2. Factores que afectan la velocidad de reacción

Cinética Química
1. Velocidad de reacción.
2. Factores que afectan la velocidad de
reacción.
3. Expresión de la ley de velocidad.
4. Teoría de las colisiones moleculares
5. Estado de transición.
6. Catalizadores.
1. Velocidad de reacción
La velocidad de una reacción describe qué tan rápido
se consumen los reactivos y se forman los productos.
CH4 (g) + 2 O2 (g) → CO2 (g) + 2 H2O (g)
4 Fe (s) + 3 O2 (g) → 2 Fe2O3 (s)
rápida
lenta
La cinética química se dedica al estudio de la velocidad de las reacciones
químicas, los factores que la afectan y los mecanismos de reacción.
No todas las reacciones favorecidas por la termodinámica son favorecidas
por la cinética.
2 HCl (ac) + 2 Mg(OH)2 (s) → MgCl2 (ac) + 2 H2O (l)
∆G = -97 kJ/mol
C (diamante) (s) + O2 (g) → CO2 (g)
∆G = -397 kJ/mol
1. Velocidad de reacción
Para describir la velocidad de una reacción, se debe conocer la
concentración, ya sea de un reactivo o producto a distintos tiempos
conforme procede la reacción.
O
+
O
H+
O
H
O
H
H
O
tiempo
Concentración
Concentración
0
1.0
0.0
1
0.6
0.4
2
0.2
0.8
3
0.0
1.0
+
H
O
1. Velocidad de reacción
picosegundo (10-12 s)
femtosegundo (10-15 s)
1. Velocidad de reacción
¿Cómo se describe la velocidad de una reacción?
aA + bB → cC + dD
Las cantidades de cada sustancia se expresan mediante su concentración
molar (mol/L) y se representa entre corchetes [ ].
La velocidad puede expresarse
en términos de la velocidad a la
que desaparece uno de los
reactivos:
∆[A]
−
∆t
∆[B ]
−
∆t
O bien, a la velocidad que aparece
uno de los productos:
∆[C ]
∆t
∆[D ]
∆t
1. Velocidad de reacción
H2 (g) + 2 ICl (g) → I2 (g) + 2 HCl (g)
2. Factores que afectan la velocidad de reacción
Factores que afectan la
velocidad de reacción
1. Naturaleza de los reactivos.
2. Concentración de los reactivos.
3. Temperatura.
4. Presencia de un catalizador.
2. Factores que afectan la velocidad de reacción
Formas alotrópicas del fósforo:
1. Naturaleza de los reactivos
• El blanco reacciona
violentamente con el oxígeno
del aire
• El rojo es inerte…
El cobre en polvo arde espontáneamente en
el aire, mientras que el alambre no lo hace…
2. Factores que afectan la velocidad de reacción
Las velocidad de reacción depende
del área superficial o grado de
subdivisión.
1. Naturaleza de los reactivos
El grado máximo de subdivisión
hace posible que todas las
moléculas (o átomos y iones)
reaccionen en cualquier momento.
Esta situación ocurre cuando los
reactivos
están
en
estado
gaseoso o en disolución.
El gis pulverizado (CaCO3) reacciona más rápido
con HCl debido a una mayor área superficial.
2. Factores que afectan la velocidad de reacción
2. Concentración de los reactivos
La ley de velocidad describe la manera en que van cambiando las
concentraciones conforme pasa el tiempo de reacción.
velocidad = k[A]x[B]y…
k ≡ constante de velocidad a temperatura fija
x
y y ≡ orden de reacción – se determina experimentalmente –
1. El valor de k no cambia con la concentración de reactivos o productos.
2. El valor de k no cambia con el tiempo.
3. El valor de k cambia al variar la temperatura…
2. Factores que afectan la velocidad de reacción
Teoría de las Colisiones
Para que una reacción ocurra, las moléculas deben colisionar.
Al aumentar la concentración de los reactivos se favorecen las colisiones. Sin
embargo, no todas dan lugar a reacción.
Para que una colisión sea efectiva las especies deben de:
1. Poseer la energía mínima necesaria para romper y formar enlaces
nuevos.
