Conceptos clave de química: equilibrio químico, propiedades atómicas y reactividad

Equilibrio químico y principio de Le Chatelier

Exotérmica  ΔH < 0 (calor en productos). Endotérmica  ΔH > 0 (calor en reactivos).

Efecto de la temperatura

• Al aumentar la temperatura, según el principio de Le Chatelier, el equilibrio se desplaza en la dirección que absorbe calor (hacia donde haya menor temperatura efectiva):
  • Reacción exotérmica (calor en productos): aumentar T desplaza el equilibrio hacia los reactivos.
  • Reacción endotérmica (calor en reactivos): aumentar T desplaza el equilibrio hacia los productos.
• Para aumentar la concentración de reactivos en una reacción endotérmica, hay que bajar la temperatura, de modo que el equilibrio se desplace hacia los reactivos y aumente su concentración.

Efecto de la presión y el volumen

• Aumentar la presión: según Le Chatelier, el equilibrio se desplaza hacia el lado con menos moles de gas. Además, al aumentar la presión, aumentan las concentraciones de las especies gaseosas.
• Disminuir la presión: el equilibrio se desplaza hacia el lado con más moles de gas.
• Aumentar el volumen (equivalente a disminuir la presión): el equilibrio se desplaza hacia donde haya más moles de gas, y viceversa.

Efecto de cambios en concentración

• Aumentar la concentración de una especie X: el equilibrio se desplaza hacia el lado contrario a la especie añadida, es decir, hacia donde haya menos de X, para consumirla.
• Si se aumenta [B], el equilibrio se desplaza hacia el lado donde no exista dicho compuesto (hacia el lado que lo consuma).

Propiedades atómicas y periódicas

Energía de ionización

Energía de ionización: energía mínima necesaria para arrancar un electrón de un átomo neutro en su estado fundamental en fase gaseosa. En un periodo, al aumentar la carga nuclear efectiva, aumenta la atracción nuclear sobre los electrones de valencia y, por tanto, la energía de ionización. En un grupo, la energía de ionización disminuye hacia abajo porque el electrón más externo está más separado del núcleo (se añaden capas electrónicas) y la atracción efectiva es menor.

Radio atómico

Radio atómico: medida del tamaño del átomo. Aumenta al bajar en un grupo porque se añaden capas electrónicas (disminuye la fuerza de atracción efectiva). En un periodo, el radio atómico disminuye conforme avanzamos de izquierda a derecha, ya que los electrones son más atraídos por la mayor carga nuclear efectiva.

Radio iónico

Radio iónico: distancia entre el núcleo de un ion y su electrón más externo. Un anión (X⁻) tiene mayor radio que su átomo neutro porque aumenta la repulsión electrónica y disminuye la fuerza de atracción nuclear; cuanto mayor la carga negativa, mayor el aumento del radio. Un catión (X⁺) tiene menor radio que su átomo neutro porque al perder electrones la fuerza de atracción efectiva sobre los electrones restantes aumenta.

Afinidad electrónica y electronegatividad

• Afinidad electrónica: energía desprendida cuando un átomo neutro en estado gaseoso acepta un electrón para formar un ion negativo.
• Electronegatividad: capacidad que tiene un átomo de atraer hacia sí el par de electrones compartido en un enlace covalente.

Principios de la estructura electrónica

• Principio de exclusión de Pauli: en un mismo átomo no pueden existir dos electrones con los cuatro números cuánticos iguales.
• Regla de máxima multiplicidad (Hund): cuando en un subnivel energético existen varios orbitales disponibles, los electrones tienden a ocupar el máximo número de orbitales con espines paralelos antes de aparearse.
• Principio de mínima energía: los electrones se colocan en orbitales de menor a mayor energía.

Enlaces químicos

• Enlace metálico (entre metales): se forma entre metales; suelen ser sólidos a temperatura ambiente y presentan propiedades como conductividad eléctrica y térmica, maleabilidad y ductilidad.
• Enlace iónico (metal + no metal): se produce por transferencia de electrones entre especies con grande diferencia de electronegatividad; característico de sales iónicas.
• Enlace covalente (dos no metales o no metal + H): comparten pares de electrones; electronegatividades parecidas. Muchas sustancias covalentes moleculares no conducen la corriente eléctrica; los puntos de fusión y ebullición varían según la fuerza intermolecular.

Cinetica química: factores que influyen en la velocidad de reacción

• Temperatura: la velocidad aumenta con la temperatura. Al aumentar T, las moléculas tienen mayor energía cinética y hay más choques efectivos.
• Concentración: al aumentar la concentración de reactivos, aumentan los choques entre partículas y, por tanto, la velocidad de reacción.
• Catalizadores: agente que modifica la velocidad de una reacción sin consumirse al final de esta. Su papel es influir en la cinética de la reacción reduciendo la energía de activación (Ea) y, por tanto, aumentando la velocidad.

Equilibrios iónicos y titulación

Efecto del ion común

Por efecto del ion común, si se aumenta la concentración de un ion que ya forma parte del equilibrio, la solubilidad de la sal disminuye: la concentración del ion aumentaría y, según el principio de Le Chatelier, el equilibrio se desplazaría hacia la izquierda, reduciéndose así la solubilidad de la sal. El valor de Ksp no varía.

Punto de equivalencia

Punto de equivalencia: punto donde los moles de base equivalen a los moles de ácido y, por tanto, se produce la neutralización entre ácido y base. En la titulación de ácido fuerte con base fuerte (o viceversa), el pH en el punto de equivalencia suele ser aproximadamente 7 (neutro).

Hidrólisis y sales

Sales formadas por un ácido fuerte y una base fuerte no hidrolizan. Las sales formadas por un ácido débil o una base débil pueden hidrolizar y afectar el pH de la solución.

Puesto salino (puente salino)

Puesto salino (puente salino) deja pasar iones pero no electrones; se usa en celdas electroquímicas para mantener la neutralidad eléctrica entre las dos semiceldas evitando el paso directo de electrones por el puente.