Modulo 4 Química - QM310 - Universidad Hispanoamericana de Panamá PDF

Universidad Hispanoamericana de Panamá Licenciatura en Ciencias de la Enfermería Química - QM310 IV MÓDULO. TERMOQUÍMICA CINÉTICA Y EQUILIBRIO QUÍMICO José Troestch M.Sc. Cel: 6954-0413 [email protected]...

Universidad Hispanoamericana de Panamá Licenciatura en Ciencias de la Enfermería Química - QM310 IV MÓDULO. TERMOQUÍMICA CINÉTICA Y EQUILIBRIO QUÍMICO José Troestch M.Sc. Cel: 6954-0413 [email protected] Panamá, Marzo 2023  CONTENIDO Termoquímica y espontaneidad velocidad y mecanismos de las reacciones químicas: Equilibrio químico. Equilibrio entre ácidos y gases.  Termoquímica La termoquímica es una rama de la química que estudia los efectos caloríficos de las reacciones químicas. Forma parte de una disciplina más amplia denominada termodinámica. Todas las reacciones químicas obedecen a dos leyes fundamentales: la ley de la conservación de la masa y la ley de la conservación de la energía.  DEFINICIONES La energía generalmente se define como la capacidad para efectuar un trabajo. Los químicos definen trabajo como el cambio directo de energía que resulta de un proceso. La energía térmica es la energía asociada al movimiento aleatorio de los átomos y las moléculas. En general, la energía térmica se calcula a partir de mediciones de temperatura. Cuanto más vigoroso sea el movimiento de los átomos y de las moléculas en una muestra de materia, estará más caliente y su energía térmica será mayor. La energía potencial es la energía disponible en función de la posición de un objeto. Por ejemplo, debido a su altitud, una piedra en la cima de una colina tiene mayor energía potencial y al caer en el agua salpicará más que una piedra semejante que se encuentre en la parte baja de la colina. La energía química se considera un tipo de energía potencial porque se relaciona con la posición relativa y el arreglo de los átomos en una sustancia determinada.  Ley de la conservación de la energía Todas las formas de energía se pueden convertir (al menos en principio) unas en otras. Este principio se resume en la ley de la conservación de la energía: la energía total del universo permanece constante. Casi todas las reacciones químicas absorben o producen (liberan) energía, por lo general en forma de calor. Es importante entender la diferencia entre energía térmica y calor. El calor es la transferencia de energía térmica entre dos cuerpos que están a diferentes temperaturas. Con frecuencia hablamos del “flujo de calor” desde un objeto caliente hacia uno frío. A pesar de que el término “calor” por sí mismo implica transferencia de energía, en general hablamos de “calor absorbido” o “calor liberado” para describir los cambios de energía que ocurren durante un proceso. La termoquímica es el estudio de los cambios de calor en las reacciones químicas. Para analizar los cambios de energía asociados a las reacciones químicas, primero necesitamos definir el sistema o la parte específica del universo que nos interesa. Los alrededores son el resto del universo externo al sistema.  Tipos de sistemas Hay tres tipos de sistemas. Un sistema abierto puede intercambiar masa y energía, generalmente en forma de calor, con sus alrededores. Por ejemplo, imagine un sistema abierto formado por una cantidad de agua en un recipiente abierto. Si cerramos el recipiente, de tal manera que el vapor de agua no se escape o condense en el recipiente, creamos un sistema cerrado, el cual permite la transferencia de energía (calor) pero no de masa. Al colocar el agua en un recipiente totalmente aislado, podemos construir un sistema aislado, que impide la transferencia de masa o energía.  Procesos proceso exotérmico, que es cualquier proceso que cede calor, es decir, que transfiere energía térmica hacia los alrededores. 2H2(g) + O2(g) 2H2O(l) + energía proceso endotérmico, en el cual los alrededores deben suministrar calor al sistema (es decir, al HgO) Energía + 2HgO(s) 2Hg2(l) + O2(g) Introducción a la termodinámica Es el estudio científico de la conversión del calor y otras formas de energía. En la termodinámica examinamos los cambios en el estado de un sistema, que se define por los valores de todas sus propiedades macroscópicas importantes, por ejemplo, composición, energía, temperatura, presión y volumen. Se dice que la energía, la presión, el volumen y la temperatura son funciones de estado, es decir, propiedades determinadas por el estado del sistema, sin importar cómo se haya alcanzado esa condición. En otras palabras, cuando cambia el estado de un sistema, la magnitud del cambio de cualquier función de estado depende únicamente del estado inicial y final del sistema y no de cómo se efectuó dicho cambio.  