cinética y equilibrio químico

CINÉTICA Y EQUILIBRIO
QUÍMICO
M. en C. Alicia Cea Bonilla
Coordinadora de Enseñanza de
Bioquímica y Biología Molecular.
Fac. de Medicina. UNAM
Julio 2007
M. en C. Alicia Cea Bonilla Todos los derechos reservados
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Cinética Química
La cinética química es el área de la química que tiene
que ver con la rapidez o velocidad con que ocurre una
reacción.
La velocidad de la reacción es el cambio en la
concentración de un reactivo o de un producto con
respecto al tiempo.
Si A
B
k
v=
∆[A]
∆t
o v = ∆[B]
∆t
La velocidad es proporcional a la concentración de los
reactivos y a una constante de proporcionalidad llamada
constante de velocidad (k).
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La relación de la velocidad de una reacción con la constante de
velocidad y la concentración de los reactivos elevada a alguna
potencia se conoce como Ley de la velocidad.
Si tenemos la ecuación:
aA + bB
cC + dD
La ley de la velocidad dice:
v = k [A]x [B]y
Donde x y y son valores experimentales que hablan de las relaciones
entre las concentraciones de A y B y la velocidad de la reacción.
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Cuando x y y se suman
establecen el orden de la
reacción.
Las reacciones de primer
orden son aquellas cuya
velocidad depende de la
concentración de un reactivo
elevado a la primera potencia.
Las reacciones de segundo
orden son aquellas en las que
la velocidad depende de la
concentración de un reactivo
elevado al cuadrado o de la
concentración de dos
reactivos.
Las reacciones de orden cero
son aquellas cuya velocidad es
una constante.
Las más comunes son las de
primer y segundo órdenes.
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Velocidad de reacción y energía
Generalmente, la velocidad de las reacciones aumenta en
función de la temperatura. Esto último se debe a que al
aumentar la temperatura, aumenta la energía cinética de las
moléculas, provocando choques entre ellas.
Para que se dé una reacción entre dos moléculas, éstas
deben chocar con una cierta fuerza (energía) y dirección, a
fin de que los choques sean efectivos. Esto conduce a las
moléculas a un estado o complejo activado.
La energía necesaria para que se inicie una reacción química
se llama Energía de activación (Eact) .
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Gráficas de energía de reacciones endergónicas
(endotérmicas) y de reacciones exergónicas
(exotérmicas)
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La energía absorbida o liberada en una
reacción se conoce como calor de reacción
y la podemos medir en entalpía o en
energía libre de Gibbs.
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FACTORES QUE AFECTAN LA VELOCIDAD
DE LAS REACCIONES QUÍMICAS
Existen algunos factores que afectan la
velocidad de una reacción química, como:
a) la naturaleza de los reactantes
b) la concentración de los reactantes
c) el área de superficie de un sólido
d) la temperatura de la reacción
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Concentración
presión
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Área de superficie de
contacto
Temperatura
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Catalizadores
Algunas reacciones son
extremadamente lentas,
debido a que su energía de
activación es muy grande. La
velocidad de estas reacciones
se puede aumentar con la
adición de sustancias que
participan en la reacción, pero
que no son consumidas en
ella. Estas sustancias se
conocen como catalizadores.
Su acción es disminuir la
energía de activación de la
reacción porque “acomodan” a
las moléculas, haciendo que
sus choques sean efectivos.
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Los catalizadores pueden estar
en la misma fase que los
reactivos (catálisis homogénea)
o en fases distintas (catálisis
heterogénea). Algunos ejemplos
son los convertidores catalíticos
(oxidan el CO y los
hidrocarburos que no se queman
totalmente en los motores de un
coche, produciendo CO2 y H2O, a
la vez que reducen el NO –óxido
nítrico- y al NO2 producidos en
los motores a N2 y O2)
2CO + O2
= 2CO2
2CO + 2NO = N2 + 2CO2
2H2 + 2NO = N2 + 2H2O
CmHn + O2 = CO2 + H2O
CmHn + NO = N2 + H2O + CO2
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a)
b)
c)
Los catalizadores biológicos
se conocen como enzimas.
Presentan algunas
características que los
definen:
Son moléculas de origen
proteico o ácidos nucleicos
(RNA autocatalítico).
Son altamente específicas de
su sustrato y de la reacción
que catalizan. Además son
saturables.
Son regulables por algunas
sustancias. Actúan sólo
cuando son necesarias.
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Equilibrio químico
El equilibrio es un estado en el que no
se observan cambios durante el tiempo
transcurrido. Cuando una reacción
química alcanza el 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. El
equilibrio químico es un proceso
dinámico.
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Para una reacción reversible, en el equilibrio y a una
temperatura constante, existe una relación constante
entre las concentraciones de reactivos y de productos.
Esto es lo que conocemos como constante de equilibrio
(Keq) y hace referencia a lo que conocemos como la ley
de acción de masas.
Si tenemos la ecuación:
aA + bB
cC + dD
Keq = [C]c [D]d
[A]a [B]b
Si Keq >> 1, el equilibrio estará desplazado en la dirección
de los productos, mientras que si Keq << 1, el equilibrio
estará desplazado en la dirección de los reactivos.
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Existen algunas consideraciones a tomar en cuenta:
a) La Keq es una cantidad adimensional que
depende de que la ecuación esté balanceada y de
la temperatura.
b) Si una reacción representa la suma de dos o más
reacciones, la constante de equilibrio para la
reacción global está dada por el producto de las
constantes de equilibrio de las reacciones
individuales.
Se puede predecir la dirección de una reacción
dependiendo de los valores de la constante de equilibrio.
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Factores que afectan el equilibrio
químico
Hay por lo menos 5 factores que afectan el
equilibrio químico: la concentración, la
presión, el volumen, la temperatura y la
presencia de catalizadores.
Hay una regla que ayuda a predecir la
dirección en que se desplazará el equilibrio
cuando cambia alguno de estos factores: el
Principio de Le Chatelier: Si se aplica una
tensión externa a un sistema en equilibrio,
el sistema se ajusta de tal manera que se
cancela parcialmente dicha tensión
(cambio de concentración, de volumen, de
presión o temperatura).
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Los cambios en la concentración, la presión y el
volumen pueden alterar el equilibrio pero no
cambian Keq, pero esta constante sí cambia con
la temperatura (recordemos que un aumento en la
temperatura favorece las reacciones endotérmicas y una
disminución de la temperatura favorece las reacciones
exotérmicas).
Los catalizadores aceleran las reacciones, pero
no alteran la constante de equilibrio, ni las
concentraciones en el equilibrio de las especies
reaccionantes.
Un ejemplo del principio de Le Chatelier es el
aumento de la producción de hemoglobina
cuando las personas viven a grandes alturas,
como en la Cd. de México o en Cusco
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