Modulo Inorganica

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UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA UNAD

Escuela de Ciencias Agrcolas, Pecuarias y del Medio Ambiente

Qumica inorgnica

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA - UNAD

ESCUELA DE CIENCIAS AGRCOLAS, PECUARIAS Y DEL MEDIO AMBIENTE

QUMICA INORGNICA

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Qumica inorgnica

NDICE DE CONTENIDO

NDICE DE CONTENIDO ........................................................................................ 2

NDICE DE TABLAS ............................................................................................... 5

NDICE DE FIGURAS ............................................................................................. 7

INTRODUCCIN .................................................................................................... 9

UNIDAD I. CINTICA Y TERMODINMICA QUMICA ................................... 12

CAPTULO 1. CINTICA QUMICA ................................................................ 13

Leccin 1. Velocidad de reaccin ................................................................ 13

Leccin 2. Concentracin y velocidad de reaccin. ..................................... 18

Leccin 3. Variacin de la concentracin con el tiempo .............................. 22

Leccin 4. Efectos de la temperatura en la velocidad de reaccin .............. 26

Leccin 5. Mecanismos de reaccin. ........................................................... 29

EJERCICIOS CAPTULO 1 ............................................................................... 32

CAPTULO 2. EQUILIBRIO QUMICO ............................................................ 35

Leccin 6. Concepto de equilibrio qumico................................................... 35

Leccin 7. Reacciones reversibles e irreversibles ....................................... 39

Leccin 8. Equilibrio homogneo y heterogneo ......................................... 41

Leccin 9. La constante de equilibrio aplicaciones ................................... 44

Leccin 10. Principio de le Chtelier. ........................................................... 47


CAPTULO 3. TERMODINMICA QUMICA .................................................. 53

Leccin 11. Espontaneidad .......................................................................... 53

Leccin 12. La entropa ............................................................................... 56

Leccin 13. La entropa a nivel molecular .................................................... 62

Leccin 14. Energa Libre de Gibbs ............................................................. 65

Leccin 15. Energa libre de Gibbs, temperatura y constante de equilibrio . 69

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Qumica inorgnica


UNIDAD II. EQUILIBRIO QUMICO INICO ANLISIS QUMICO ............... 75

CAPTULO 4. COMPOSICIN DE LAS SUSTANCIAS ................................. 76

Leccin 16. Mezclas gaseosas .................................................................... 76

Leccin 17. Mezclas lquidas ....................................................................... 80

Leccin 18. Concentracin con base qumica.............................................. 83

Leccin 19. La Funcin pX........................................................................... 91

Leccin 20. Actividad qumica de una sustancia.......................................... 94


CAPTULO 5. EQUILIBRIO QUMICO EN SOLUCIONES ACUOSAS ........ 100

Leccin 21. Electrolitos .............................................................................. 100

Leccin 22. El estado de equilibrio ............................................................ 103

Leccin 23. Aplicaciones de la constante de equilibrio .............................. 106

Leccin 24. Disociacin de cidos y bases ................................................ 111

Leccin 25. Efecto de los iones en el equilibrio ......................................... 121

EJERCICIOS CAPTULO 5 ............................................................................. 127

CAPTULO 6. MTODOS CLSICOS DE ANLISIS QUMICO ................. 129

Leccin 26. Errores en el anlisis qumico ................................................. 129

Leccin 27. Anlisis gravimtrico ............................................................... 133

Leccin 28. Valoracin de soluciones ........................................................ 138

Leccin 29. Valoracin por precipitacin ................................................... 143

Leccin 30. Valoracin cido-base ............................................................ 149

UNIDAD III. QUMICA DESCRIPTIVA ............................................................. 159

CAPTULO 7. PROPIEDADES PERIDICAS - HIDRGENO ..................... 159

Leccin 31. Tabla peridica y propiedades peridicas. ............................. 159

Leccin 32. Hidrgeno e Hidruros Metlicos.............................................. 163

Leccin 33. Combinaciones Hidrogenadas de los Halgenos ................... 167

Leccin 34. Hidruros de los Elementos del Grupo del Azufre .................... 171

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Qumica inorgnica

Leccin 35. Amoniaco y Otros Hidruros de nitrogenoideos ....................... 175


CAPTULO 8. EL OXGENO EN LA NATURALEZA .................................... 182

Leccin 36. El oxgeno ............................................................................... 182

Leccin 37. El Ozono ................................................................................. 187

Leccin 38. xidos, hidrxidos, oxocidos y sales. ................................... 193

Leccin 39. Compuestos Oxigenados de nitrgeno y Fsforo ................... 197

Leccin 40. Compuestos oxigenados de Azufre y Carbono ...................... 201


CAPTULO 9. OTROS ELEMENTOS ........................................................... 208

Leccin 41. Carbono .................................................................................. 208

Leccin 42. Metales alcalinos y Alcalinotrreos ......................................... 212

Leccin 43. Metales de transicin .............................................................. 223

Leccin 44. Metales de Transicin II .......................................................... 228

Leccin 45. Metales pesados..................................................................... 231

REFERENCIAS ................................................................................................... 234

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Qumica inorgnica

NDICE DE TABLAS

Tabla 1 Efecto de la concentracin en la velocidad inicial de una reaccin .......... 18

Tabla 2 efecto del orden de la reaccin en la velocidad inicial [5] ......................... 20

Tabla 3 variacin de la concentracin [NO3] con el tiempo [5] .............................. 24

Tabla 4 clculos para el Ejemplo 4 ........................................................................ 24

Tabla 5 valores de la constante cintica a diferentes temperaturas para una

reaccin .................................................................................................... 28

Tabla 6 clculos para el ajuste de la constante cintica del Ejemplo 5 ................. 28

Tabla 7 Molecularidad y ecuaciones de velocidad para diferentes pasos

elementales de reaccin. .......................................................................... 31

Tabla 8 tendencia de las reacciones no isotrmicas en equilibrio frente a los

cambios de temperatura ........................................................................... 50

Tabla 9 Entropas estndar a 25 C y 1 atm [12]................................................... 64

Tabla 10 Entalpas de formacin estndar a 25 C y 1 atm [12] .......................... 67

Tabla 11 Energas libres de formacin estndar a 25 C y 1 atm [12] ................. 67

Tabla 12 Composicin del aire seco a nivel del mar [15] ..................................... 77

Tabla 13. Coeficientes de actividad de NaCl en solucin acuosa. ........................ 95

Tabla 14 coeficientes de actividad de iones a 25 C ............................................. 96

Tabla 15. Composicin promedio del agua de mar .............................................. 98

Tabla 16 Algunos ejemplos de cidos y bases fuertes y dbiles ......................... 102

Tabla 17 equilibrios y constantes de equilibrio comunes [3]................................ 104

Tabla 18 constantes de producto de solubilidad Kps a 25 C de algunas sustancias

inorgnicas [23] ...................................................................................... 108

Tabla 19 Constantes de disociacin de cidos y bases dbiles Ka y Kb .............. 114

Tabla 20 constantes de producto de solubilidad Kps de slidos inorgnicos [3]. . 125

Tabla 21 datos para el Ejemplo 55 ...................................................................... 131

Tabla 22 datos ordenados del Ejemplo 55 ......................................................... 132

Tabla 23 Resultados para el Ejemplo 55 ............................................................. 132

Tabla 24 Clculo del error para el Ejemplo 55 .................................................... 132

Tabla 25 indicadores qumicos para valoracin cido base. [24] ........................ 150

Tabla 26 Titulacin de 10 ml de HCl 0.05 M con NaOH 0.075 M ........................ 151

Tabla 27 Clculo de d pH / dV para titulacin acido fuerte base fuerte ............... 152

Tabla 28 datos de pH en la titulacin de HCOOH con NaOH ............................. 154

Tabla 29 Datos para el Ejemplo 63 ..................................................................... 156

Tabla 30 clculo d pH /dV del Ejemplo 63 ........................................................... 157

Tabla 31 Propiedades de los elementos del grupo del azufre. ............................ 172

Tabla 32 Propiedades de los elementos del grupo del nitrgeno. ....................... 175

Tabla 33 Propiedades del amoniaco ................................................................... 177

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Qumica inorgnica

Tabla 34. Nomenclatura de los oxcidos del Ejemplo 67. ................................... 194

Tabla 35 Nomenclatura de los oxcidos del ejemplo 10. .................................... 197

Tabla 36 Componentes secundarios atmosfricos .............................................. 202

Tabla 37 Contaminantes atmosfricos en un ambiente urbano. ......................... 203

Tabla 38 Minerales de los metales ms comunes [5] .......................................... 215

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Qumica inorgnica

NDICE DE FIGURAS

Figura 1 representacin de la reaccin A B [5] ................................................. 16

Figura 2 Grfica de datos para el Ejemplo 4 ......................................................... 25

Figura 3 Ajuste de los datos de constantes cinticas, Ejemplo 5 .......................... 29

Figura 4 Tendencia al equilibrio de una bola que cae por una cuesta .................. 36

Figura 5 Efecto en el equilibrio del amonaco al adicionar hidrgeno ................... 49

Figura 6 proceso reversible en un resorte ............................................................. 54

