Índice
1.- Definición de cinética química
a) Choques intermoleculares
b) Teoría de colisiones
c) Energía de activación
2.- rapidez de reacción
2.1.- Factores que afectan la velocidad de una reacción
a) Naturaleza de los reactivos
b) Concentración
2.2.- Expresión matemática de la ley de acción de masas
a) Ley de acción de masas
b) Superficie de contacto o grado de subdivisión
c) Uso de los catalizadores
d) Importancia de los catalizadores
3.- equilibrio químico
3.1.- Ley del equilibrio químico
3.2.- expresión matemática de la ley del equilibrio químico
3.3.- factores que afectan el equilibrio
4.- Catalizadores
5.- Teoría ácido-Base de Arrhenius
6.- Teoría ácido base de Brönsted-Lowry
7.- disociación iónica del agua
a) Acidez de las soluciones
8.- PH o potencial iónico de acidez
a) Cálculo del PH de una solución de un ácido débil
b) Calculo de la concentración de iones de hidronio
9.- Medición del pH
a) El potenciométrico
b) El colorimétrico
c) Zona de viraje
10.- importancia del pH
1.- Definición de cinética química
La cinética química estudia la rapidez con que se producen las reacciones propone explicaciones sobre las razones por las cuales estas difieren, así como los mecanismos y los factores que las afectan. Existen reacciones químicas lentas, como la corrosión del cobre, que puede continuar durante siglos. Otras son tan rápidas que son casi instantáneas, como la formación de precipitados.
a) Choques intermoleculares: Una reacción química supone la ruptura de los enlaces de las moléculas de los reactivos y la formación de nuevos enlaces para que se formen las moléculas de productos de reacción. Para que esto suceda, es necesario que las moléculas de reactivos entren en contacto.
b) Teoría de colisiones: para que una reacción se realice es indispensable que las partículas de las sustancias reaccionantes entren en contacto por medio de choques, los cuales son el resultado de su movimiento continuo y desordenado. Además, para que una reacción ocurra es necesario que las partículas choquen estén dotadas de suficiente energía para que se produzca la ruptura de los enlaces existentes y se formen enlaces nuevos. Esta energía se llama energía de activación.
c) energía de activación: En 1888, el químico sueco Svante Arrhenius sugirió que las moléculas deben poseer una cantidad mínima de energía para reaccionar. Esa energía proviene de la energía cinética de las moléculas que colisionan. La energía cinética sirve para originar las reacciones, pero si las moléculas se mueven muy lento, las moléculas solo rebotarán al chocar con otras moléculas y la reacción no sucede.
2.- rapidez de reacción
Es la cantidad de reactivo consumido y transformado o la cantidad de producto obtenido por unidad de tiempo.
2.1.- Factores que afectan la velocidad de una reacción
Entre los factores que determinan un aumento en la rapidez de reacción tenemos:
a) Naturaleza de los reactivos: si agregamos ácido clorhídrico a unos trozos de hierro y de magnesio de igual tamaño y forma, observaremos que la reacción con el magnesio es mucho más vigorosa, es decir, el magnesio reacciona con mayor rapidez que el hierro, esto es debido a que los átomos de magnesio presentan una tendencia mucho mayor a perder los electrones de su capa de valencia que los átomos de hierro. En otras palabras, el magnesio es un metal más activo que el hierro.
b) Concentración: la rapidez de una reacción se puede aumentar también aumentando la concentración de los reactivos, así se aumenta el número de partículas por unidad de volumen y el número de choques entre las partículas en movimiento. Si colocamos masas iguales de cinc en dos tubos de ensayo y vertemos en uno solución diluida de ácido clorhídrico y, en el otro, igual cantidad de solución concentrada, observaremos que la rapidez con que se producen ambas reacciones no son iguales, será mayor en el tubo de ensayo donde se vertió el ácido concentrado.
2.2.- Expresión matemática de la ley de acción de masas
Supongamos que las sustancias A y B son los reactivos que intervienen en los cambios químicos.
Cuando las concentraciones de A y B son cada una, de mol por litro, hay un cierto número de choques eficaces entre sus partículas, y la rapidez de reacción será igual a K mol por litro por segundo.
