Cinética Química

Velocidad de Reacción

• A. Velocidad de reacción

• B. Naturaleza química y física de los reactivos.

• Perfil de una reacción química

• Ley de velocidad.

A. Velocidad de reacción

La cinética química es la rama de la Química queestudia la velocidad de las reacciones químicas.Rama muy importante, pues gracias a ella esfactible por ejemplo, predecir la velocidad con laque actuará un medicamento, analizar ladestrucción de la capa de ozono e inclusodeterminar cada cuánto tiempo es necesaria la

restauración de estatuas metálicas, que sufrenlos efectos de la contaminación y la lluvia ácida.

• La velocidad de reacción ( v ) , se define, como el cambio en la concentración molar ( M ) de un reactante o producto por unidad de tiempo en segundos ( s ) .

• Cuando la concentración de reactivos es mayor, también es mayor la probabilidad de que se produzcan choques entre las moléculas de los reactivos, lo que genera la ruptura de los enlaces de los reactivos y permite la formación de los nuevos enlaces correspondientes a los productos.

• A medida que la reacción avanza, vadisminuyendo la concentración de los reactivosy aumentando la de los productos (que seforman).

• Así, la velocidad de la reacción estarádirectamente asociada a:

• La cantidad de reactivo que “reacciona” enuna unidad de tiempo, o

• la cantidad de producto que “se forma” enuna unidad de tiempo.

• Para ampliar este ejemplo a todas las reaccionesquímicas, utilizaremos la siguiente ecuacióngeneral:

A  →  B

• Para este mecanismo, entenderemos que losreactivos representados por A deben colisionarefectivamente para que se obtengan los

productos representados como B, y en la medida

en que los A disminuyan, los B aumentarán.

• En síntesis:

• Velocidad promedio =𝑉𝑎𝑟𝑖𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑐𝑜𝑛𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛

𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑇𝑟𝑎𝑛𝑠𝑐𝑢𝑟𝑟𝑖𝑑𝑜

• La situación descrita se presenta en el siguiente diagrama . Observa que la concentración de los reactivos, simbolizada por la línea azul, va en

constante disminución en el tiempo; en cambio,

la de color naranja, que representa a los

productos, aumenta a medida que transcurre el

tiempo.

• Como se ha mencionado con anterioridad, lavelocidad de reacción se determinaexperimentalmente gracias a lo cual esfactible determinar velocidad promedio adiferentes intervalos de tiempo así como la

velocidad global de la reacción.

Actividad 1.

• Si la concentración de un reactivo A decrece de 0,1 mol/L a 0,083 Mol/L en 10,6 min determinar la velocidad de reacción para ese intervalo.

Actividad 2

• La reacción representada por la expresión

A  → B + C donde A es una solución de concentración 0,10 M es sometida a prueba experimental,

obteniéndose los siguientes datos experimentales:

• A partir de los datos experimentales es posiblecalcular la velocidad promedio. Apliquemos laexpresión para los primeros 200 segundostranscurridos a intervalos de 50 seg.

• Observa atentamente los valores obtenidos paracada intervalo.

• ¿Qué puedes decir de dichos valores? ¿Qué indicaque la concentración del reactivo [A] en el primerintervalo sea mayor que el del segundo?

• Este método nos da la velocidad promedio e la reacción .

• Ahora bien, la velocidad instantánea de una reacción química (velocidad en cualquier punto del tiempo) se puede determinar dibujando una tangente a la gráfica de concentración en función del tiempo, considerando que ésta (velocidad instantánea) es igual al valor de la pendiente de la gráfica.

Continuemos analizando el mismo ejemplo. Observa atentamente el

gráfico que muestra la relación entre la concentración de A y el tiempo

transcurrido.

B. Naturaleza química y física de los reactantes

Teoría, desarrollada por Lewis y otros químicosen la década de 1920, explica claramente y anivel molecular cómo y por qué transcurre unareacción química, y más aún, por qué elaumento de la concentración y otros factores,como la temperatura, el estado de disgregacióne incluso la presión para las especies gaseosas,afectan la velocidad de la reacción, al aumentarla energía cinética y la probabilidad de choquesefectivos entre las moléculas.