Figura 7 ejemplo de proceso irreversible............................................................... 56

Figura 8 proceso espontneo y no espontneo [5] ............................................... 57

Figura 9 Disminucin de la entropa por disminucin del nmero de molculas [5]

.................................................................................................................. 62

Figura 10 atmsfera inica rodeando a un ion de Ba2+ ....................................... 121

Figura 11 Comparacin entre precisin y exactitud [3] ....................................... 130

Figura 12 Variacin del peso de un precipitado de oxalato de calcio con la

temperatura ............................................................................................ 135

Figura 13 curva de valoracin sigmoidea tpica .................................................. 145

Figura 14 Curva de valoracin de dos segmentos rectos ................................... 145

Figura 15 Efecto de la concentracin en la titulacin .......................................... 146

Figura 16 curva de tutilacin cido fuerte base fuerte ...................................... 151

Figura 17 Comportamiento de d pH / dV para titulacin acido fuerte base fuerte 152

Figura 18 Titulacin de cido dbil con base fuerte ............................................ 153

Figura 19 cido fuerte con base fuerte................................................................ 154

Figura 20 Base fuerte con cido fuerte................................................................ 154

Figura 21 cido dbil con base fuerte ................................................................. 155

Figura 22 Base fuerte con cido dbil ................................................................. 155

Figura 23 Acido fuerte con base dbil ................................................................. 155

Figura 24 base dbil con cido fuerte ................................................................. 155

Figura 25 cido dbil con base dbil ................................................................... 155

Figura 26 base dbil con cido dbil ................................................................... 155

Figura 27 curva de titulacin Ejemplo 63............................................................. 156

Figura 28 curva de titulacin y d pH /dV del Ejemplo 63 ..................................... 157

Figura 29 Distribucin electrnica en la tabla peridica ...................................... 161

Figura 30 Tabla peridica de los elementos ........................................................ 162

Figura 31 Categoras de elementos en la Tabla peridica .................................. 162

Figura 32 Caractersticas de un elemento en la tabla peridica. ......................... 163

Figura 33 preparacin de hidrgeno en el laboratorio [5] .................................... 164

Figura 34 Los elementos del grupo 16 ................................................................ 171

Figura 35 Caractersticas de la molcula de NH3 ................................................ 176

Figura 36. Molcula de Oxgeno ......................................................................... 183

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Qumica inorgnica

Figura 37. Ciclo biogeoqumico del oxgeno [28] ................................................. 184

Figura 38 Estanque eutrfico .............................................................................. 187

Figura 39 Niebla fotoqumica ............................................................................... 188

Figura 40 Molcula de Ozono ............................................................................. 189

Figura 41 Reaccin de formacin de ozono [29] ................................................. 190

Figura 42 Descomposicin del ozono por la luz utravioleta................................. 191

Figura 43 Agujero en la capa de ozono (rea azul) ............................................. 192

Figura 44. Ciclo del nitrgeno[28]. ....................................................................... 200

Figura 45 Estructura en capas del grafito [6] ....................................................... 209

Figura 46 estructura del diamante [6] .................................................................. 210

Figura 47 estructura de la molcula de C60 [6] .................................................... 211

Figura 48 Distribucin de los metales en la tabla peridica. [5] ........................... 213

Figura 49 Litosfera terrestre. ............................................................................... 214

Figura 50 Metales alcalinos del grupo 1 .............................................................. 216

Figura 51. Identificacin de metales por llama. [5] .............................................. 217

Figura 52. Estructura cristalina del NaCl ............................................................. 217

Figura 53 Metales alcalinotrreos ....................................................................... 220

Figura 54 Berilio puro .......................................................................................... 221

Figura 55. Metales nobles. .................................................................................. 223

Figura 56 Cadmio puro ........................................................................................ 226

Figura 57. Mercurio a temperatura ambiente ...................................................... 227

Figura 58. Elementos del grupo 8 ....................................................................... 229

Figura 59. Fundicin de hierro para producir acero ............................................. 229

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Qumica inorgnica

ASPECTOS DE PROPIEDAD INTELECTUAL Y VERSIONAMIENTO

El contenido didctico del curso acadmico QUMICA INORGANICA fue diseado por Jorge

Hernn Obando Chacn, Ing. MSc. y modificado por Maly Puerto Ing. Para citar este

material por favor hacerlo de la siguiente manera:

Universidad Nacional Abierta y a Distancia (2011). Qumica Inorgnica. Mdulo didctico.

Colombia: Universidad Nacional Abierta y a Distancia UNAD.

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Qumica inorgnica

INTRODUCCIN

El presente curso de qumica inorgnica pertenece al campo de la formacin disciplinar de

muchos profesionales ya que presenta los fundamentos y conceptos bsicos sobre la

descripcin, observacin y anlisis de los fenmenos que ocurren a la materia. Este

mdulo pretende continuar con la formacin de los profesionales en Saneamiento

Ambiental e Ingeniera Ambiental de la UNAD en cuanto a la adquisicin de nuevos

elementos que permitan conocer y aplicar las leyes que describen fenmenos en la

materia, para lograr su aplicacin a situaciones comunes que se presentarn en la

actividad profesional de los futuros profesionales del medio ambiente[1, 2].

Por miles de aos la humanidad ha tenido que tratar con la polucin que produce su

actividad cotidiana, desde el humo que generaba la coccin de los alimentos en una cueva

hasta los enormes rellenos sanitarios actuales. Los problemas de contaminacin cobraron

mayor importancia desde la revolucin industrial con la cual la cantidad de subproductos

o desechos industriales fueron vertidos al ambiente con poco o ningn control sobre los

efectos que pudieran producir sobre las plantas, los animales o el hombre mismo. Con el

crecimiento de la poblacin mundial y el desarrollo industrial, los problemas ambientales

se han multiplicado al grado de afectar la subsistencia misma del ser humano, haciendo

muchas veces inhabitables algunas zonas de la tierra.

En la segunda mitad del siglo XX la consciencia sobre la fragilidad de los ecosistemas y el

conocimiento de que los recursos naturales son un bien limitado, los cientficos y el

pblico en general comenzaron a enfocarse en los efectos de los desechos industriales en

los seres vivos, con esto dieron elementos a los gobiernos para legislar sobre el control de

la actividad industrial y su efecto en el medio ambiente.

El conocimiento de las propiedades de los contaminantes as como la remediacin de sus

efectos en el medio ambiente es uno de los logros de la tecnologa qumica actual.

Entendiendo que muy difcilmente se puede manejar o controlar lo que no se conoce, este

mdulo de formacin proporciona un marco conceptual con el cual el estudiante pueda

entender, analizar modelar y proponer soluciones a los problemas de contaminacin que

se presentan en la actualidad.

Con el fin de lograr estos objetivos, este mdulo presenta las generalidades de los

conceptos qumicos relevantes para el profesional del ambiente: en la unidad 1 se

presenta los conceptos de Termodinmica y Cintica Qumica, los cuales permiten el

modelamiento de los procesos qumicos en cuanto a la extensin y la posibilidad de que

11



Qumica inorgnica

ocurran (captulo 2) as como a la velocidad a la que lo hacen (captulo 1), tambin se

muestra los elementos bsicos sobre la condicin final de sistemas reaccionantes (captulo

3) que permite establecer la mxima extensin de un proceso qumico.

Sabiendo que el agua cubre ms dos terceras partes de la superficie de la tierra y siendo

ste un material imprescindible para la vida, muchos de los fenmenos de inters

ambiental se presentan en fase acuosa, por esto, la unidad II hace nfasis en el

modelamiento del equilibrio qumico en soluciones acuosas (captulo 2), la expresin de

las cantidades de sustancia en mezclas de diferentes tipos (captulo 1) para terminar con

la aplicacin de estos dos conceptos en los mtodos de anlisis qumico (captulo 3) que

permiten determinar la cantidad de una sustancia en una solucin o una muestra de

material[3].

Finalmente se presenta en la unidad III una descripcin de algunos de los elementos ms

comunes en la naturaleza, sus propiedades, su forma de produccin, sus caractersticas y

usos as como los aspectos relevantes de su naturaleza qumica para el medio

ambiente.[4-6]

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Qumica inorgnica

UNIDAD 1.

NOMBRE DE LA

UNIDAD CINTICA Y TERMODINMICA QUMICA

INTRODUCCIN

Se presenta como la Termodinmica y Cintica Qumica permiten el

modelamiento de los procesos qumicos en cuanto a la extensin y la

posibilidad de que ocurran as como a la velocidad a la que lo hacen,

tambin se muestra los elementos bsicos sobre la condicin final de

sistemas reaccionantes

Intencionalidades

Formativas

Establecer una lnea base de conocimiento sobre la cintica y

termodinmica qumica, con el fin de facilitar la comprensin de los

problemas ambientales y formulacin de soluciones a estos.