Si la concentración de A es 2mol/l, existirá el doble número de choques entre las partículas de A y de B, en consecuencia, la rapidez de reacción es el doble que la anterior.
a) Ley de acción de masas: La rapidez de una acción química es proporcional al producto de las concentraciones de las sustancias reaccionantes.
b) Superficie de contacto o grado de subdivisión: Mientras más finamente dividida esté una sustancia, la rapidez de reacción habrá de ser mayor, ya que ésta expondrá mayor superficie de contacto, de modo que se favorecerán los choques entre moléculas. Por ejemplo, cuando se hacen reaccionar cinc finamente pulverizado y cinc en granallas, con ácido clorhídrico, la rapidez de reacción es mayor en el primer caso. La rapidez de reacción es directamente proporcional al grado de subdivisión o superficie de contacto que exponen las sustancias reaccionantes. En consecuencia, la rapidez de reacción de un sólido se puede aumentar pulverizándolo.
c) Uso de los catalizadores: los catalizadores son sustancias químicas que modifican la rapidez de las reacciones, sin experimentar ninguna alteración en sus propiedades ni pérdida de masa al concluir el proceso. Al adicionar un catalizador a una reacción la energía mínima necesaria para que ésta se produzca disminuye, lo cual trae como consecuencia que la rapidez de reacción sea mayor. El proceso por medio del cual se modifica la rapidez de las reacciones, bien sea aumentándola o disminuyéndola mediante el empleo de catalizadores, se denomina (catálisis).
d) Importancia de los catalizadores: En los organismos vivos tienen lugar muchas reacciones bioquímicas debido a la acción de catalizadores biológicos conocidos con el nombre de enzimas. En la industria petroquímica la catálisis se utiliza en la síntesis del amoníaco, del ácido sulfúrico y otros.
3.- equilibrio químico
Es un hecho conocido que algunas reacciones químicas, tales como las de neutralización de ácidos y bases y las de combustión, tienden a llevarse a cabo hasta que una de las sustancias reaccionantes se transforma o consume totalmente. Este tipo de reacciones reciben el nombre de reacciones irreversibles debido a que las posibilidades de hacerlas ocurrir en sentido inverso son mínimas.
Sin embargo, es más frecuente que las reacciones no finalicen totalmente y coexistan en equilibrio reactivo y productos. Ello es debido a que las sustancias resultantes reaccionan entre sí para dar origen nuevamente a las sustancias reaccionantes.
3.1.- Ley del equilibrio químico
Cuando una reacción reversible alcanza el equilibrio, los reactivos y los productos se encuentran en relación constante unos con otros.
3.2.- expresión matemática de la ley del equilibrio químico
En donde K1 y K2 representan las constantes de velocidad para las reacciones directa e inversa, respectivamente, y las letras dentro de los corchetes representan las concentraciones de las sustancias que intervienen en la reacción, las cuales normalmente vienen expresadas en mol/l.
3.3.- factores que afectan el equilibrio
En todo cambio químico reversible los sistemas tienden a alcanzar la condición de máxima estabilidad, es decir, el equilibrio. Variando adecuadamente las condiciones de concentración, temperatura o presión es posible alterar la concentración en el equilibrio, logrando desplazarlo en uno de los dos sentidos en que actúan las dos tendencias opuestas que lo hacen posible.
4.- Catalizadores
La presencia de un catalizador en un sistema no modifica el equilibrio, simplemente lo que hace es disminuir la energía de activación, tanto para la reacción directa como para la inversa, lográndose de esta forma alcanzar el equilibrio más rápidamente. En otras palabras, los catalizadores no ejercen ningún efecto sobre las concentraciones de las sustancias que intervienen en el equilibrio ni en el resultado neto de la reacción y, por lo tanto, el equilibrio no se desplazará en ningún sentido, es decir, un catalizador no aumenta el rendimiento de los productos.
5.- Teoría ácido-Base de Arrhenius
Las definiciones de Arrhenius constituyeron los primeros conceptos modernos de ácidos y bases. Según Arrhenius, un ácido es toda sustancia que al ionizarse en agua produce iones de hidrógeno (H+) como único tipo de catión.
Si la molécula al disociarse cede un ion de hidrógeno (H+), el ácido recibe el nombre de monoprótico; si cede dos, deprótico y, en general, poliprótico cuando cede varios.
Una base es toda sustancia que al ionizarse produce iones oxhidrilo (OH-) como único tipo de dibásicas y, en general, polibásicas si ceden más de dos.
La teoría de Arrhenius es restringida ya que se limita a interpretar el comportamiento de los electrolitos (ácidos y básicos) en soluciones acuosas.
6.- Teoría ácido base de Brönsted-Lowry
Según esta teoría, los ácidos son sustancias capaces de donar un protón (H+), mientras que las bases son capaces de aceptarlos.
