Velocidad de Reacción y Desplazamiento del Equilibrio: Factores Determinantes
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Introducción a la Cinética y Dinámica Química
La cinética química es un área de la fisicoquímica que se encarga del estudio de la rapidez de reacción, cómo cambia esta rapidez bajo condiciones variables y qué eventos moleculares se efectúan mediante la reacción general. La cinética química es un estudio puramente empírico y experimental; el área química que permite indagar en las mecánicas de reacción se conoce como dinámica química.
Concepto de Velocidad y Equilibrio Químico
En el contexto del equilibrio químico, la velocidad de la reacción a cualquier tiempo es igual a la pendiente de la tangente a la curva correspondiente a ese tiempo. En la medida que la curva tiene mayor grado de inclinación, la velocidad de reacción es mayor.
Definición de la Constante de Equilibrio (K)
La constante de equilibrio para una reacción es igual al cociente de dividir el resultado de multiplicar la concentración en equilibrio de los productos elevados al coeficiente que tienen en la ecuación, y el resultado de multiplicar la concentración en equilibrio de los reaccionantes (o reactivos) elevados también al coeficiente que tienen en la ecuación.
Principio de Le Châtelier: Alteración del Equilibrio
La alteración en el equilibrio se rige por el Principio de Le Châtelier, el cual considera que todo sistema en equilibrio sometido a una acción exterior se modifica en el sentido de oponerse a esa acción.
Efecto del Catalizador
La presencia de un catalizador disminuye la energía de activación ($E_a$); por lo tanto, acelera la reacción directa. Pero, al mismo tiempo, disminuye también la barrera energética que deben vencer los reaccionantes en el proceso inverso. Por lo tanto, también se acelera la reacción en este sentido. Es importante notar que un catalizador no modifica la posición del equilibrio, solo la velocidad a la que se alcanza.
Factores que Modifican el Equilibrio Químico
Los principales factores que pueden desplazar la posición de un equilibrio químico son:
Cambios de Temperatura
La influencia de la temperatura sobre un sistema en equilibrio está comprendida en la Ley de Van 't Hoff, la cual plantea lo siguiente: Cuando se aumenta la temperatura sobre un sistema en equilibrio, se ve favorecida la reacción que se produce por absorción de calor (reacción endotérmica).
Cambios de Presión
La influencia de la presión sobre un sistema en equilibrio está comprendida en la Ley de Robín (aplicación del Principio de Le Châtelier):
- Cuando un sistema está en equilibrio, un aumento de presión favorece la reacción donde se produce disminución del volumen (menor número de moles gaseosos).
- Una reducción de presión favorece la reacción donde se produce aumento de volumen (mayor número de moles gaseosos).
- Un cambio de presión no tiene efecto sobre la reacción en la que no hay variación de volumen.
Efecto de la Concentración
El efecto de la concentración está determinado por la Ley de Acción de Masas. Por ejemplo, en la siguiente reacción (Síntesis de Amoníaco):
$$\text{N}_2 + 3\text{H}_2 \rightleftharpoons 2\text{NH}_3$$
Si se aumenta la concentración de $\text{N}_2$, el equilibrio se desplaza hacia la derecha para favorecer la formación de los productos ($\text{NH}_3$).
Recapitulación de Conceptos Fundamentales
La cinética química es un área de la fisicoquímica que se encarga del estudio de la rapidez de reacción, cómo cambia la rapidez de reacción bajo condiciones variables y qué eventos moleculares se efectúan mediante la reacción general. La cinética química es un estudio puramente empírico y experimental; el área química que permite indagar en las mecánicas de reacción se conoce como dinámica química.