"Magnitudes fundamentales de un cambio quimico"

CALCULOS ESTEQUIOMETRICOS

Se refieren a la determinación de las cantidades de Sustancias ( A,B,C y D ) involucradas en una determinada reacción química.

Sea a A + b B = c C + d D la ecuación de la reacción general, donde a,b,c y d son los respectivos Coeficientes Estequiométricos.

Sean niA , niB ,niC , niD la cantidad de moles de los reactivos y productos en el instante inicial de la reacción (tiempo = 0)

Sean ntA , ntB ,ntC , ntD la cantidad de moles de los reactivos y productos en el instante t desde el momento inicial de la reacción ( tiempo = t )

Transcurrido el tiempo t, cada una de las sustancias ha variado como consecuencia de la reacción, ya sea desapareciendo (Reactivos) o bién apareciendo (Productos) en las siguientes cantidades.

D nA = ntA - niA ; D nB = ntB - niB ; D nC = ntC - niC ; D nD = ntD - niD

Debe notarse que D nA = ntA - niA y D nB = ntB - niB son negativos, porque en el instante t hay menos moles de A y B que al comienzo( porque los reactivos se consumen)

Debe notarse que D nC = ntC - niC y D nD = ntD - niD son positivos, porque en el instante t hay más moles de C y D que al comienzo( porque los productos se originan o aparecen).


La Condición de Estequiometría establece:

- D nA / a = - D nB / b = D nC / c = D nD / d = ..... = X

Es la forma matemática de indicar que cada sustancia reacciona en cantidad de moles que es proporcional al respectivo coeficiente estequiométrico. Las expresión relaciona las cantidades de moles que reaccionan, de todas las sustancias, en todo instante.



¿ Hasta que valor crece R?

Escribamos nuevamente la condición de estequiometría, ahora en función de las cantidades de moles.

- ( ntA - niA) / a = - ( ntB - niB ) / b = ( ntC - niC ) / c = ( ntD - niD) / d = X

X alcanzará su valor máximo ( X L ) cuando la reacción finalice, en el instante final tf .

Se cumplirá que:

(*) - ( nfA - niA) / a = - ( nfB - niB ) / b = ( nfC - niC ) / c = ( nfD - niD) / d = XL

¿Pero cuánto vale XL?

Podemos decir que la reacción finaliza cuando se agota uno de los reactivos, por ejemplo si:

nfA = 0 ( A es el reactivo limitante de la reacción )

- ( 0 - niA) / a = - ( nfB - niB ) / b = ( nfC - niC ) / c = ( nfD - niD) / d = XL A

y XL = XL A = niA / a

en el caso que: nfB = 0 ( B es el reactivo limitante de la reacción )

- ( nfA - niA) / a = - ( 0 - niB ) / b = ( nfC - niC ) / c = ( nfD - niD) / d = XL B

y XL = XL B = niB / b

Se observa que cualquiera sea el caso, el valor de XL se puede determinar por la información disponible en el instante inicial de la reacción y además será el menor de aquellos valores pués siempre debe cumplirse la condición de estequiometría.

De la ecuación (*)

nfA = niA - a XL

nfB = niB - b XL

nfC = niC + c XL

nfD = niD + d XL


LA VALORACIÓN O TITULACIÓN

El análisis químico cuantitativo determina las cantidades de sustancia presentes en distintos sistemas. Lo hace con técnicas de gravimetría, o sea el uso de métodos basados en pesar sustancias en balanzas de precisión. Con técnicas de volumetría, métodos basado en la medición de volumenes de soluciones. Con la espectroscopía, basada en métodos ópticos y electrónicos etc. Las técnicas de la Volumetría descansan fundamentalmente en las denominadas Valoración o Titulación, o sea las que determinan el valor de la concentración o el Título de una solución.

La Titulación o Valoración se basa en una reacción química y por lo tanto habrá tantos tipos de Titulaciones como tipos de reacciones que sirvan a propósitos de cuantificación. Se conocen titulaciones de formación de precipitados, de formación de complejos, de ácidos con bases, de oxido reducción etc.

Como la Titulación tiene propósitos cuantitativos la la ecuación de la reacción involucrada y la CONDICIÓN DE ESTEQUIOMETRÍA que de ella se deriva son los elementos fundamental del asunto.

Estudiaremos el método basándonos en reacciones de neutralización de ácidos con bases y en consecuencia, la comprensión de estas reacciones por parte del alumno es fundamental. Este tipo de reacciones ya las hemos estudiado pero es importante reforzar su manejo.


