CINÉTICA QUÍMICA I

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CINÉTICA QUÍMICA I Unidad Nº 1 de Química Electivo TEMAS 1. Cinética Química 2. Orden Parcial de reacción 3. Factores que influyen en la velocidad de reacción 4. Concentración de los reactivos 5. Estado físico de las sustancias 1. Cinética Química La cinética química es el campo de la química que se ocupa del estudio de la velocidad de las reacciones químicas y de los factores que influyen en esa velocidad. Su importancia es muy amplia, ya que se relaciona con temas tan diversos como la rapidez con que actúa un medicamento o el descubrimiento de catalizadores para la síntesis de nuevos materiales y compuestos. Velocidades de reacción Se define la velocidad de una reacción química como la cantidad de sustancia formada (si tomamos como referencia un producto) o transformada (si tomamos como referencia un reactivo) por unidad de tiempo. En general, debemos decir que la velocidad de una reacción no es constante. Al principio, cuando la concentración de reactivos es mayor, también es mayor la probabilidad de que se produzcan choques entre las moléculas de reactante, y la velocidad es mayor. Sin embargo, a medida que la reacción avanza, al ir disminuyendo la concentración de los reactantes, disminuye la probabilidad de choques y con ella la velocidad de la reacción. Por otra parte, debemos recordar que la velocidad de las reacciones químicas abarca escalas de tiempo muy amplias. Por ejemplo, una explosión puede ocurrir en menos de un segundo, la cocción de un alimento puede tardar minutos u horas, la corrosión puede tomar años y la formación de petróleo puede tardar millones de años. La medida de la velocidad de reacción implica la medida de la concentración de uno de los reactantes o productos a lo largo del tiempo, esto es, para medir la velocidad de una reacción necesitamos medir la cantidad de reactante que desaparece por unidad de tiempo, o la cantidad de producto que aparece por unidad de tiempo. La velocidad de reacción se mide en unidades de concentración/tiempo, esto es, en moles/s. Velocidad media de aparición del producto En una reacción, la velocidad media está dada por la variación de la concentración de una especie química con respecto al tiempo. De este modo, se tiene la siguiente relación: v = k d[X] / d T En general, la velocidad de aparición del producto es igual a la velocidad de desaparición del reactante. Entonces, para la reacción: A ? B , donde A es el reactante y B el producto, la velocidad se puede expresar según: vreactante = k d [A] / d T                   vproducto = k d [B] / d T donde k es una constante de proporcionalidad, los corchetes denotan la concentración de cada una de las especies y T representa el tiempo de desaparición de reactante o de aparición de producto. Hagamos un resumen sobre los componentes de una “Ecuación de velocidad”: La velocidad depende de las concentraciones de los reactivos. En una reacción dada: a Ax + b By ? c Cz + d Dw v= kx[A]nx[B]m A y B son los reactivos o reactantes. a, b, c, d son los coeficientes estequiométricos. C y D son los productos. x, y, z, w representan el estado físico en que se encuentran las sustancias, sean reactantes o productos. “m” y “n” se determinan experimentalmente, por lo tanto, no siempre coinciden con los coeficientes estequiométricos “a” y “b”. “k” corresponde a la constante de velocidad |Regresar a Temas| 2. Orden Parcial de reacción En la expresión: v = k [A]n x [B]m se llama orden parcial de reacción a cada uno de los exponentes que aparecen en dicha expresión de velocidad. Entonces, la reacción es de orden “n” con respecto a A y de orden “m” con respecto a B. Veamos algunos ejemplos: Para la reacción H2 (g) + I2 (g) ? 2 HI (g) la ecuación de velocidad está dada por: v = k x [H2] x [I2] Como el exponente de [H2] es 1, concluimos que la reacción es de primer orden respecto del H2. Lo mismo ocurre con [I2]. Para la reacción N2 (g) + 3H2 (g) ? 