CAPTULO 1 CINTICA QUMICA

Leccin 1 Velocidad de reaccin

Leccin 2 Concentracin y velocidad de reaccin

Leccin 3 Variacin de la concentracin con el tiempo

Leccin 4 Efectos de la temperatura en la velocidad de reaccin

Leccin 5 Mecanismos de reaccin

CAPTULO 2. EQUILIBRIO QUMICO

Leccin 6 Concepto de equilibrio qumico

Leccin 7 Reacciones reversibles e irreversibles

Leccin 8 Equilibrio homogneo y heterogneo

Leccin 9 La constante de equilibrio aplicaciones

Leccin 10 Principio de le Chtelier

CAPTULO 3. TERMODINMICA QUMICA

Leccin 11 Espontaneidad

Leccin 12 La entropa

Leccin 13 La entropa a nivel molecular

Leccin 14 Energa Libre de Gibbs

Leccin 15 Energa libre de Gibbs, temperatura y constante de equilibrio

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Qumica inorgnica

UNIDAD I.

UNIDAD II. CINTICA Y TERMODINMICA QUMICA

Todo proceso en la naturaleza se da gracias a los efectos de los intercambios

energticos. El estudio de la energa es justamente el campo de accin de la

termodinmica, sin embargo, esta nos da solo el conocimiento sobre la posibilidad

de que ocurra un cambio, as mismo como de la cantidad de energa involucrada

en el proceso, sin embargo no proporciona informacin acerca de la velocidad a la

cual se dar el proceso. Este justamente es el campo de estudio de la cintica, la

cual se encarga del estudio de las velocidades a las que se dan los procesos y de

las maneras o las rutas que se siguen para lograr estos efectos.

CAPTULO 1. CINTICA QUMICA

conceptualizar y aprender acerca de las caractersticas de la velocidad de

reaccin.

Identificar las consecuencias que tienen algunas variables como la

concentracin, la temperatura, la presin y el volumen sobre la rapidez con

que se desarrollan las reacciones.

Determinar el efecto de la temperatura en la constante cintica de una

reaccin por medio de la ecuacin de Arrenius.

Leccin 1. Velocidad de reaccin

Cada molcula, por naturaleza tiene una identidad definida, si esta identidad

cambia, decimos que existe una reaccin qumica. Algunos de estos procesos

de cambio se dan ms velozmente que otros, la velocidad a la que ocurre un

cambio qumico o cintica qumica, da cuenta de la rapidez con la que ocurren

los proceso qumicos y energticos que sufren las molculas. El estudio de la

velocidad de a la que ocurre una reaccin involucra el comprender y evaluar las

causas que provocan estos cambios; as como los pasos que constituyen el

mecanismo que sigue la reaccin para llegar de unas sustancias precursoras

que conocemos como reactivos a unas finales, llamadas productos [5].

Factores que influyen la velocidad de reaccin.

14



Qumica inorgnica

Teora de las colisiones: La reacciones en los diferentes sistemas

reaccionantes estn dados por probabilidades de choques moleculares, stos

estn influenciados por la disposicin espacial que tienen cada una de las

unidades qumicas involucradas en el proceso. Entre ms cercana este una

molcula de otra, puede existir una probabilidad mayor de que pueda modificar

su naturaleza y de esta manera, reaccionar. El choque o colisin adems, debe

darse con energa suficiente para que sea efectivo y la reaccin se produzca.

Figura 1. Teora de las colisiones

Antes de establecer algn sistema que cualifique lo que es la velocidad de

reaccin empezaremos por definir algunos tpicos que tienen importante

relevancia sobre los sistemas reaccionantes.

Estado fsico de los reactivos.

Las reacciones pueden darse de manera ms rpida en sistemas lquidos o

gaseosos, donde hay un mayor movimiento de los reactivos y segn la teora de

las colisiones, una mayor probabilidad de colisiones que produzcan la reaccin.

Usualmente los sistemas de reaccin homogneos, de una sola fase lquida o

gaseosa, reaccionan ms rpido que los sistemas que involucran un slido,

pues en estos ltimos tambin debe tenerse en cuenta un factor limitante que

es la superficie activa de reaccin.

15



Qumica inorgnica

Concentracin de los reactivos.

Generalmente las reacciones pueden darse de una manera ms rpida,

siempre y cuando uno de los reactivos se encuentre en mayor cantidad ya que

esto aumenta la probabilidad de que las molculas de reactivo en exceso

encuentren una molcula del otro reactante. Este principio es fcilmente

identificable cuando tenemos un motor de combustin interna, al cual se le

suministra a travs de un turbo compresor una mayor cantidad de oxgeno para

que reacciones con el combustible, lo que genera un mayor desempeo y la

aseguracin de que se d una combustin completa (que la reaccin sea ms

rpida y se lleve a cabo completamente hacia la formacin de CO2, evitando

otros contaminantes asociados a problemas de salud humana como el CO y los

VOCs1)

Temperatura a la que se lleva a cabo la reaccin.

La temperatura es una de las variables ms importantes para que una reaccin

qumica ocurra, ya que se considera como una medida indirecta de la energa

de las molculas del sistema reaccionante, es as como entre ms energa, ms

probabilidad existe que estas puedan reaccionar, por ejemplo, todos los

procesos de deterioro de los alimentos se dan de manera ms lenta cuando se

someten a una temperatura baja en el refrigerados que cuando se tienen a

temperatura ambiente

Influencia de un catalizador.

Los catalizadores son agentes externos que incrementan la velocidad de

reaccin, sin cambiar su naturaleza qumica. Termodinmicamente son aquellas

sustancias que reducen la energa de activacin necesaria para que una

reaccin se lleve a cabo.

A nivel bioqumico tenemos un claro ejemplo en las enzimas, las cuales son

sistemas protenicos que cumplen la funcin de acelerar las reacciones

metablicas que se dan en las clulas, la enzima digestiva amilasa permite el

rompimiento de las grandes cadenas de almidn para convertirlas en glucosa

asimilable por las clulas. [5]

Definicin de velocidad de reaccin

Ahora podemos adentrarnos en lo que concierne a la velocidad de reaccin.

Inicialmente podemos asemejarla a la rapidez que lleva un vehculo, este,

recorre una distancia x en y segundos. De la misma manera podemos

1 Compuestos Orgnicos Voltiles o Volatil Organic Compounds.

16



Qumica inorgnica

acercarnos a la definicin de velocidad de reaccin, contemplando sus

unidades que deben ser una cantidad de materia (moles) en una unidad de

tiempo que podran ser Mol/s, mMol/s, Mol/min.

Ejemplo 1. Considere la Figura 2, Imaginmonos que existe una reaccin

A B cada esfera roja representa la sustancia A y cada esfera azul la sustancia B. Supongamos que cada recipiente tiene un litro de volumen.

Supongamos, tambin que al comenzar la reaccin hay 1.00 mol de A, as la

concentracin es de 1mol/L, que podra expresarse de igual manera como 1 M,

al cabo de 20 segundos la concentracin de A ha disminuido a 0.54 M, en tanto

que la de B ha aumentado a 0.46 M. la suma de las concentraciones sigue

siendo 1 M porque se produce un mol de B por cada mol de A que reacciona, al

cabo de 40 segundos la concentracin de A es de 0.30 M y la de B de 0.70 M.

Figura 2 representacin de la reaccin A B [5]

La velocidad de reaccin se expresa ya sea como la

velocidad de desaparicin de un reactivo o como la

velocidad de aparicin de un producto. La velocidad media

de aparicin de B en cierto intervalo de tiempo est dada por

el cambio de la concentracin de B dividido entre la cantidad

de tiempo que tarda este cambio.

A B

t (s) [B] (M)

0 0

20 0.46

40 0.7

17



Qumica inorgnica

Analizando el problema al transcurso de 20 segundos tenemos:

Ahora si miramos el segundo intervalo:

Podemos notar como a medida que se desarrolla la reaccin disminuye su

velocidad, esto es debido a que a que la cantidad de reactivos disponibles

disminuye y por eso la probabilidad de interacciones disminuye.

Ejemplo 2. Tenemos la siguiente reaccin:

( )

La cual es una reaccin con una estequiometria diferente a la elemental. Hallar

la velocidad media de desaparicin del cido clorhdrico partiendo de los

siguientes datos:

MOLES DE CLORURO DE CALCIO CaCl2 TIEMPO (S)

0 0

23 10

35 25

Para caso de practicidad primeros definiremos la velocidad de cloruro de calcio

como v porque tiene coeficiente estequiomtrico uno y adems porque se est

generando, de acuerdo a esto la velocidad para el cido clorhdrico se definir

como 2v de acuerdo a esto hallaremos la velocidad media para esta sustancia

entre el intervalo de 10 y 25 segundos.

( )

( )

Este valor es positivo debido a que es la velocidad de desaparicin de un

reactivo. Si fuese tan so lo la velocidad media, sera negativa (-1.6 mol HCl/s) y

el signo indicara que est desapareciendo.

18



Qumica inorgnica

Leccin 2. Concentracin y velocidad de reaccin.

Reaccin del amonio con el xido nitroso

Iniciaremos retomando un ejemplo de una reaccin convencional para mirar que

sucede con la velocidad de reaccin cuando existe una modificacin

significativa en los valores de la concentracin.