FACTORES QUE DETERMINAN LAS VELOCIDADES DE REACCIÓN

INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA EN LA VELOCIDAD DE REACCION.

Ya sabemos que el estado de transición es un estado de alta energía potencial. Tal energía potencial se alcanza por absorción de radiaciones electromagnéticas o bien, como ocurre en la mayor parte de las reacciones químicas, obtenida por la conversión de la energía cinética ( movimiento) en potencial en el momento del choque entre moléculas.

Sabemos también que la energía cinética de los sistemas moleculares se relaciona o es proporcional a la temperatura. Para tener más claridad al respecto observemos el siguiente gráfico que muestra: a) la distribución de la energía cinética en un sistema de moléculas y b) la variación de tal distribución al aumentar la temperatura del sistema molecular


El gráfico muestra mediante las áreas bajo las curvas el número de moléculas que, a dos temperaturas T1 y T2 donde T2 > T1, no pueden (color blanco) o bien pueden ( color plomo) alcanzar el estado de transición porque no poseen o poseen, respectivamente, la energía cinética transformable en potencial para alcanzar el estado de transición. El límite entre ambas situaciones está marcado precisamente por la magnitud de la energía de activación Ea.

INFLUENCIA DE LA CONCENTRACION EN LA VELOCIDAD DE REACCION.

Desde el punto de vista ya abordado, o sea estados de transición alcanzado por colisiones entre moléculas, resulta también evidente que una molécula que se mueve en un espacio encontrará alta probabilidad de colisionar con otras en la medida que éstas otras se encuentren en alta relación entre el número de ellas y la longitud de su trayectoria.

En términos más simples la probabilidad de choques aumenta al aumentar la concentración de las sustancias reaccionantes. En definitiva la velocidad de las reacciones se incrementa al aumentar la concentración de las sustancia reaccionantes.

Se ha comprobado que en reacciones elementales ( Un sólo estado de transición de sólo un choque) las velocidades siguen las siguientes relaciones según el número de especies involucradas en la colisión.

A Productos velocidad ∞ [ A ] (absorción de ondas electromagnéticas o desintegración radioactiva)

A + B Productos velocidad ∞ [ A ][ B ] (Colisión)

2A Productos velocidad ∞ [ A ] 2 (Colisión)

2A + B Productos velocidad ∞ [ A ] 2 [ B ] (Colisión)

3A Productos velocidad ∞ [ A ] 3 (Colisión) etc.

Donde [ ] significa Concentración Molar o Molaridad ( M (Moles /L))

INFLUENCIA DE LOS CATALIZADORES EN LA VELOCIDAD DE REACCION.

Existe otro factor, de gran importancia desde un punto de vista tecnológico, y es cuando se puede modificar el estado de transición. Al existir un estado de transición diferente, también será diferente la Energía de Activación y esto a su vez modificará radicalmente la velocidad de las reacciones. Existen sustancias, llamadas en general catalizadores, que presentes en un sistema de reacción afectan el estado de transición, la Energía de activación, la velocidad de la reacción pero que en esencia no se modifican pues no participan de la reacción misma.

Hay catalizadores positivos que bajan la energía del estado de transición, hacen que la reacción sea más rápida o bien sólo la hacen más fácil.

Hay catalizadores negativos que suben la energía del estado de transición, hacen que la reacción sea más lenta o bien sólo la dificultan. También a éstos se les llama inhibidores.

Nuestra "temperamental" reacción de formación de H2O a partir de H2 y O2 , tan pasiva a temperatura ambiente y tan explosiva y liberadora de calor en presencia de la chispa eléctrica, evoluciona controladamente en presencia de átomos de platino ( Catalizador ) y se utiliza en celdas productoras de energía eléctrica y agua en las naves espaciales. Entre los átomos de platino se absorben moléculas del H2 que quedan en situación de ser fácilmente colisionadas por las moléculas de O2 dando curso a la reacción. Ha cambiado el estado de transición, que en ausencia del platino, pudiese ser un dificultoso y violento choque triple de moléculas reaccionantes.

Los tres factores recién mencionados son los más importantes determinantes de la velocidad de reacción. También influyen en ésta la naturaleza de las sustancias( la geometría de las moléculas), el estado de división de las muestras, la agitación etc.

Al igual que en la Mecánica en la Cinética Química se trabaja con el concepto de velocidad en un instante o velocidad instantánea

velocidad instantánea = dnR /dt = lim Δ t--> 0 Δ n R / Δ t

y la ley de velocidad es una expresión del tipo:

velocidad instantánea = k [ Reactivos ] orden