Equilibri Químic, Cinètica i Termodinàmica: Conceptes Clau

L'Equilibri Químic

L’equilibri químic és un estat en què la velocitat de la reacció directa és igual a la de la reacció inversa, de manera que les concentracions de reactius i productes es mantenen constants.

Factors que afecten l'equilibri (Principi de Le Chatelier)

1. Canvi de concentració:
   • Si s’afegeix un reactiu, l’equilibri es desplaça cap als productes.
   • Si s’afegeix un producte, l’equilibri es desplaça cap als reactius.
2. Canvi de pressió (només en gasos):
   • Un augment de la pressió afavoreix el costat amb menys mols de gas.
   • Una disminució de la pressió afavoreix el costat amb més mols de gas.
3. Canvi de temperatura:
   • En reaccions endotèrmiques (ΔH > 0), un augment de temperatura afavoreix els productes.
   • En reaccions exotèrmiques (ΔH < 0), un augment de temperatura afavoreix els reactius.
4. Presència d’un catalitzador:
   • No modifica l’equilibri, només accelera la velocitat per assolir-lo.

Efecte de la pressió en l'equilibri a temperatura constant

Segons el principi de Le Chatelier:

• Si la pressió augmenta, l’equilibri es desplaça cap al sentit amb menys mols per reduir la pressió. S’afavoreix la reacció inversa (cap a l’esquerra), produint més N₂O₄.
• Si la pressió disminueix, l’equilibri es desplaça cap al sentit amb més mols per augmentar la pressió. S’afavoreix la reacció directa (cap a la dreta), produint més NO₂.

El paper dels catalitzadors

• Un catalitzador és una substància que s’afegeix a la reacció sense consumir-se i que augmenta la velocitat de reacció.
• Modifica el mecanisme de la reacció, reduint l’energia d’activació i augmentant la velocitat.
• No modifica l’entalpia de la reacció perquè l’energia dels reactius i productes no canvia.

Efecte de la temperatura i el volum (Model de col·lisions)

• Augment de temperatura a volum constant: Més molècules tenen energia suficient per xocar efectivament. La velocitat de la reacció augmenta.
• Augment del volum a temperatura constant: Les molècules estan més disperses. Disminueix la probabilitat de xocs efectius. La velocitat de reacció disminueix.

Justificació segons els models cinètics

• Model de l’estat de transició: La velocitat depèn de l’energia d’activació. Un catalitzador disminueix aquesta energia, fent que la reacció sigui més ràpida.
• Model de col·lisions: La velocitat és proporcional al nombre de xocs efectius entre molècules. L’energia d’activació és la mínima necessària perquè la reacció tingui lloc; com més petita sigui, més ràpida serà la reacció.

Una reacció és endotèrmica quan ΔH° > 0 perquè absorbeix calor.

Primer Principi de la Termodinàmica

• L’energia no es crea ni es destrueix, només es transforma.
• La variació de l’energia interna d’un sistema (ΔU) és igual a la calor (ΔQ) intercanviada amb l’entorn més el treball (ΔW) realitzat pel sistema:
  ΔU = ΔQ - ΔW

Espontaneïtat de la reacció

• És espontània si ΔG° < 0.
• No és espontània si ΔG° > 0.

Conceptes d'Energia en les Reaccions

1. Entalpia (ΔH):
   • Reaccions exotèrmiques (ΔH < 0): Alliberen energia en forma de calor.
   • Reaccions endotèrmiques (ΔH > 0): Absorbeixen calor.
2. Entropia (ΔS): Mesura el desordre.

   Augment i disminució de l'entropia

   • Augment de l’entropia (ΔS > 0): Indica un augment del desordre, com passa en:
     • Canvis d’estat de sòlid → líquid → gas.
     • Augment del nombre de molècules en els productes.
     • Dissolució de substàncies sòlides en aigua.
   • Disminució de l’entropia (ΔS < 0): Indica un augment de l’ordre, com passa en:
     • Canvis d’estat de gas → líquid → sòlid.
     • Disminució del nombre de molècules en els productes.
3. Energia Lliure de Gibbs (ΔG):
   • ΔG < 0: Reacció espontània.
   • ΔG > 0: Reacció no espontània.