2NH3 (g) la ecuación de la velocidad está dada por: v = k x [N2] x [H2]3 En este caso, concluimos que la reacción es de primer orden respecto del N2 y de tercer orden respecto al H2. |Regresar a Temas| 3. Factores que influyen en la velocidad de reacción Temperatura La constante de velocidad y, por tanto, la velocidad de una reacción aumenta si aumenta la temperatura, porque la fracción de moléculas que sobrepasan la energía de activación es mayor. En T2 hay un mayor porcentaje de moléculas con energía suficiente para producir la reacción (área sombreada) que a T1. |Regresar a Temas| 4. Concentración de los reactivos En general, al aumentar la concentración de los reactantes se produce con mayor facilidad el choque entre moléculas, por lo tanto, aumenta la velocidad de reacción. (Insertar imagen animada) Catalizadores Son sustancias que participan en la reacción, pero que no se consumen. Su principal característica es disminuir la energía de activación en la reacción, logrando disminuir el tiempo en que transcurre dicha reacción. |Regresar a Temas| 5. Estado físico de las sustancias Se sabe que las reacciones son más rápidas cuando los reactantes se encuentran en estado gaseoso, puesto que las moléculas de gas pueden interactuar con gran facilidad. Ahora bien, en las reacciones heterogéneas, es decir, cuando los reactivos se encuentran en fases o estados distintos, la velocidad dependerá de la superficie de contacto entre ambas fases, siendo mayor cuanto mayor es el grado de pulverización. En consecuencia, mientras mayor sea el grado de división de la especie participante, su área de contacto será mayor al igual que su velocidad. Equilibrio químico Cuando tenemos una reacción química en donde hay reactantes y luego productos, se puede establecer un equilibrio entre ellos. Esto se logra cuando la formación de productos es igual a la desaparición de reactantes. Durante la primera etapa, habrá sólo formación de productos para dar luego paso a la existencia de productos en conjunto con reactantes. El equilibrio químico se establece en este momento. Por lo tanto, el equilibrio químico tendrá sentido sólo cuando en la reacción química pueda establecerse una relación entre reactantes y productos. Si una reacción ocurre con una marcada tendencia hacia los productos, el equilibrio será en un solo instante. Luego, el equilibrio debe tener una duración bastante notoria como para lograr advertir que efectivamente se establece. En general, un equilibrio químico es mejor apreciado cuando la reacción ocurre en fase líquida o en fase gaseosa. Ahora bien, si hubiera un componente sólido en el proceso, se hará el supuesto de que éste no participa, por lo tanto, es constante. Veamos un ejemplo con la siguiente reacción: H2 + I2 ? 2 HI Podemos observar que a medida que transcurre la reacción, tanto las moléculas de hidrógeno (H2) como las de yodo (I2) empiezan a reaccionar entre ellas, siguiendo una cinética determinada para dar ácido yodhídrico (HI) como producto. ¿Cuándo se alcanza el equilibrio químico? Podemos decir que una reacción, del tipo reversible, alcanza el equilibrio químico cuando la velocidad de la reacción directa, es decir, desde reactantes hacia productos, es igual a la velocidad de la reacción inversa (desde productos a reactantes). Así, en la siguiente reacció: tenemos que: a A + b B ? c C + d D la velocidad directa de la reacción es: vd = kd [A ]a [B ]b la velocidad inversa de la reacción es: vi = ki [C ]c [D ]d Entonces, el equilibrio se establece cuando vd = vi entonces, kd [A ]a [B ]b = ki [C ]c [D ]d Al reordenar los términos, tenemos:   ki        [C ]c [D ]d    ____  =  ____________  kd         [A ]a [B ]b    Con lo que queda establecida la constante del equilibrio ki/kd, la que se conoce comúnmente como Keq. Por lo tanto, la constante de equilibrio corresponde al cuociente entre productos y reactantes, cada uno elevado a su respectivo coeficiente estequiométrico. Equilibrio en fase líquida Cuando las especies en juego, reactantes y/o productos, están en estado líquido, la constante de equilibrio se expresa a través de las concentraciones molares de éstos. Por ejemplo, para la siguiente reacción: 2 H2(g) + O2(g) ? 2 H2O(l) la constante de equilibrio será:           [H2O] 2 Kc = __________          [H2] 2 [O2] Equilibrio en fase gas Cuando las especies en juego, reactantes y/o productos, están en estado gaseoso, la constante de equilibrio se expresa a través de las presiones parciales de éstos. Por ejemplo, para la reacción anterior, la constante del equilibrio quedará expresada como:          p2 (H2O) Kp = ___________          p2 H2 p O2 |Regresar a Temas|

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Última modificación: viernes, 14 de noviembre de 2008, 14:44

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