Cinética en una Reacción

Cinética en una Reacción
Contenido
Pág.
1. Cinética en una Reacción (Resumen)
1
1.1. Velocidad de Descomposición
1
1.2. Velocidad de Formación
2
1.3. Velocidad de Reacción
2
1.4. Ordenes de Reacción
3
1.4.1. Reacción de Primer Orden
1.4.2. Reacción de Segundo Orden
1.4.3. Reacción de Orden Cero
1.5. Métodos para Determinar los Órdenes de Reacción
5
1.6. Factores que Afectan la Velocidad de Reacción
5
2. Conclusiones
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3. Bibliografía
7
II
Cinética en una Reacción
Al hablar sobre “cinética” se sugiere sobre movimiento o cambio. La energía cinética es la
energía que se da debido al movimiento de un objeto. En este caso, cinética se refiere a la
velocidad de reacción, que es el cambio en la concentración de un reactivo o de un producto con
respecto del tiempo (M/s)
(1)
La razón para estudiar la velocidad de una reacción se debe a la curiosidad intrínseca del por
qué las reacciones ocurren a diferentes velocidades. A velocidades tan variables en el tiempo de
10-12 s como es el caso de la fotosíntesis, o de millones de años como la conversión de grafito en
diamante. En el nivel práctico el conocer la velocidad de las reacciones es útil para el diseño de
fármacos, control de la contaminación y procesamiento de alimentos.
(1)
La cinética química es hoy por hoy un estudio puramente empírico y experimental, pues a
pesar de la gran cantidad de conocimientos sobre química cuántica que se conocen, siguen siendo
insuficientes para predecir ni siquiera por aproximación la velocidad de una reacción química. Por
lo que la velocidad de cada reacción se determina experimentalmente.
(2)
Velocidad de descomposición
La velocidad de descomposición conforma la velocidad de reacción. Esta velocidad no es
constante y depende de varios factores, como la concentración de sus reactivos, la presencia de
un catalizador, la temperatura de reacción y el estado físico de los reactivos.
(2 y 3)
Se habla de velocidad de descomposición ya que es posible seguir el proceso de una reacción
al medir la disminución en la concentración de los reactivos. Así, en la ecuación:
Reactivos
Productos
A
B
Se puede analizar la disminución del número de moléculas de A, expresando la velocidad en
términos del cambio en la concentración en cuanto al tiempo:
Velocidad = - Δ[A]
Δt
Debido a que la concentración de A disminuye durante el intervalo de tiempo, Δ[A] es una
cantidad negativa. La velocidad de reacción es una cantidad positiva, de modo que es necesario un
signo menos en la velocidad para que esta sea positiva. Esta velocidad representa una velocidad
promedio.
(1)
1
Velocidad de formación
Al igual que la velocidad de descomposición, la velocidad de formación conforma la velocidad
de reacción y se ve afectada por los mismos factores. Esta velocidad tampoco es constante. (2)
Se habla de velocidad de formación ya que también es posible seguir el proceso de una
reacción al medir el aumento en la concentración de los productos. Así, en la ecuación:
Reactivos
Productos
A
B
Se puede analizar el incremento del número de moléculas de B, expresando la velocidad en
términos del cambio en la concentración en cuanto al tiempo:
Velocidad = Δ[B]
Δt
Esta velocidad representa también una velocidad promedio porque representan el promedio en
cierto intervalo.
(1)
Velocidad de reacción
La velocidad de reacción es la cantidad de reactivos que se transforma o el producto que se
forma por unidad de tiempo. La unidad es molaridad/segundos (M / s).
(4)
Se ha notado que para reacciones con estequiometria sencilla como del tipo A
B, la
velocidad se expresa ya sea en términos de disminución de la concentración del reactivo con el
tiempo, - Δ[A]/ Δt, o bien como el aumento de la concentración del producto con el tiempo, Δ[B]/
Δt. Para reacciones más complejas, se debe ser muy cuidadoso para escribir la expresión de la
velocidad. Considerando por ejemplo, la reacción 2A
B. Desaparecen dos moles de A por cada
mol de B que se forma, es decir, la velocidad de desaparición de A es el doble de rápida que la
velocidad de aparición de B. La velocidad se expresa como:
Velocidad = 1 Δ[A]
2 Δt
o
Velocidad = 1 Δ[B]
2 Δt
2
En general,
aA + bB
cC + dD
Velocidad = -1 Δ[A] = -1 Δ[B] = 1 Δ[C] = 1 Δ[D]
a Δt
b Δt
c Δt d Δt
(1 y 2)
La velocidad de reacción es directamente proporcional a las concentraciones de los
reaccionantes. A la expresión matemática que relaciona la velocidad de reacción con las
concentraciones de los reactivos se le denomina ECUACION DE VELOCIDAD, y es:
(5)
Velocidad = k[A]x [B]y
Donde x y y son números que se determinan experimentalmente y A y B son las concentraciones.