Tenemos una reaccin de amonio y xido nitroso para dar origen a nitrgeno y

agua, la reaccin tiene la particularidad de tener el mismo coeficiente

estequiomtrico para las tres primeras sustancias as que a continuacin

veremos la Tabla 1 que tiene diferentes valores de concentracin y lo que

provoca en cada velocidad de reaccin. [5]

Tabla 1 Efecto de la concentracin en la velocidad inicial de una reaccin

Podemos notar en los cuatro primeros experimentos como influye el

aumento de la concentracin del ion amonio en la velocidad de reaccin;

observndose una proporcionalidad directa entre la velocidad de la reaccin y la

concentracin. De la misma manera si se incrementa la concentracin de

xido nitroso se tiene una respuesta igual [7]

As que podramos expresar la velocidad de reaccin en funcin de las

concentraciones de la siguiente manera:

19



Qumica inorgnica

Reaccin del hidrgeno con oxgeno

La formacin de agua puede darse por la combinacin de hidrgeno y oxgeno

molecular

La reaccin es la siguiente:

La funcin de velocidad es:

[ ] [ ]

La anterior ecuacin se conoce como ecuacin de velocidad. En trminos

generales para una reaccin del tipo.

Podemos expresar la velocidad de reaccin como:

La k que aparece en la ecuacin recibe el nombre de constante de velocidad

y est fuertemente influenciada por la temperatura.

Exponentes de la ecuacin de velocidad. Por lo general los exponentes m y

n son nmeros enteros pequeos entre 0 y 2. La mayora de las ecuaciones de

velocidad las podramos expresar de la siguiente manera:

Los exponentes a los que estn elevados las concentraciones se conocen como

ordenes de reaccin. Si tomamos el ejemplo visto con anterioridad

(v=k[NH4+][NO2

-]) podemos observar como los reactivos tienen exponente 1, as

que la reaccin es de primer orden respecto al amonio y al xido nitroso; esto

es si y solo si tomamos a cada reactivo independientemente, pero si tenemos la

reaccin como un todo es necesario sumar cada uno de los rdenes, es decir,

(1+1), en conclusin tendramos una reaccin de orden dos a nivel general.

20



Qumica inorgnica

Los rdenes de reaccin m y n NO son iguales a los coeficientes

estequiomtricos, aunque pueden coincidir. Por lo general, es necesario recurrir

al anlisis de datos experimentales para determinarlos.

Unidades de la constante de velocidad.

Las unidades de las constantes de velocidad dependen del orden general de

reaccin en la ecuacin de velocidad. Por ejemplo, en una reaccin de segundo

orden general las unidades de la constante de velocidad deben suplir la

siguiente ecuacin[7].

( ) ( )

( )

( )

Ejemplos ley de

velocidad Orden Unidades de k

v=k Orden global: 0 M s-1

v=k[A]

v=kA]1/2[B]1/2 Orden global: 1 s-1

v=k[A][B]

v=k[A]2 Orden global: 2 M-1 s-1

v=k[A][B][C]

v=k[A]2[B]

v=k[A]3

Orden global: 3 M-2 s-1

Ejemplo 3. Se midi la velocidad inicial de la reaccin A + B C con diversas concentraciones de A y B

Tabla 2 efecto del orden de la reaccin en la velocidad inicial [5]

21



Qumica inorgnica

Con base en estos datos determine:

a) La ecuacin de la velocidad de reaccin.

b) La magnitud de la constante de velocidad.

c) La velocidad de reaccin cuando [A]= 0.05 M y [B]=0.100 M.

a) Al pasar del experimento 1 al experimento 2, la concentracin de A se

mantiene constante y la concentracin de B se duplica. Por lo tanto, este par

de experimentos muestra cmo influye la concentracin de B en la velocidad,

lo cual nos permite deducir de esta manera el orden de la ecuacin respecto

a la concentracin de B. La velocidad no cambia cuando se duplica [B], por lo

tanto la concentracin de B no influye en la velocidad de reaccin, es decir

adquiere un orden cero. En los experimentos 1 y 3 la concentracin de B se

mantiene constante; por consiguiente, los experimentos muestran cmo

influye la concentracin de A en la velocidad. Si la concentracin de la

especie B se mantiene constante y la concentracin de A se duplica la

velocidad se cuadriplica. Este resultado nos da la nocin de que la velocidad

es proporcional al cuadrado de la concentracin de la especie A, es as como

generamos la siguiente ecuacin de velocidad:

[ ] [ ] [ ]

De igual manera podemos demostrarlo realizando el siguiente procedimiento.

[ ] [ ] Para

[ ] [ ]

[ ] [ ]

Como en el experimento 1 la concentracin de [A] es igual que el experimento 2

[ ] [ ] . Por lo tanto

[ ] [ ]

[ ]

[ ]

22



Qumica inorgnica

De esta manera podemos darnos cuenta que el nico valor posible para n es

0, de manera anloga podemos comprobar de la misma manera que el valor

para m es 2.

b) Utilizando la ecuacin de velocidad y los datos del experimento 1 se tiene

que:

[ ]

( )

c) Utilizando la ecuacin obtenida en el inciso a y la constante de velocidad del

anterior numeral.

[ ] ( ( ) )

Leccin 3. Variacin de la concentracin con el tiempo

Ms all determinar la velocidad de reaccin y su dependencia con respecto a

la concentracin, el inters casi siempre recae en encontrar cal sera la

concentracin de un producto o reactivo de inters despus de cierto tiempo.

Para reacciones homogneas (en una sola fase) la relacin entre

concentracin y el tiempo depender del orden de reaccin.

Reacciones de orden cero global. Son aquellas reacciones en las cuales la

velocidad de reaccin es independiente de la concentracin de los reactivos.

A B.

[ ]

Al resolver la ecuacin diferencial:

[ ] [ ]

Por lo tanto la relacin entre [A] y t es lineal.

Reacciones de primer orden global. Son aquellas reacciones en las cuales la

velocidad de reaccin solo est determinada por la concentracin de un solo

reactivo elevado a la potencia 1 [5, 8].

A B.

23



Qumica inorgnica

[ ]

[ ]

A travs de clculo integral podemos expresar la anterior ecuacin como:

ln[ ]t[ ]

t

ln [A]t - ln [A]0 = -k t

ln [A]t = -k t + ln [A]0

Esta ltima expresin nos permite calcular la concentracin del reactante en

cualquier momento, en la forma en que se muestra, corresponde a una lnea

recta (Y = m X + b) con pendiente (m) igual a k e intercepto (b) igual a ln [A]0. La variable Y sera ln [A]t y X es igual al tiempo t.

Es importante mencionar que esta ecuacin se usa siempre y cuando se usen

las mismas unidades en las concentraciones. Podemos usar esta ecuacin para

ajustar datos obtenidos experimentalmente y encontrar los valores de inters.

Reacciones de segundo orden general. Una reaccin de segundo orden

general la podemos definir como aquella en donde la velocidad est relacionada

o depende de la concentracin de un reactivo elevado a la segunda potencia.

En el caso en que se considerara como de segundo orden la reaccin

A B

La expresin de la velocidad de reaccin sera:

eloc dad

t [ ]

Aplicando de nuevo el clculo integral obtenemos la siguiente expresin:

[ ] t

[ ]

La anterior ecuacin nos muestra la relacin entre los distintos valores de

inters como la constante, concentraciones y por supuesto el tiempo. Esta

24



Qumica inorgnica

relacin tiene la forma de una lnea recta (Y = m X + b) en este caso la

pendiente (m) es k y el intercepto (b) es 1/[A]0, la variable Y sera 1/[A]t y X es

igual al tiempo t. Podemos usar esta ecuacin para ajustar datos obtenidos

experimentalmente y encontrar los valores de inters.

Ejemplo 4. Se obtuvieron los siguientes datos de la descomposicin en

fase gaseosa del dixido de nitrgeno a una temperatura de 300C.

NO2 NO + O2

Tiempo (s) [NO2] (M)

0.0 0.01000

50.0 0.00787

100.0 0.00649

200.0 0.00481

300.0 0.00380

Tabla 3 variacin de la concentracin [NO2] con el tiempo [5]

Identificar de qu orden es la reaccin respecto a NO2?

En este caso probaremos si la reaccin es de orden uno o de orden dos,

ajustando los valores a las ecuaciones de velocidad vistas, para el orden uno

debemos graficas ln [NO2] vs t y para el orden dos debemos graficar 1/[NO2] vs

t. debemos empezar por organizar los datos con el fin de que tengamos los

valores necesarios

Tiempo (s) [NO2] (M) ln[NO2] 1/[NO2]

0.0 0.01000 -4.61 100

50.0 0.00787 -4.84 127

100.0 0.00649 -5.04 154

200.0 0.00481 -5.34 208

300.0 0.00380 -5.57 263

Tabla 4 clculos para el Ejemplo 4

25



Qumica inorgnica

Si graficamos los datos podemos evidenciar que la reaccin es de segundo

orden con respecto a la concentracin de dixido de nitrgeno ya que es la que

tiene la forma de una lnea recta.

Figura 3 Grfica de datos para el Ejemplo 4

Como la grfica que mejor se ajusta a una lnea recta es la de 1/[NO2] vs t, la

reaccin es de orden 2 con respecto a [NO2]. Es decir, velocidad= k[NO2]2.