Primera ley de la termodinámica La primera ley de la termodinámica, que se basa en la ley de conservación de la energía, establece que la energía se puede convertir de una forma a otra, pero no se puede crear ni destruir. Podemos demostrar la validez de la primera ley midiendo sólo el cambio de la energía interna de un sistema entre su estado inicial y su estado final. El cambio en la energía interna ΔU está dado por ΔU = Uf – Ui donde Ui y Uf representan la energía interna del sistema en el estado inicial y el estado final, respectivamente. La energía interna de un sistema tiene dos componentes: energía cinética y energía potencial. El componente de energía cinética consiste en los diversos tipos de movimiento molecular y en el movimiento de los electrones dentro de las moléculas. La energía potencial está determinada por las fuerzas de atracción entre los electrones y los núcleos, por las fuerzas de repulsión que existen entre los electrones y entre los núcleos de moléculas individuales, así como por la interacción entre las moléculas.  Ejemplo: Considere la reacción entre 1 mol de azufre y 1 mol de oxígeno gaseoso para producir 1 mol de dióxido de azufre: S(s) + O2(g) SO2(g) En este caso, el sistema se compone de las moléculas de los reactivos S y O2 (estado inicial), así como de las moléculas del producto SO2 (estado final). Aunque no conocemos el contenido de energía interna de las moléculas de los reactivos ni de las moléculas del producto, podemos medir con exactitud el cambio en el contenido de energía ΔU, dado por  Ejemplo: Esta reacción desprende calor. Por lo tanto, la energía del producto es menor que la de los reactivos, y ΔU es negativo. Si la liberación de calor en la reacción anterior significa que una parte de la energía química contenida en las moléculas se convierte en energía térmica, concluimos que la transferencia de energía desde el sistema a los alrededores no cambia la energía total del universo. Es decir, la suma de los cambios de energía debe ser igual a cero: Velocidad y mecanismos de las reacciones químicas La cinética química estudia las velocidades de las reacciones químicas y los mecanismos a través de los cuales éstas se producen. La velocidad de reacción es la velocidad con la que desciende la concentración de un reactivo o aumenta la de un producto en el curso de una reacción. Se ha encontrado que la velocidad de una reacción depende de la naturaleza de los reactivos (estado físico, grosor de partícula, etc), la concentración de los reactivos, la temperatura y los catalizadores. Ley de velocidad. Del estudio experimental de la cinética de una reacción química, se deduce su ley de velocidad, que es una ecuación que expresa la velocidad en función de las concentraciones de las sustancias que toman parte en la reacción y que normalmente tiene la forma v = k[Reactivos]x Constante de velocidad  Orden de reacción Orden de reacción. El orden de reacción con respecto a un reactivo es el exponente de su término de concentración en la ley velocidad. El orden de reacción global es la suma de los exponentes de todos los términos de concentración (tabla 11.1). Ecuación de velocidad integrada. Para calcular la concentración de reactivo que quedará transcurrido un tiempo o el tiempo necesario para que determinada cantidad de reactivo se consuma, es útil integrar la ecuación de velocidad (tabla 11.2). La vida media, t 1/2 , de un reactivo es el tiempo necesario para que su concentración pase a ser la mitad del valor inicial. Para una reacción de primer orden, la vida media no depende la concentración del reactivo  Mecanismos de reacción Teoría de las colisiones. Esta teoría, que deriva de la teoría cinético–molecular, propone que para que pueda producirse una reacción química entre átomos, iones o moléculas, es preciso que éstos experimenten primeramente colisiones. Según esta teoría, la velocidad de la reacción dependerá de la frecuencia de los choques (concentración, estado de los reactivos, temperatura (velocidad), etc) la frecuencia de los choques con orientación adecuada (naturaleza de los reactivos, etc) la frecuencia de los choques con energía suficiente para llegar al estado de transición (temperatura).  Mecanismos de reacción La mayoría de reacciones transcurren por mecanismos de varias etapas, llamadas reacciones elementales. La ecuación de una reacción elemental indica la molecularidad (número de partículas que colisionan) de los reactivos implicados en el choque que produce la reacción.  Molecularidad y orden de reacción Se puede predecir que la ley de velocidad para una reacción elemental (no global) viene dada por el producto de la constante de velocidad por las concentraciones de los reactivos en esa etapa. Es decir, en una reacción elemental, orden y molecularidad coinciden.  Mecanismo y ley de velocidad La etapa determinante de la velocidad en un mecanismo es la reacción elemental más lenta, pues gobierna la velocidad de la reacción global. De esta forma, se puede saber si un mecanismo propuesto para una reacción es o no coherente con la ley de velocidad experimental.  Equilibrio químico El equilibrio es un estado en el que no se observan cambios conforme el tiempo transcurre. Cuando una reacción química llega al estado de equilibrio, las concentraciones de reactivos y productos permanecen constantes en el tiempo, sin que se produzcan cambios visibles en el sistema. Sin embargo, a nivel molecular existe una gran actividad debido a que las moléculas de reactivos siguen formando moléculas de productos, y éstas a su vez reaccionan para formar moléculas de reactivos. Actividad sumativa – Capitulo 14. Libro Química, Chang y Goldsby.  