Al sumar x y y se obtiene el orden de reacción global.
(1)
Ordenes de Reacción
El orden de una reacción respecto de determinado reactivo es la potencia a la cual está
elevada la concentración de dicho reactivo en la ley de velocidad. El orden global de una reacción
es la suma de las potencias a las que están elevadas las concentraciones de los reactivos en la ley
de velocidad. La ley de velocidad y el orden de reacción no se pueden determinar a partir de la
estequiometria de la ecuación global de la reacción; deben determinarse experimentalmente. Para
una reacción de orden cero, la velocidad de reacción es igual a la constante de velocidad.
(1)
Reacciones de Primer Orden
Corresponden a procesos elementales unimoleculares: A
producto. Una
reacción de primer orden es una reacción cuya velocidad depende de la
concentración de los reactivos elevada a la primera potencia.
(1 y 6)
La velocidad es : velocidad = - Δ[A] / Δt , a partir de la ley de la velocidad,
también se sabe que: velocidad = k[A]
Igualando estas ecuaciones se tiene: - Δ[A] = k[A], que no lleva a d[A] = k[A].
Δt
dt
Al integrar la última ecuación se llega a: ln[A]t = -kt
ln[A]o
ln[A]t =- kt + ln[A]o
Donde [A]t y[A]o son las concentraciones de A a los tiempos t=0 y t=t,
respectivamente. Ésta última ecuación tiene la forma de la ecuación de una recta, y = mx + b
3
Una reacción de primer orden se caracteriza por la disminución de concentración del reactivo
con el tiempo. Y en la gráfica de ln[A]o contra t, la pendiente de la línea es igual a –k.
(1)
Reacciones de Segundo Orden
Una reacción de segundo orden es una reacción cuya velocidad depende de
la concentración de uno de los reactivos, elevada a la segunda potecia, o de la
concentración de dos reactivos diferentes, cada uno elevado a la primera
potencia. El tipo más sencillo comprende sólo una clase de molécula como
reactivo: A
producto, donde velocidad = k[A]2
Otro tipo de reacción de segundo orden es A + B
producto, donde
velocidad = k [A][B].
Mediante el cálculo se puede obtener : 1 = kt + 1
[A]t
[A]0
La vida media de una reacción de segundo orden es inversamente proporcional
a la concentración inicial del reactivo.
(1)
Reacciones de Orden Cero
Las reacciones de orden cero son poco comunes, para una reacción de
orden cero la ley de velodidad está dada por: velocidad = k[A]o = k
Por lo tanto la velocidad de una reacción de orden cero es constante,
independiente de la concentración de los reactivos. Mediante el cálculo se
puede demostrar que:
[A]t = - kt +[A]0
4
Métodos para determinar los Ordenes de Reacción
Método gráfico: Se deben realizar los gráficos correspondientes y se debe observar cual se
ajusta a una recta.
Método de las velocidades iniciales: Se mide la vo en experimentos con la misma [B]o y
distintas [A]o. De un gráfico de log vo en función de log de [A]o, se obtiene el orden respecto de
A.
Método del aislamiento: Se fundamenta en aislar uno de los componentes, colocando los
demás en gran exceso. Se determina el orden de reacción con respecto a ese componente.
(7)
Factores que Afectan la Velocidad de Reacción
Todos los factores que provoquen un aumento del número de choques y de su eficacia,
favorecerán la velocidad de reacción. Como son:
Naturaleza de los reactivos.- Las reacciones que requieran la ruptura de enlaces en los
reactivos (moléculas intactas), serán más lentas que aquellas en las que los reactivos estén
parcialmente disgregados (disoluciones, reacciones entre iones).