Tiempo de vida media

El tiempo de vida media ha sido una variable que se ha implementado para

identificar de una manera indirecta la rapidez de la reaccin, suele aplicarse a

sistemas que tengan orden 1. Este procedimiento es el que utilizan los

paleontlogos para encontrar a travs de restos de carbono catorce la edad de

fsiles [7]. Podemos describirlo de la siguiente manera:

Para una reaccin de primer orden:

ln[ ]t[ ]

t

El tiempo de vida media t1/2 es cuando [ ]t

[ ]

ln

[ ]

[ ]

ln

n

26



Qumica inorgnica

Leccin 4. Efectos de la temperatura en la velocidad de reaccin

Indudablemente la temperatura es una de las variables ms importantes en las

reacciones qumicas, podemos notar con ejemplos cotidianos como el de

comparar un pan que est en el refrigerador y otro a temperatura ambiente, es

fcil deducir que su llevaran ms rpido a cabo las reacciones de degradacin

en el sitio donde se tenga una temperatura ms alta. El efecto de la temperatura

en la velocidad con que ocurren las reacciones puede explicarse por la teora

cintica as:

Modelo de colisiones

Recordando lo estudiado en la leccin 1, este modelo se basa en teoras

moleculares, en l se supone que para que dos sustancias de naturaleza

diferente reaccionen, antes deben chocar, basados en lo anterior todo se

reduce a que existe ms probabilidad de causar choques efectivos cuando las

molculas tengan un grado de excitacin mayor, es decir, que posean ms

energa en forma de velocidad. No todas las colisiones que se dan entre las

molculas conducen a reacciones efectivas, existen varios factores que

determinan la efectividad de estos choques [5, 9]:

Factores de orientacin: En casi todos los casos es necesario que las

molculas estn orientadas de cierta forma durante las colisiones para que

ocurra una reaccin. Las orientaciones relativas de las molculas durante las

colisiones determinan si los tomos, tienen posiciones idneas para formar

nuevos enlaces, las molculas deben encontrarse en posiciones adecuadas

para que se produzca su transformacin.

Energa de activacin. Basados en la teora de colisiones se dedujo que

gracias a los choques de las molculas los enlaces qumicos pueden alargarse,

doblarse, y romperse, lo que origina reacciones qumicas. Gracias a la

apreciacin del profesor Svante Arrhenius se lleg a la conclusin de que las

molculas deban tener una mnima cantidad de energa para poder producir

estos efectos en los enlaces qumicos y por lo tanto reaccionar. La energa

mnima que se necesita para iniciar una reaccin qumica se conoce con el

27



Qumica inorgnica

nombre de energa de activacin Ea y cambia segn la naturaleza de cada

reaccin.

Ecuacin de Arrhenius [7, 10].

En sus observaciones Arrhenius not que en casi todas las reacciones el

aumento de la velocidad con la temperatura no era de carcter lineal. Descubri

adems que en la mayor parte los datos de la reaccin obedecan a una

ecuacin que se basaba en tres factores.

1) La fraccin de molculas con energa igual o mayor a Ea.

2) El nmero de colisiones que ocurren por segundo.

3) la fraccin de colisiones con la orientacin apropiada

Es as como se origina la siguiente expresin:

Donde:

K: constante de velocidad.

Ea: energa de activacin.

R: constante de los gases (8,314 J/mol K)

T: temperatura en unidades absolutas.

A: factor de frecuencia.

Determinacin de la energa de activacin Ea.

Aplicando funcin logaritmo natural a los dos lados tenemos:

( )

Esta ecuacin tiene forma de lnea recta, predice que una grfica de Ln k en

funcin de 1/T ser una recta con pendiente igual a Ea/R e interseccin con el

eje e igual a Ln A. por tanto, la energa de activacin se determina midiendo k a

una serie de temperaturas, graficando Ln k en funcin de 1/T y calculando Ea a

partir de la pendiente.

Tambin se puede evaluar Ea por un mtodo no grafico, a travs del

conocimiento de la constante de velocidad de la reaccin a dos o ms

temperaturas. Por ejemplo supongamos que tenemos temperaturas diferentes

28



Qumica inorgnica

T1 y T2, as que tendremos k1 y k2 y la resolucin simultanea de la siguiente

ecuacin:

Ejemplo 5. Se determinaron las constantes cinticas a diferentes

temperaturas para una reaccin, los datos se encuentran registrados en la

Temperatura (C) k(s-1)

189.7 2.52x10-5

198.9 5.25 x10-5

230.3 6.30 x10-4

251.2 3.16 x10-3

Tabla 5 valores de la constante cintica a diferentes temperaturas para una

reaccin

Determine el valor de la energa de activacin para esta reaccin.

Para ajustar los datos debe calcularse los valores de 1/T y ln (k)

T (K) 1/T (K-1) ln(k)

462.9 0.00216 - 10.589

472.1 0.00212 - 9.855

503.5 0.00199 - 7.370

524.4 0.00191 - 5.757

Tabla 6 clculos para el ajuste de la constante cintica del Ejemplo 5

Al graficar estos valores se tiene:

29



Qumica inorgnica

Figura 4 Ajuste de los datos de constantes cinticas, Ejemplo 5

Como puede verse los datos se ajustan exactamente a una lnea recta de la

cual puede extraerse el valor de la pendiente y por lo tanto el de la energa de

activacin del proceso:

Leccin 5. Mecanismos de reaccin.

La mayora de las reacciones generalmente presentan solo informacin de la

formacin de productos a partir de reactivos, pero nunca tiene informacin de

cmo ocurre a nivel molecular el proceso de transformacin. Los mecanismos

de reaccin describen el camino, o secuencia de pasos, por los cuales una

reaccin ocurre.

Las molculas tienden a chocar y existe una transformacin que se genera

usualmente por el choque bimolecular con una suficiente energa y con la

orientacin correcta. Esto permite que se d la posibilidad de un cambio de

naturaleza[7]. Este choque bimolecular elemental es un ejemplo de un paso

elemental.

y = -19050x + 30.529 R = 0.9995

-11

-10

-9

-8

-7

-6

-5

0.00190 0.00200 0.00210 0.00220

ln(k

)

1/T

30



Qumica inorgnica

Pasos mltiples. El cambio neto representado por una ecuacin qumica

balanceada suele ocurrir por un mecanismo de pasos mltiples que consiste en

una serie de pasos elementales.

Para tener una idea tomaremos en consideracin el siguiente ejemplo.

Por debajo de 225 grados centgrados, esta reaccin parece ocurrir en dos

pasos elementales, cada uno de ellos bimolecular. Primero, colisionan dos

molculas de NO2 y se transfieren un tomo de oxigeno de una a otra. Mientras

el NO3 resultante choca entonces con una molcula de CO y le transfiere un

tomo de oxgeno.

Miremos como se dan los pasos elementales:

Que al final nos da la forma como generalmente lo conocemos:

La molecularidad depende de la cantidad de molculas involucradas en un

paso elemental. En una reaccin que describe un paso elemental, los rdenes

de reaccin de la ecuacin de velocidad SI estn determinados por la

estequiometra. La

Tabla 7 describe las molecularidades principales, los pasos elementales

asociados y la ecuacin de velocidad que le correspondera.

31



Qumica inorgnica

Tabla 7 Molecularidad y ecuaciones de velocidad para diferentes pasos

elementales de reaccin.

A continuacin se muestran otros ejemplos que muestran los mecanismos por

los que procede una reaccin:

Ejemplo 6. El deterioro permanente de la capa de ozono est dada por la

reaccin de la molcula de 03 con radicales libre de electrfilos como el flor y

el cloro. Y se da a travs del siguiente mecanismo de reaccin:

1) Describa la molecularidad de cada paso de este mecanismo.

2) Escriba la ecuacin de la reaccin global.

3) Identifique el o los intermedios.

4) La ecuacin de velocidad de reaccin si el paso limitante es el segundo

SOLUCION.

1) En el primer paso elemental intervine un solo reactivo y es, en

consecuencia, unimolecular. El segundo paso, en el que participan dos

molculas reaccionantes es bimolecular.

2) La suma de los pasos elementales es:

Dado que el oxgeno monomolecular aparece en ambos lados de la

ecuacin, el proceso qumico neto ser:

Reaccin 1:

Reaccin 2:

32



Qumica inorgnica

3) El intermediario es el oxgeno monomolecular. No es ni un reactivo ni un

producto, pero se forma en el primer paso y se consume en el segundo.

4) El paso limitante de velocidad (porque tiene la mejor energa de activacin)

es el segundo, por lo tanto la ecuacin de la velocidad de reaccin estar

determinada este:

v = v2 = k2[O3][O]

Nota: Como veremos ms adelante, la constante de equilibrio:

K1 = [O2][O]/ [O3] por lo tanto [O] = K1[O3] /[O2]

En este sentido, v = v2 = k[O3]2/[O2]

Donde k= k2* K1 k2 es la constante de velocidad de la reaccin 2

K1 es la constante de equilibrio de la reaccin 1

EJERCICIOS CAPTULO 1

1. (a) Qu significa el trmino velocidad de reaccin? (b) Cite tres factores que influyen en la velocidad de una reaccin qumica. (c) Qu informacin se necesita para relacionar la velocidad de desaparicin de los reactivos con la velocidad de aparicin de los productos?