El agua puede actuar como ácido o como base: una molécula H2O actúa como base y gana un protón H+ y se convierte en H3O+; la otra molécula H2O actúa como ácido y pierde un protón H+ para convertirse en OH-.
7.- disociación iónica del agua
El agua es un electrolito débil y es capaz de disociarse en una proporción muy escasa y originar tanto H+ como OH- . Se comporta, por tanto, como ácido y como base. Por este motivo se dice que el agua es una sustancia anfótera o anfolito.
a) Acidez de las soluciones: en el agua pura el producto de las concentraciones iónicas de H3O+ y OH- es constante e igual a 10-14 a 25°C. cuando se disuelve un ácido en agua pura aumenta la concentración de iones hidronio y disminuye la concentración de iones oxhidrilo, de forma tal que el valor de KW permanece constante. La solución resultante será ácida, ya que predominan los iones H3O+ sobre los OH- y disminuye la de H3O+ sobre los OH- . puesto que el producto iónico del agua es constante, si se conoce la concentración de uno de los iones es posible calcular la concentración del otro, y así poder expresar la acidez o basicidad de las soluciones referidas a su concentración en iones hidronio o iones oxhidrilo.
8.- PH o potencial iónico de acidez
El pH se define como el logaritmo negativo de base 10 de la actividad de los iones hidrógeno:
Se considera que p es un operador logarítmico sobre la concentración de una solución p = –log [...]. También se define el pOH, que mide la concentración de iones OH−.
Puesto que el agua está adulterada en una pequeña extensión en iones OH– y H3O+, se tiene:
K (constante)w (agua) = [H3O+]·[OH–] = 10–14, donde [H3O+] es la concentración de iones hidronio, [OH− ] la de iones hidroxilo, y Kw es una constante conocida como producto iónico del agua, que vale 10−14.
Por lo tanto:
Log Kw = log [H3O+] + log [OH–]
–14 = log [H3O+] + log [OH–]
14 = –log [H3O+] – log [OH–]
PH + pOH = 14
Por lo que se pueden relacionar directamente los valores del pH y del pOH.
En disoluciones no acuosas, o fuera de condiciones normales de presión y temperatura, un pH de 7 puede no ser el neutro. El pH al cual la disolución es neutra está relacionado con la constante de disociación del disolvente en el que se trabaje.
a) Cálculo del PH de una solución de un ácido débil: Si se conoce la concentración de una solución de un ácido débil y el grado de ionización (α) de ácido, se puede calcular e pH, siempre que se determina primero la concentración de iones hidronio a partir de la expresión: [H3O+] = ∝ [C]; en donde ∝ es el grado de ionización y [C] es la concentración de la solución del ácido débil.
b) Calculo de la concentración de iones de hidronio: Conocido el pH de una solución es posible determinar la concentración de iones hidronio.
9.- Medición del pH
El pH de una solución puede ser determinado empleando dos métodos diferentes
a) El potenciométrico: para determinar el pH por medio de este método los químicos hacen uso de un aparato llamado potenciómetro, el cual mide el potencial eléctrico que producen los iones hidronio en solución, contacto con una membrana de vidrio, la cual tiene del otro lado una determinada concentración de iones hidronio. El aparato está calibrado de manera tal que puede leer directamente sobre una escala del valor del pH.
b) El colorimétrico: El método mencionado hace uso de ciertas sustancias llamadas indicadores, las cuales son ácidos o bases muy débiles que se caracterizan por presentar colores diferentes en estado iónico y en estado molecular. Así por ejemplo, si representamos por HInd (rojo), la fórmula de un indicador en estado molecular, y la formula por Ind - (amarillo), en estado iónico, tendremos que él ácido Hlnd se disociara de la siguiente manera:
HInd + H2O Ind- + H3O+
En medio ácido, de acuerdo con el principio de le Chatelier, el equilibrio se desplazará hacia la izquierda, debido a la alta concentración de iones hidronio, apareciendo el color rojo característico del indicador en estado molecular (HInd)
c) Zona de viraje: La zona de viraje de un indicador es el rango de pH en el cual cambia de color, porque los indicadores no cambian en un pH fijo.
10.- importancia del pH
Para los químicos, es muy importante la determinación de la concentración de iones hidronios y el valor del pH. Por ejemplo:
El funcionamiento adecuado de las enzimas del organismo humano depende de la concentración correcta de iones hidronio.
Muchas operaciones industriales tales como la fabricación de los colorantes empleados en el teñido de las telas y la preparación de alimentos, se llevan a cabo bajo condiciones cuidadosamente rigurosas en cuanto a la concentración de iones hidronio.
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