CINETICA QUIMICA Cinética Química

CINETICA QUIMICA
El término Cinética Química se refiere al estudio de las Velocidades de
Reacción y de los factores que influyen en ellas
Velocidad:
V = Espacio recorrido/Unidad de tiempo
Velocidad de reacción: Vr = Cambio de concentración de reactivo o producto
en función del tiempo que sucede el cambio (M/s)
A  B
Para la reacción:
Velocidad que se consumen los reactivos = Velocidad que se forman los productos
VA = - A / t
VB = B / t
Velocidad de reacción y Estequiometría
Cuando la relación estequiométrica es diferente a 1
aA
+
bB
Velocidad = -

cC
+ dD
(1)
1 A
1 B  1 C  1 D 
 

a t
b t
c t
d t
Factores que afectan la velocidad de reacción
Naturaleza de los reactivos
Cambios de concentración
Cambios de temperatura
Presencia de un catalizador
Efecto de la Naturaleza de los reactivos
Cuando una o todas las sustancias que se combinan se hallan en estado sólido, la
velocidad de reacción depende de la superficie expuesta en la reacción. Cuando los
sólidos están molidos o en granos, aumenta la superficie de contacto y por
consiguiente, aumenta la posibilidad de choque y la reacción es más veloz.
Lo mismo ocurre cuando las sustancias reaccionantes no son miscibles entre sí, como
por ejemplo, en la hidrólisis neutra de un aceite, se hace reaccionar éste con agua,
para lograrlo, el agua de la parte inferior (recordemos que el aceite es más liviano que
el agua) se recircula hacia la parte superior rociándola sobre la superficie del aceite.
Otro ejemplo sería el de un kilo de viruta de madera, que se quema más rápido que un
tronco de un kilo de masa.
Efecto del Cambio de la Concentración
Una forma de estudiar el efecto de la
concentración en la velocidad de
reacción consiste en establecer cómo
depende la velocidad al comienzo de
la reacción (velocidad inicial) de las
concentraciones de partida
La dependencia de la concentración se expresa:
V = k A B
m
Para la reacción (1)
n
V = k R
(2)
Donde:
-
K es la constante de velocidad
m y n determinan el orden de reacción (son números enteros pequeños 0, 1, 2….)
Exponentes de la ecuación de Velocidad
Los exponentes determinan el orden de reacción con respecto a los reactivos y
la suma de ellos establece el orden general de reacción.
- Si la concentración varía y no se ve afectada la velocidad, la reacción es
de orden 0
- Si la concentración varía y la velocidad varía en la misma proporción, la
reacción es de orden 1
- Si la concentración se duplica y la velocidad varía en una proporción de
22, la reacción es de orden 2
- Si la concentración se triplica y la velocidad varía en una proporción de
32 es de orden es de orden 3

Para V = k NH 4 
 NO 
2

2
El orden general de reacción es 2
La constante de velocidad y sus unidades
De lo expuesto anteriormente (2) se deduce que k depende del orden de
reacción
Si Velocidad se expresa en M/s y Concentración en M
Para una reacción de primer orden:
s-1
Para una reacción de segundo orden: M-1s-1
Para una reacción de tercer orden:
M-2s-1
Reacciones de Primer Orden
Es la que depende de la concentración de uno de sus reactivos elevado a la
primera potencia
  A
Para una reacción del tipo
A  Productos
Velocidad = = k  A
t
Si relacionamos la concentración de A al comienzo de la reacción A0 con su
concentración en cualquier otro tiempo t, At
lnAt  lnA0  kt
ó
ln
At
A0
 kt
(3)
La ecuación 2 también se puede ordenar
Dónde
lnAt  kt  lnA0



Y
= mx + b
Reacciones de Segundo Orden
Es aquella cuya velocidad depende de la concentración de un reactivo elevada
a la segunda potencia o de las concentraciones de dos reactivos diferentes,
cada una elevada a la primera potencia.
A
2
 k A
t
Si relacionamos la concentración de A al comienzo de la reacción A0 con su
concentración en cualquier otro tiempo t, At
Velocidad = 
Dónde
1
1
 kt 
At
A0



Y = mx + b
Vida media (t1/2)
Es el tiempo necesario para que la concentración de un reactivo descienda a la
mitad de su valor original At 1  1 2 A0
2
La vida media es una forma conveniente para describir la rapidez con la que
una reacción ocurre
1
0,693
=  2 
k
k
ln
Para una reacción de Primer Orden
t1/2
Para una reacción de Segundo Orden
t1/2 =
1
k A0
Efecto de la Temperatura
La velocidad de casi todas las reacciones cambia por efecto de la temperatura.
Se puede ver este efecto en la descomposición de los alimentos, cuando los
ponemos en refrigeración y cuando los dejamos al medio ambiente en una
ciudad como Guayaquil.
Cuando dos moléculas interaccionan, parte de la energía cinética se convierte
en energía vibracional. Si la energía es muy grande, las moléculas comenzarán
a vibrar fuertemente, con lo cual algunos enlaces se romperán. El rompimiento
de los enlaces es el primer paso para que se produzca una reacción. ¿Pero
que pasa si la energía es pequeña? ¿o muy grande?
En realidad eso depende de las
moléculas que deben reaccionar,
pero siempre será necesaria una
cantidad mínima de energía para
que la reacción se produzca; a esa
energía llamaremos Energía de
activación
Con este modelo es fácil entender el efecto de la temperatura en la velocidad
de reacción, porque al aumentar la temperatura aumenta la energía cinética de
las moléculas y con ello se aumenta la posibilidad de que se supere la energía
de activación durante la colisión.
El concepto de energía de activación fue concebido a finales del siglo XIX por
el químico sueco Svante Arrhenius, quien demostró que la constante de
velocidad para una reacción varía con la temperatura de acuerdo a la siguiente
expresión conocida como la Ecuación de Arrhenius
 Ea
k  Ae
RT
Donde: Ea es la energía de activación
R es la constante de los gases
T es la temperatura absoluta
e es la base de los logaritmos naturales
A es el número de choques entre las partículas reaccionantes
Si obtenemos el logaritmo para cada lado de la igualdad, nos queda:
ln k   Ea
 ln A
RT
Ecuación que puede identificarse con la ecuación de una recta
Curvas de energía para (a) una reacción exotérmica; (b) una reacción endotérmica
Efecto de los catalizadores
Un catalizador es una sustancia que
modifica la velocidad de una reacción,
sin que sufra un cambio químico
permanente y sin consumirse durante
la misma
Su presencia en muchos casos
disminuye la necesidad de altas
temperaturas y altas presiones en
procesos industriales, razón por lo que
actualmente
se
hacen
grandes
inversiones de dinero en estudios,
buscando más y mejores catalizadores.
Existen dos tipos de catálisis: homogénea y heterogénea.
En la catálisis homogénea todas las sustancias (reactivos, productos y catalizadores)
están en el mismo estado físico. En la heterogénea en cambio el catalizador es una
sustancia sólida y las demás sustancias están en otros estados físicos.