2. Considere la reaccin acuosa hipottica siguiente: A(ac) B(ac). Se carga

un matraz con 0.065 mol de A en un volumen total de 100 mL. Se recopilan

los siguientes datos:

Tiempo (min) Moles A

0 0.065

10 0.048

20 0.036

30 0.026

40 0.020

(a) Calcule el nmero de moles de B en cada tiempo de la tabla,

suponiendo que no hay molculas de B en el tiempo cero.

(b) Calcule la velocidad media de desaparicin de A cada intervalo de 10

min, en unidades de M/s.

33



Qumica inorgnica

(c) entre t _ 10 min y t _ 30 min, cul es la velocidad media de aparicin de

B en unidades de M/s? Suponga que el volumen de la disolucin es

constante.

3. Se estudi la isomerizacin de metil isonitrilo (CH3NC) a acetonitrilo

(CH2CN) en fase gaseosa a 215C, y se obtuvieron los datos siguientes:

Calcule la velocidad media de reaccin, M/s, en el intervalo de tiempo entre

cada medicin

4. Una reaccin A + B C obedece la siguiente ecuacin de velocidad:

velocidad = k [A]2[B].

(a) Si se duplica [A], cmo cambia la velocidad? Cambia la constante de

velocidad? Explique su respuesta.

(b) Cules son los rdenes de reaccin de Ay B? Cul es el orden de

reaccin global?

(c) Cules son las unidades de la constante de velocidad?

5. Considere la reaccin siguiente:

CH3Br(ac) + OH_(ac) CH3OH(ac) + Br_(ac)

La ecuacin de velocidad de esta reaccin es de primer orden respecto a

CH3Br y de primer orden respecto a OH. Cuando [CH3Br] es 5.0 = 10-3 M, y

[OH_], 0.050 M, la velocidad de reaccin a 298 K es de 0.0432 M/s.

(a) Cul es el valor de la constante de velocidad?

(b) Cules son las unidades de la constante de velocidad?

(c) Qu le ocurrira a la velocidad si se triplicara la concentracin de OH?

6. Responda las siguientes preguntas

34



Qumica inorgnica

(a) Defina los siguientes smbolos que se presentan en las ecuaciones de

velocidad: [A]0, t1/2, [A]t, k

(b) Qu cantidad, graficada contra el tiempo, da una lnea recta en el caso

de una reaccin de primer orden?

7. Se midi la velocidad de la reaccin

CH3COOC2H5(ac) + OH_(ac) CH3COO_(ac) + C2H5OH(ac)

a varias temperaturas, y se obtuvieron los datos siguientes:

Con base en estos datos, grafique ln k en funcin de 1/T. Determine el valor

de Ea por medio de la grfica.

8. Responda las siguientes preguntas

(a) Qu significa el trmino paso elemental?

(b) Cul es la diferencia entre un paso elemental unimolecular y uno

bimolecular?

(c) Qu es un mecanismo de reaccin?

9. Cul es la molecularidad de los procesos elementales siguientes? Escriba

la ecuacin de velocidad de cada uno.

(a) Cl2(g) 2Cl(g)

(b) OCl(g) + H2O(g) HOCl(g) + OH-(g)

(c) NO(g) + Cl2(g) NOCl2(g)

35



Qumica inorgnica

CAPTULO 2. EQUILIBRIO QUMICO

En este captulo pretendemos que el estudiante interiorice los conceptos acerca

del equilibrio qumico de reacciones y sepa analizar las de acuerdo a los

elementos adquiridos.

Leccin 6. Concepto de equilibrio qumico.

Espontneamente, los sistemas naturales tienen la tendencia a adquirir el

menor nivel energtico posible, es as como una roca en la cima de una colina

tiende a rodar cuesta abajo para adquirir un estado de menor energa potencial,

dos cargas elctricas de igual signo tienden a estar lo ms separadas posibles y

un metal qumicamente activo naturalmente tiende a oxidarse produciendo

especies menos activas, este punto de mnima energa se conoce como

equ l br o y hab ndolo def n do desde el punto de sta energt co, podramos

nombrarlo equ l br o termod nm co.

El equilibrio termodinmico de un sistema con sus alrededores se da cuando se

encuentra en equilibrio mecnico, trmico y qumico con el medio que lo rodea,

en otras palabras cuando no hay tendencia a moverse, a transferir energa o

materia con los alrededores y cuando no hay tendencia a reaccionar.

Considere la disolucin del cido actico en agua:

CH3COOH + H2O CH3COO- + H3O

+

En la representacin de este proceso se incluye una flecha doble apuntando a

izquierda y derecha, esto indica que el proceso puede darse en ambos

sentidos. En solucin acuosa efectivamente el cido actico se ioniza

produciendo iones hidronio y acetato, a medida que estos iones aparecen en la

solucin se recombinan para producir nuevo cido actico y ms agua, estos

procesos ocurren hasta que la velocidad con la cual el cido se ioniza iguala a

la velocidad de recombinacin de los iones, si el proceso se lleva a cabo a

temperatura y presin constantes la concentracin de todas las especies

permanece invariante por lo que se d ce que se ha alcanzado el equ l br o.

Una solucin de cido actico a presin y temperatura constantes tiene

propiedades invariantes y aunque aparentemente el sistema est en reposo

36



Qumica inorgnica

esto es slo una ilusin ya que a nivel molecular se dan los procesos descritos

anter ormente, en este caso se establece un equ l br o d nm co.

Otra forma de ver el equilibrio es la de considerar la tendencia natural de los

sistemas a disminuir la diferencia de alguna propiedad entre dos puntos del

espacio, por ejemplo, las molculas de azcar un cristal dentro de un vaso con

agua tendern a moverse hacia donde la concentracin es menor con el fin de

disminuir la diferencia de esta propiedad entre la superficie del cristal y el seno

de la solucin. El proceso de disolucin suceder hasta que se haya consumido

todo el azcar slido y la concentracin en la solucin sea uniforme o hasta que

el agua se sature (si hay suficiente slido), en este momento, aunque haya

presente azcar slido, la concentracin de azcar en la solucin no cambia y

es igual para cada uno de los puntos de la fase lquida.

Caso similar se da con un cuerpo caliente en un ambiente ms fro, en ausencia

de otros efectos diferentes a la diferencia de temperatura, la energa se

transferir desde el cuerpo con mayor temperatura hacia el medio con menor

temperatura hasta que la diferencia de esta propiedad entre el cuerpo y todos

los puntos del medio sea cero.

Una de las caractersticas interesantes del punto de equilibrio es que es

independiente de la trayectoria del proceso, es decir, las propiedades de un

sistema en equilibrio no dependen de los procesos que se dieron para llegar a

l. Como se muestra en la Figura 5 independientemente de si la bola cae desde

el punto A o el punto B, sin otros efectos adems de la fuerza de gravedad, la

ubicacin final de la bola ser C. Aunque la cada ocurra a una velocidad

diferente dependiendo del camino, si las bolas parten desde una altura igual, la

disminucin de la energa potencial ser igual.

Figura 5 Tendencia al equilibrio de una bola que cae por una cuesta

Si a una solucin de cido actico adicionamos una pequea cantidad de

NaOH, se dar la reaccin de neutralizacin:

B A

C

37



Qumica inorgnica

CH3COOH + NaOH CH3COO- + H2O + Na

+

Al final, la solucin contendr iones acetato y sodio, adems de una cantidad de

cido sin reaccionar.

Si por el contrario disolvemos una cantidad adecuada de acetato de sodio en

suficiente solucin cida podremos tener una disolucin con las mismas

concentraciones de todas las especies que en el caso anterior (cido actico,

iones acetato y sodio)

CH3COONa CH3COO- + Na+

CH3COO- + H3O

+ CH3COOH + H2O

Tenemos conocimiento de que las reacciones qumicas se dan en todas los

estados de la materia as se pueden tener reacciones

a) Gas-gas.

b) Gas-liquido.

c) Gas slido.

d) Liquido-liquido.

e) Liquido-solido.

f) Solido-solido.

Adicional a las nombradas para las sustancias puras, tenemos tambin que

nombrar las reacciones que estn en medio acuoso, puesto que a nivel

industrial son muy usadas y tienen muchsima importancia, en estas, los

reactivos se encuentran disueltos en agua, por lo que la reaccin se verifica en

fase lquida, una gran cantidad de reacciones de importancia ambiental se dan

de esta manera, ya que el agua est presente en la gran mayora de los

procesos naturales.

Relacin entre la constante de equilibrio y las constantes de velocidad

para reacciones de un paso elemental

Suponga la siguiente reaccin qumica en fase gaseosa, y ocurre:

Reaccin directa: A B Velocidad = kd[A]

2

38



Qumica inorgnica

Reaccin directa: B Velocidad = ki[A]

En la anterior situacin tenemos dos constantes de velocidad, que son la

constante de reaccin directa y constante de reaccin inversa. En este caso

particular por tratarse de gases y en condiciones adecuadas, podemos hacer

uso de la ecuacin de estado de gas ideal para representar la concentracin

molar de las sustancias en cuestin.

