fases. Cabe por tanto que veamos cuáles son las expresiones para la constante de equilibrio en esos casos.

Si alguna de las especies que participan de la reacción están en solución mientras que otras son gases, entonces la constante de equilibrio se expresa en función de las concentraciones molares de los componentes en solución y de las presiones parciales de los componentes en el vapor. Finalmente, si en la reacción se forman o consumen sólidos, estos no aparecen en la expresión de la constante de equilibrio. Por ejemplo, para la reacción:

 

\(Zn(s) + 2HCl(aq) \to ZnCl_2 (aq) + H_2 (g)\)

 

la constante de equilibrio se expresa de la siguiente manera:

\(Kc = \frac{[ZnCl_2]_{e.}p(H_2)_{e.}} {[HCl]^2_{e.}}\)(6.12)

 

Cabe notar que la proporción de H2 en fase gaseosa se indica por su presión, mientras que el cinc sólido no aparece mencionado en la constante.

Actividades

Texto
    1. El nitrógeno (N2) y el hidrógeno (H2) se combinan para formar amoníaco (NH3). Escriba una ecuación química balanceada que represente dicho cambio.
    2. El etileno (C2H4) reacciona con el oxígeno (O2) para formar dióxido de carbono (CO2) y agua (H2O). Escriba por lo menos dos ecuaciones balanceadas alternativas para esta reacción teniendo en cuenta que lo importante no son los coeficientes estequiométricos en sí, sino la relación entre ellos.
  1.  

  2. Escriba la ecuación iónica completa y la ecuación iónica neta para la reacción de precipitación entre cloruro de sodio y nitrato de plata.

  3. Balancee las siguientes ecuaciones químicas.
    1. \(NO(g) + O_2(g) \to NO_2(g)\)
    2. \(C_2H_4(g) + HCl(g) \to C_2H_5Cl(g)\)
    3. \(Na(s) + H_2O(l) \to Na_2O(s) + H_2(g)\)
  4.  

  5. A partir de las ecuaciones balanceadas del ejercicio anterior, calcule:
    1. ¿Cuántas moléculas de O2 reaccionan con 1.500 moléculas de NO?
    2. ¿Cuántos moles de HCl se requieren para formar 3 moles de C2H5Cl?
    3. ¿Cuántos átomos de Na se requieren para producir un mol de moléculas de H2?

  6. Determine el número de oxidación de cada uno de los átomos de los siguientes compuestos:
    1. CaH2
    2. CO
    3. CH3OH
    4. MnO4K
  7.  

    1. Clasifique las siguientes reacciones como de neutralización, precipitación o redox.

    2. En el caso de las reacciones redox, identifique el oxidante y el reductor, e indiqué cómo cambiaron sus números de oxidación.

      • \(2HNO_3(aq) + Ca(OH)_2(aq) \to Ca(NO_3)_2(aq) + 2H_2O(l)\)
      • \(2SH_2(g) + 3O_2(g) \to2SO_2(g) + 2H_2O(l)\)
      • \(Pb(NO_3)_2(aq) + 2KCl(aq) \to PbCl_2(s) + 2KNO_3 (aq)\)
  8.  

  9. La reacción de oxidación de NH3(g) es:

    \(4NH_3(g) + 3O_2(g)\to 2N_2(g) + 6H_2O(g)\)

    Si en un momento dado la velocidad a la que se forma el nitrógeno es de 0,5 moles/s, ¿cuál es la velocidad de formación de agua? ¿Y la velocidad con la que desaparece el amoníaco?

  10.  

  11. Una reacción genérica de tipo \(A + B \to C + D\) es de primer orden en A y segundo orden en B. Escriba la ley de velocidad de la reacción.
  12.  

  13. Para el siguiente mecanismo de reacción escriba la reacción neta e identifique reactivos, productos, intermediarios y catalizadores (si los hubiere).

    \(NO(g) + Br_2(g) \to NOBr_2(g)\)

    \(NO(g) + NOBr_2(g) \to NOBr(g)\)