(5)
Concentración de los reactivos.- El aumento en la concentración supone un incremento del nº
de choque y, por tanto, un aumento de los choques efectivos; es decir; a mayor concentración de
los reactivos, mayor velocidad de reacción
(5)
Superficie de contacto.- A mayor superficie de contacto, mayor velocidad de reacción. La
superficie de contacto determina el número de átomos y moléculas disponibles para la reacción. A
mayor tamaño de partícula, menor superficie de contacto para la misma cantidad de materia. (4)
Temperatura.- La velocidad de cualquier reacción aumenta con la temperatura.
Por una parte el aumento de temperatura supone aumentar la velocidad de las moléculas, y por
tanto el nº y eficacia de los choques.
Por otra, el aumento de temperatura provoca un aumento de la energía de las moléculas, es decir,
el nº de moléculas activadas.
(4 y 5)
Estado de agregación.- El estado de agregación es el estado en el que se encuentra la materia
y depende de sus características físicas y químicas. El estado de agregación que presenta mayor
velocidad de reacción es el gaseoso, seguido de las disoluciones y por último los sólidos.
(4)
Grado de división de los reactivos.- Cuanto más particulados estén los reactivos, mayor será la
probabilidad de contactos entre ellos, por lo que aumentará la velocidad de la reacción.
(5)
5
Presión En una reacción química, si existe una mayor presión en el sistema, ésta va a variar la
energía cinética de las moléculas. Entonces, si existe una mayor presión, la energía cinética de las
partículas va a disminuir y la reacción se va a volver más lenta. Excepto en los gases, que al
aumentar su presión aumenta también el movimiento de sus partículas y, por tanto, la velocidad
de reacción.
(2)
Presencia de catalizadores.- Un catalizador es una sustancia que modifica la velocidad de una
reacción sin entrar a formar parte de ella. Este fenómeno se denomina “catálisis”.
Desde el punto de vista energético la acción de los catalizadores es modificar la energía de
activación de una reacción. Un catalizador modifica la velocidad de reacción, pero no es capaz de
provocar una reacción que por sí sola no llegara a producirse.
Hay dos tipos de catalizadores:
Catalizadores positivos: disminuyen la energía de activación, provocan aumento de la velocidad de
reacción.
Catalizadores negativos o inhibidores: aumentan la energía de activación, provocan descenso de la
velocidad de reacción.
Todos los catalizadores son específicos, cada reacción tiene su propio catalizador, y bastan
pequeñísimas cantidades de él para activar a grandes masas de reactivos.
(5)
Conclusiones
1. La velocidad de una reacción química se da al existir cambio en la concentración de los
reactivos o productos respecto al tiempo.
2. La velocidad de una reacción no es constante, sino que varía continuamente a medida que la
concentración cambia.
3. La constante de velocidad k para una misma reacción cambia sólo con la temperatura.
4. Las variables que afectan el cálculo de la velocidad en la fórmula es la concentración de los
reactivos elevadas a las potencias apropiadas y también dependerá de la constante de
velocidad respectiva para la reacción.
5. Existen factores que afectan la velocidad de reacción como son los catalizadores, estado de
agregación, temperatura, entre otros. Estos factores influyen en la velocidad al aumentar o
disminuir la energía que poseen las moléculas.
6
Bibliografía
CHANG, Raymond; “Química”; Editorial McGraw Hill;
Novena Edición. 2007. México. Págs224 – 237, 240 – 242,
248, 254, 796-798
(1)
http://books.google.com/books?id=N0kLiQ-fnjgC&pg=PA313
&lpg=PA313&dq=velocidad+de+formacion&source=bl&ots=lflOw
_jSHM&sig=vrBcsVb429ElEQsP5e 8lMYvNN-M&hl=en&ei=JIy_Sv_
fE5Wd8Aal0om9AQ&sa=X&oi=book_result&ct=result&resnum=8#v=
snippet&q=velocidad%20de%20formaci%C3%B3n&f=false
(3)
http://es.wikipedia.org/wiki/Cin%C3%A9tica_qu%C3%ADmica
(2)
http://es.wikipedia.org/wiki/Velocidad_de_reacci%C3%B3n
(4)
http://www.elergonomista.com/quimica/q7.html
(5)
http://www.ffyb.uba.ar/fisicoqca/Cursada/S2005/08%20sem8.ppt
(7)
http://www.uv.es/baeza/cqtema3.html
(6)
Fecha de Consulta: Jueves, 24 de septiembre de2009, sábado, 26 de septiembre de 2009 y
domingo 27 de septiembre de 2009.
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