Ahora expresado en forma de presiones parciales tenemos:

[ ] [ ]

De la misma manera podemos expresar las velocidades de reaccin tanto para

el proceso directo como el inverso

( )

( )

Siendo kd la constante de velocidad de la reaccin hacia la directa AB y

Ki la constante de velocidad de la reaccin hacia la inversa B y

La reaccin comienza con la transformacin de la especie A en la especie B, a

medida que esto transcurre la presin parcial de la especia A decrece, sin

embargo la reaccin llega a un punto en el cual se la especie B empieza a

transformarse en A, hasta que se igualan las velocidades de la reaccin directa

como inversa, cuando esto ocurre se ha alcanzado el equilibrio qumico.

Igualando las expresiones para las velocidades de reaccin se tiene que:

( ) (

)

39



Qumica inorgnica

Keq es la constante de equilibrio de la reaccin. Por definicin,

por lo tanto

Esto demuestra que hay una relacin entre las constantes de velocidad directa e

inversa y la constante de equilibrio en una reaccin.

La relacin tambin es vlida para reacciones homogneas en fase acuosa.

Ejemplo 7. Es posible obtener metanol por la reaccin de monxido de

carbono con hidrgeno en fase gaseosa de acuerdo a la reaccin:

CO(g) + 2 H2 (g) CH3OH(g)

Se permite que 1 mol de cada uno de los reactivos reaccione en un tanque de

10 litros y se miden la composicin final de la mezcla obteniendose los

siquientes resultados:

CO = 0.911 moles H2 = 0.822 moles CH3OH = 0.0892 moles

Cul es el valor de la constante de equilibrio para la reaccin?

El volumen del recipiente es 10 litros por lo que las concentraciones son:

[CO] = 0.911moles/10 L = 0.0911 M [H2] = 0.822 moles/10 L = 0.0822 M

[CH3OH] = 0.0892 moles/10 L = 0.00892 M

El valor de la constante de equilibrio es:

[ ]

[ ][ ]

Leccin 7. Reacciones reversibles e irreversibles

Hasta este momento, hemos considerado que las reacciones qumicas

ocurren partiendo de reactantes y terminando en los productos. Por ejemplo:

)()( ltoenfriamien

g ONNO 4222

40



Qumica inorgnica

Las reacciones que ocurren slo hacia la derecha reciben el nombre de

reacciones irreversibles. Un ejemplo de lo anterior es la oxidacin de un

clavo, la cual representamos con la siguiente ecuacin qumica:

FeOOFe 22 2

Sin embargo, la mayora de las reacciones qumicas son reacciones

reversibles; es decir, una vez formados los productos, stos reaccionan entre

s y forman nuevamente a los reactantes. Por ejemplo, el dixido de

nitrgeno es un gas caf rojizo, que al enfriarse se transforma en tetra xido

de di nitrgeno, el cual es un lquido amarillo. Este ltimo, al calentarse se

transforma nuevamente en dixido de nitrgeno.

La reversibilidad de una reaccin, se representa mediante dos flechas

encontradas, las cuales nos indican que las dos reacciones se estn

llevando a cabo simultneamente. A la reaccin que va de reactantes a

productos se le conoce como reaccin directa, mientras que a la que va de

productos a reactantes, se le denomina reaccin inversa.

Un ejemplo cotidiano de reacciones reversibles, lo observamos en las

pilas recargables, las cuales una vez agotadas pueden recuperar su carga

nuevamente haciendo pasar una corriente elctrica a travs de ellas. En este

tipo de pilas, los productos que se forman reaccionan entre s al hacerles

pasar una corriente elctrica, formando de nuevo los reactantes encargados

de producir la energa elctrica.

Ley de accin de masas.

La ley de accin de masas establece que la constante de equilibrio, es

directamente proporcional al producto (multiplicacin) de las moles por

litro (concentracin molar) de cada uno de los reactantes, elevadas a una

potencia igual a su coeficiente estequiomtrico divididos por la concentracin

molar de los reactivos elevados a su coeficiente estequiomtrico.

La forma general de representar a una reaccin qumica es la siguiente:

dDcCbBaA

Calentamiento

)(42)(2 l

toEnfriamien

g ONNO

41



Qumica inorgnica

En la expresin anterior, las letras minsculas representan los

coeficientes estequiomtricos (nmero de moles) de cada una de las sustancias

que participan en la reaccin mientras que, las letras maysculas representan

las frmulas de los reactantes (A, B) y productos (C, D).

El parntesis rectangular [ ] se utiliza en qumica para indicar que la

concentracin de la sustancia est dada en moles por litro; es decir, que su

concentracin es molar.

Con base en lo anterior podemos entonces establecer la expresin matemtica

para la ley de accin de masas en una reaccin qumica:

[ ] [ ]

[ ] [ ]

La constante de equilibrio es nica para cada reaccin y solo vara con la

temperatura.

Leccin 8. Equilibrio homogneo y heterogneo

Empecemos por mencionar que el equilibrio qumico de clase homogneo, est

dado por un sistema en donde las especies se encuentran en el mismo estado

de agregacin, miremos por ejemplo la siguiente ilustracin

Como lo habamos dicho conservan el mismo estado de agregacin, a

continuacin definiremos tanto la constante de equilibrio K en funcin de las

concentraciones como en funcin de las presiones parciales.

[ ]

[ ]

Para casos generales podemos tomar la siguiente reaccin:

42



Qumica inorgnica

Podemos tener un factor de conversin para trasformar la K en funcin de la

concentracin a la k en funcin de las presiones parciales.

( )

Siendo , la diferencia entre las moles del producto y reactivos. Este factor de conversin se deriva de la Ley de los gases ideales: PV=nRT

Ejemplo 8. Las concentraciones en equilibrio para la reaccin de

monxido de carbono y cloro para formar COCl2 (g) a 74 C son:

[CO] = 0.012M, [Cl2] = 2.33M y [COCl2] = 0.14M

Calcular las constantes Kc y Kp.

La reaccin que debe darse es

CO + Cl2 COCl2

Para esta reacc n el alor de n es -1 ya que hay una mol de producto y dos

moles de reactivo en la mezcla.

El valor de Kc es = (0.14)/(0.012 x 2.33) = 5

El valor de Kp = Kc (R T) n = 1.7 x 10-3

Equilibrio heterogneo.

El equilibrio heterogneo nos indica que en la reaccin hay distintas fases por lo

que debe hacerse un tratamiento un poco diferente ya que las especies puras

que estn en estado lquido y solido no se incluyen dentro de la expresin de la

constante de equilibrio, y cuando un disolvente participa en el equilibrio, su

concentracin tambin se excluye de la expresin de la constante. Las

presiones parciales de los gases y las concentraciones molares de una

disolucin si se incluyen en la constante de equilibrio porque estas pueden

variar.

Ejemplo 9. Tenemos la siguiente reaccin heterognea.

43



Qumica inorgnica

CaCO3 (s) CaO(s) + CO2(g)

De acuerdo a lo visto anteriormente podemos expresar la constante de

equilibrio como:

Keq=PCO2

Podemos mirar que solo influye la concentracin de la especie que se

encuentra en estado de agregacin gaseosa.

Ejemplo 10. De acuerdo a la siguiente reaccin determine la expresin la

correspondiente constante de equilibrio

[ ][

]

[ ]

Ejemplo 11. De las siguientes reacciones qumicas hallar sus respectivas

constantes de equilibrio.

a) Miremos que son especies que se encuentran en estado gaseoso as que

expresaremos su concentracin en forma de presiones parciales.

b) En el numeral pasa lo mismo que el numeral anterior as que la constante

c) Para el siguiente tenemos que identificar que las especies se encuentran

en medio acuoso as que lo ms apropiado es usar las concentraciones

molares para poder definir su constante de equilibrio.

44



Qumica inorgnica

[ ( ) ]

[ ][ ]

Leccin 9. La constante de equilibrio aplicaciones

Es importante mencionar para iniciar esta leccin que en la naturaleza rara vez

encontramos procesos que solo tengan un sentido de direccin cuando

reaccionan, y por su parte los procesos de mucho valor industrial tienden a

estar en equilibrio por lo que se hace necesario que se estudien distintos

mtodos con los cuales se puedan describir y predecir las composiciones de

nuestros productos de inters.

Por ejemplo el nitrgeno amoniacal es esencial para el crecimiento de muchos

de los cultivos que nos alimentan, lamentablemente en los suelos no siempre

est disponible todo el nitrgeno que necesitan grandes plantaciones que nos

surten a diario de alimentos, por eso se hace necesario que se implementen

cantidad de procesos con los cuales se sintetice sustancias nitrogenadas que

suplan los requerimientos de nitrgeno amoniacal que solicita la tierra. Para eso

debe sintetizarse amoniaco a partir de nitrgeno e hidrogeno molecular, como

ya lo hemos visto en lecciones anteriores. Esta reaccin es reversible, as que

es de vital utilidad conocer las condiciones para las cuales se puede tener el

mximo rendimiento de esta reaccin.

Ejemplo 12. A 500 K el PCl5 se descompone en un 14 % cuando se

alcanza el equilibrio segn la ecuacin

Si en un recipiente de 2 L se ponen 2 moles de PCl5 y se calienta hasta 500 K

encuentre el valor de Kc a esa temperatura

Si llamamos al grado de descomposicin significa que = 0.14 ya que por

cada mol de reactivo se descompone el 14 %.