El equilibrio ácido-base El equilibrio ácido-base es el balance que mantiene el organismo entre ácidos y bases con el objetivo de mantener un pH constante. La sangre en el organismo tiene un pH ligeramente básico que es importante para el buen funcionamiento del cuerpo.  Universidad Hispanoamericana de Panamá Licenciatura en Ciencias de la Enfermería Química - QM310 III MÓDULO - EQUILIBRIO HIDROELECTROLÍTICO Y ÁCIDO BASE José Troestch M.Sc. Cel: 6954-0413 [email protected] Panamá, Marzo 2023  CONTENIDO Alteraciones del Equilibrio Ácido-Base. Fuentes principales de ácidos del organismo. Regulación del equilibrio ácido-base.  Introducción a los electrólitos Para funcionar con normalidad, el organismo debe impedir que los niveles de líquido varíen demasiado en las zonas que contienen dicho líquido. Algunos minerales, en particular los macrominerales (macroelementos, minerales que el organismo necesita en cantidades relativamente grandes), son importantes como electrólitos. Los electrólitos son minerales que llevan una carga eléctrica cuando se encuentran disueltos en un líquido tal como la sangre. Los electrólitos sanguíneos (el sodio, el potasio, el cloro y el bicarbonato) ayudan a regular el funcionamiento de los nervios y de los músculos, así como a mantener el equilibrio ácido-básico y el equilibrio hídrico.  Ácidos - bases Los electrólitos (sustancias cuya disociación iónica en solución hace que puedan conducir la corriente eléctrica) se clasifican en ácidos, bases y sales. Las sales, a su vez, pueden ser ácidas, básicas o neutras. Svante Arrhenius Brönsted y Lowry Lewis Denominó ácidos a las sustancias Se propone que ácido Extendió la teoría de que al disociarse dan lugar a es toda sustancia que acidez y basicidad a protones libres (H+) (p. ej., HCl); puede ceder protones, consideraciones mientras que base es electrónicas. bases, a las que al disociarse toda sustancia capaz Así, ácido sería toda originan iones hidroxilo (OH–) de aceptar protones. sustancia que puede (p. ej., NaOH); aceptar un par de electrones y base toda y sales neutras, a los compuestos sustancia capaz de que originan iones distintos al ion ceder un par de hidrógeno y al ion hidroxilo (p. ej., electrones. NaCl). Ionización del agua. Escala de pH El agua es un electrólito débil cuyas moléculas se disocian en muy pequeña cantidad (tan sólo 1 molécula de cada 5.53x108 , a 25 °C). Esa disociación puede expresarse en forma del siguiente equilibrio químico equivalente: Tal equilibrio de disociación hace que el agua, de acuerdo con las teorías de acidez y basicidad expuestas, se comporte como una sustancia anfótera o anfiprótica, ya que actúa al mismo tiempo como ácido y como base. Ionización del agua. Escala de pH De acuerdo con el equilibrio de disociación del agua que se acaba de formular, y teniendo en cuenta que a 25 °C la constante de este equilibrio es 1.8x10-16 M y que la concentración molar del agua es 55.5 M , se cumple que: que es la expresión de la denominada constante del producto iónico del agua. Como es lógico, en el agua pura las concentraciones molares de iones hidrógeno e hidroxilo son iguales:  Ionización del agua. Escala de pH Los valores ínfimos de concentración de protones e hidroxilos son incómodos para el trabajo habitual. Por ello, en 1909, Söreh Peter Sörensen, bioquímico danés, estableció la denominada escala de pH (abreviatura de potencial de hidrógeno, ya que el pH varía proporcionalmente al potencial de un electrodo de hidrógeno introducido en la disolución). El pH se define como el logaritmo decimal de la concentración molar de iones hidrógeno, hidrogeniones o iones hidronio, con el signo cambiado: Ionización del agua. Escala de pH Análogamente, se define el pOH como el logaritmo decimal de la concentración molar de iones hidroxilo, con el signo cambiado. Lógicamente, a partir de la constante del producto iónico del agua se deduce que en una disolución cualquiera, la suma de los valores de pH y de pOH es 14. En función del pH, las disoluciones pueden clasificarse en: — Neutras: si el valor del pH es igual a 7. — Ácidas: si el valor del pH es inferior a 7. — Básicas: si el valor del pH es superior a 7. Así, por ejemplo, una disolución de HCl de concentración 10-3M presentará una concentración de iones hidrógeno igual a 10-3 y su pH será igual a –log10-3 , es decir, su pH será 3. Por tanto, se tratará de una disolución de carácter ácido. Valores de pH de líquidos corporales  Regulación del equilibrio ácido-base: Los valores de pH en el organismo deben permanecer casi constantes (en torno a 7.4 en el medio extracelular). Por debajo de 7.0 o por encima de 7.8, puede sobrevenir la muerte del individuo. Por esta razón, el mantenimiento de la homeostasis ácido-base fisiológica es fundamental. Para lograr esta constancia de pH, el cuerpo humano utiliza tres estrategias diferentes: a) Amortiguadores fisiológicos (disoluciones reguladoras). b) Ventilación pulmonar ó Compensación respiratoria. c) Filtración renal ó compensación renal. Gracias!