2. Tener la orientación adecuada en el momento de la colisión.
2. Factores que afectan la velocidad de reacción
NO (g) + N2O (g) → NO2 (g) + N2 (g)
2. Factores que afectan la velocidad de reacción
NO (g) + N2O (g) → NO2 (g) + N2 (g)
2. Factores que afectan la velocidad de reacción
NO (g) + N2O (g) → NO2 (g) + N2 (g)
2. Factores que afectan la velocidad de reacción
Teoría del estado de transición
En una reacción química se rompen enlaces para formar nuevos.
Por lo tanto, las reacciones químicas deberán estar relacionadas con los
cambios en la energía del sistema (∆H).
A + B2 → AB + B
A + B─B → A…B…B → A─B + B
reactivos
estado de
transición
productos
2. Factores que afectan la velocidad de reacción
A + B─B → A…B…B → A─B + B
2. Factores que afectan la velocidad de reacción
A + B─B → A…B…B → A─B + B
2. Factores que afectan la velocidad de reacción
Teoría de las colisiones y estado de transición
I- + CH3Cl → CH3I + Cl-
2. Factores que afectan la velocidad de reacción
Teoría de las colisiones y estado de transición
I- + CH3Cl → CH3I + Cl-
2. Factores que afectan la velocidad de reacción
3. Temperatura
A mayor temperatura (T2) habrá una fracción mayor de moléculas que tengan
la energía de activación (Ea) necesaria para que la reacción proceda, a
comparación de una temperatura más baja (T1).
2. Factores que afectan la velocidad de reacción
3. Temperatura
La ecuación de Arrhenius relaciona la velocidad de reacción (mediante su
constante k) con la temperatura (T) para una misma energía de activación (Ea).
k = Ae
Si T
aumenta
Ea/RT
disminuye
- Ea/RT
aumenta
−
Ea
RT
exp(-Ea/RT)
aumenta
k
aumenta
la reacción
se acelera
2. Factores que afectan la velocidad de reacción
4. Presencia de un catalizador
Los catalizadores abaten
la Ea permitiendo que la
reacción química se lleve a
cabo más rápido.
No toma parte en la
reacción, por lo que no
aparece en la ecuación
balanceada.
2. Factores que afectan la velocidad de reacción
4. Presencia de un catalizador
Un catalizador homogéneo existe en la misma fase que los reactivos.
Mn2+
2 Ce4+ + Tl+ → 2 Ce3+ + Tl3+
Ce4+ + Mn2+ → Ce3+ + Mn3+
etapa 1
Ce4+ + Mn3+ → Ce3+ + Mn4+
etapa 2
Mn4+ + Tl+ → Mn2+ + Tl3+
etapa 3
2 Ce4+ + Tl+ → 2 Ce3+ + Tl3+
global
2. Factores que afectan la velocidad de reacción
4. Presencia de un catalizador
Un catalizador heterogéneo está presente en una fase distinta a la de los
reactivos.
Etapas del proceso:
1. Adsorción
2. Activación del reactivo adsorbido
3. Reacción
4. Desorción
2. Factores que afectan la velocidad de reacción
4. Presencia de un catalizador
Pt
2 C8H18 (g) + 25 O2 (g) → 16 CO2 (g) + 18 H2O (g)
NiO
Pt
2 CO (g) + O2 (g) → 2 CO2 (g)
NiO
2. Factores que afectan la velocidad de reacción
1. Proceso Haber para la fabricación de amoniaco.
N2 + 3 H2 → 2 NH3
cat: Fe/FeO/Fe2O3 (T elevada)
2. Producción de trióxido de azufre para la fabricación de ácido sulfúrico.
2 SO2 + O2 → 2 SO3
cat: V2O5 (400 C)
3. Cloración de benceno.
C6H6 + Cl2 → C6H5Cl + HCl
cat: FeBr3 (T.A.)
4. Hidrogenación de hidrocarburos.
RCH=CH2 + H2 → RCH2CH3
cat: Pt (T.A.)
2. Factores que afectan la velocidad de reacción
4. Presencia de un catalizador
Las enzimas son proteínas que actúan como catalizadores en
reacciones bioquímicas específicas.
Son catalizadores altamente específicos y extremadamente eficientes.