45



Qumica inorgnica

Podemos hacer la contabilidad de los materiales involucrados en el equilibrio

teniendo en cuenta las moles iniciales cargadas, la cantidad de materia que

reacciona para saber las moles que quedan en el recipiente.

PCl5 PCl3 Cl2

Inicio 2

Cambio -0.14(2) 0.14(2) 0.14(2)

final 2 - 0.14(2) = 1.76 0.14(2) = 0.28 0.14(2) = 0.28

Molaridad 1.76 / 2 = 0.88 0.28 / 2 = 0.14 0.28 / 2 = 0.14

Debe recordarse que la constante de equilibrio est en trmino de las

concentraciones molares de las sustancias.

[ ][ ]

[ ]

Kc = 0.142/0.88 = 2.23 x 10-2 M

Se puede hallar la relacin entre la constante expresada en concentraciones y

la constante expresada en presiones parciales mediante ( ) . En este caso n = 1. Utilizando una temperatura de 50K y utilizando R= 8.314

kPa K-1 M-1 KP= 92.6 kPa

Ejemplo 13. A 134C, Kp= 66 atm para:

N2O

4(g) 2NO

2(g).

Se ponen n moles de N2O

4 en un reactor y se alcanza el equilibrio a 134C y 1

atm de presin. Hallar el grado de disociacin del N2O

4

Recordemos que el grado de disociacin se define como:

Si las moles iniciales de N2O

4 son n;

N2O

4 NO

2

Inicio N

Cambio -n 2 n

equilibrio n (1- ) 2 n

totales n (1- ) + 2 n = n(1+ )

46



Qumica inorgnica

Las presiones parciales sern:

( )

( )

Tambin tenemos que

( )

( )

Si reemplazamos esta ltima relacin en las expresiones de presiones parciales

en el equilibrio:

( ) ( )

( )

( )

( ) ( )

( )

( )

La constante de equilibrio expresada en presiones ser:

Por lo tanto kp ser:

( )

( )

Esta ecuacin puede resolverse por la frmula de la ecuacin cuadrtica para

dar

.97

47



Qumica inorgnica

Ejemplo 14. A unos 500 C el carbonato de amonio se descompone

trmicamente segn la reaccin de equilibrio

( ) ( ) ( ) ( ) ( )

Hallar KP, a esa temperatura, si la presin total en el equilibrio es de 2.8 atm.

Se trata de un equilibrio heterogneo, por tanto la expresin de Kp slo

depender de las presiones parciales de las sustancias gaseosas

Segn la ecuacin del de la reaccin qumica por cada 1 mol de CO2(g) que se

produzca, se obtendr 1 mol de vapor de agua y 2 moles de amoniaco.

Si p es la presin parcial del CO2

en el equilibrio, la presin parcial del vapor

de agua tamb n ser p y la pres n parc al del amon aco ser p,

sustituyendo:

KP = p.p.(2p)2=4p4

La presin total de una mezcla de gases es la suma de las presiones parciales

PT = p + p + 2 p = 4 p = 2.8 atm por lo que p = 0.7 atm

Por lo tanto, Kp = 0,96 atm4

Leccin 10. Principio de le Chtelier.

El equilibrio qumico, al ser un estado dinmico, se ve alterado por cualquier

tensin que se aplique al sistema, ya sea una variacin en la temperatura, en la

presin (en el caso de los gases) o en la cantidad de uno de los componentes.

Estos cambios pueden describirse por el Principio de Le Chatelier en el que

se establece que el equ l br o se desplaza en la d recc n en la que se

d sm nuya el efecto que causa la tens n.

48



Qumica inorgnica

Considere la reaccin en fase gaseosa

A2B 2 A + B

Si a este sistema se le aumenta la presin por disminucin del volumen total, el

sistema reacciona de tal manera que el nmero total de molculas libres sea

menor, es decir, consumiendo 2 molculas de A y una de B (3 molculas) para

producir una sola molcula de A2B.

Para el caso del equilibrio cido actico - acetato descrito anteriormente, si

adicionamos una cantidad de cido actico a la solucin el sistema se

desplazar a consumir esta especie por lo que se producir ms in acetato

hasta que se alcance un nuevo estado de equilibrio. Este efecto de

desplazam ento del equ l br o deb do a la mater a se conoce como ley de

accin de la masa

El qumico francs Henry Louis le Chtelier observo lo que pasaba con el

equilibrio qumico cuando un factor externo cambiaba una de los parmetros as

que se defini el siguiente principio.

si un sistema en equilibrio es perturbado por un cambio de temperatura,

presin o concentracin de uno de los componentes, el sistema se

desplazara su posicin de equilibrio de modo que se contrarreste el efecto

de la perturbacin.

Sin embargo en esta leccin aplicaremos esta teora a procesos qumicos y de

esta manera determinar cualitativamente que pasa con el equilibrio cuando se

quita o se adiciona productos, se cambia la temperatura o se modifica la presin

del sistema.

Empecemos por tomar una reaccin sencilla para que evaluemos el primer

criterio relacionado con el cambio en las concentraciones

N2 (g) + 3H2 (g) NH3 (g)

Para cualquier aumento en la cantidad de hidrgeno o nitrgeno el equilibrio

tendera a desplazarse a la produccin de amoniaco. Por su parte cualquier

introduccin de amoniaco al sistema; desplazar el equilibrio hacia la formacin

de este se nitrgeno e hidrgeno.

49



Qumica inorgnica

En la Figura 6 se muestra grficamente lo que sucede al momento de adicionar

hidrgeno en una mezcla de nitrgeno, amoniaco e hidrgeno en equilibrio.

Figura 6 Efecto en el equilibrio del amonaco al adicionar hidrgeno

Como se observa en la Figura 6 al aumentar instantneamente la presin

parcial de hidrgeno, la presin parcial de amonaco aumenta, se produce ms

de esta especie, a costa del nitrgeno presente, es por esto que ste ltimo

disminuye su presin parcial, el sistema responde a la perturbacin del aumento

de la cantidad de hidrgeno, consumindolo y produciendo ms amonaco.

En lo referente con cambios de volumen y presin se puede hacer el

siguiente anlisis:

Si aumentamos la presin total en un sistema en equilibrio, este responder,

tendiendo a disminuir la presin del sistema a travs de la disminucin de la

cantidad de molculas presentes en la fase gaseosa. Miremos la siguiente

reaccin para visualizar mejor lo que hablamos.

N2O4 (g) 2NO2 (g)

Recordemos que segn la relacin de los gases ideales: PV = nRT; la presin

es proporcional al nmero de moles. Por esta razn, si aumentamos la presin

del sistema, ste tendera a que se contrarreste este aumento de presin con la

50



Qumica inorgnica

disminucin de moles as que el equilibrio se desplazar a la formacin del

tetraxido de dinitrgeno N2O4.

Caso similar se da al aumentar o disminuir el volumen del sistema reaccionante

ya que un cambio de volumen, con una cantidad de masa constante generar

un cambio en la presin de tal manera que mientras el volumen disminuye la

presin aumenta. En este sentido, si se aumenta el volumen del sistema, habr

menos presin y se podr soportar ms cantidad de molculas en el equilibrio y

por tanto podr desplazarse hacia la produccin de dixido de nitrgeno NO2.

Para el caso en que las reacciones son endotrmicas o exotrmicas, el cambio

en la temperatura afecta el equililbrio favoreciendo uno de los procesos segn

sus caractersticas energticas. De esta manera, un aumento en la temperatura

favorecer las reacciones que requieran energa trmica y desfavorecer las

reacciones que la produzcan. El sistema responde de tal manera que la energa

en exceso adicionada al sistema sea consumida en la reaccin endotrmica,

este planteamiento se muestra en la Tabla 8.

REACCION ENDOTERMICA REACCION EXOTERMICA

Aumento de T Tiende a los productos Tiende a los reactivos

Disminucin de T Tiende a los reactivos Tiende a los productos

Tabla 8 tendencia de las reacciones no isotrmicas en equilibrio frente a los

cambios de temperatura

Ejemplo 15. Miremos ahora de una manera prctica una reaccin para que

evaluemos entonces la direccin de su equilibrio.

PCl5 (g) PCl3 (g) + Cl2 (g) H - 87.9 kJ

Las condiciones estndar Para la IUPAC se define como el estado

termodinmico de una sustancia a 100 kPa y 0 C, para el NIST es 20 C y 1

atm (101.325 kPa). H es la entalpa estndar de la reaccin, corresponde

a la resta de la entalpa de los productos menos la de los reactivos, y es

negativa cuando la reaccin es exotrmica o libera calor. Teniendo en cuenta

esto, tenemos el calor generado como un producto as que si aumentamos la

temperatura del sistema, el equilibrio tendera a los reactivos y si la disminuimos,

esta estar en funcin de los productos.

51



Qumica inorgnica

El conocimiento del principio de Le Chtelier nos permite controlar los productos

de una reaccin reversible por medio de la modificacin de las condiciones del

proceso, esto se hace generalmente por la variacin de la temperatura o la

presin aunque tambin puede lograrse por la extr

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