El modelo de las colisiones, señala:

1. Las moléculas de losreactantes deben tener energíasuficiente para que puedaocurrir el rompimiento deenlaces, un reordenamiento de

los átomos y luego la formaciónde los productos; de locontrario, las moléculascolisionan pero rebotan unascon otras, sin formar losproductos.

2. Los choques entre las moléculas deben efectuarse con la debida orientación en los reactantes.

En síntesis, existen dos factores fundamentales para que ocurran los choques efectivos que darán origen a una nueva sustancia:

• la orientación de las moléculas y la

• energía de activación.

C. Perfil de una reacción

Los perfiles de reacción química corresponden aun diagrama que permiten comprenderfácilmente el desarrollo de una reacciónquímica, pues describe cómo se comporta laenergía en una reacción.

Observa atentamente los siguientes perfiles de reacción.

• ¿Qué información te proporciona cada uno de ellos?, ¿cuál de las reacciones tiene la energía de activación más alta y cuál es la más baja?, ¿cuál se las reacciones es la más rápida y cuál la más lenta?, ¿por qué?

Tipos de reacciones

a) Reacciones Irreversibles

• En este tipo de reacciones, los reactivos se consumen completamente para transformarse en productos de características y composición diferente a los reactivos iniciales.

Algunos ejemplos de reacciones irreversibles son:

La reacción de una tableta efervescente con agua transcurre hasta que la tableta desaparece del medio, liberando como uno de los productos finales un gas dióxido de carbono al ambiente.

La reacción entre el ácido clorhídrico o clorurode hidrógeno ( HCl ) y el cinc ( Zn ) donde seproduce la disolución del cinc en medio delácido para generar como productos un gas .

La reacción de combustión de la madera finalizacuando el trozo de madera desaparececompletamente, para generar cenizas y gases

como productos de la reacción.

b) reacciones reversibles

A diferencia de las reacciones irreversibles, en este tipo de reacciones la transformación de reactantes en productos es parcial, pudiendo los

productos volver a generar los reactantes. Por ende, una reacción reversible ocurre en ambos sentidos; es decir, la velocidad de reacción

neta es la diferencia entre la velocidad directa y la indirecta.

• Para representar un proceso reversible, en las ecuaciones se dispone de dos flechas, una que apunta a los reactantes, y otra que apunta a los productos, como muestra el siguiente mecanismo general:

D. Ley de velocidad

• Se ha demostrado experimentalmente que la velocidad de reacción es proporcional al producto de la concentración de las sustancias reaccionantes y se puede expresar de la siguiente forma para una reacción hipotética .

• aA + bB → cC + dD

• Vreacc. = K[A]𝑥 . [B]𝑦

• V= velocidad

• K= constante de velocidad

• [A]= [B] Concentración molar de los reactivos.

• X e y = orden de la reacción respecto del reactivo A y B respectivamente.

• X + Y = orden de reacción.

• El valor de X e Y se determina experimentalmente y no tiene relación con los coeficientes estequiométricos , aunque a veces pueden coincidir.

• Si X=1; la reacción es de 1er orden respecto del reactivo A.

• Si X=0 la velocidad de reacción es independiente de la concentración.

Orden de reacción.

• Orden cero= si la velocidad no depende de la concentración.

• Primer Orden= (en relación a un reactante)si se duplica la concentración del reactante y la velocidad también duplica su valor.

• Segundo Orden= si se duplica la concentración del reactivo y la velocidad se cuadruplica.

Ejemplo:

• Para la reacción:

• aA + bB + cC → Productos.

• Escriba la expresión de velocidad para cada uno de los siguientes casos:

• a) La reacción fuera de orden cero.

• b) La reacción es de primer orden respecto de todos los reactivos.

• c) la reacción es de primer orden respecto de reactivos A y B, pero independiente de C.

• Para una determinada reacción representada por R→ P ; se han obtenidos los siguientes datos experimentales:

Exp. [ R] mol/L V Mol/L.s

1 0,03 0,022

2 0,04 0,028

3 0,05 0,033

4 0,06 0,088

Escriba la expresión de velocidad.

Ejercicios

• Una reacción entre un reactivo A y B muestra los siguientes datos de velocidad cuando se estudia su concentración.

Exp [A ] Mol/L [B ] Mol/L V M/s

1 0,1 0,1 4x10-4

2 0,2 0,1 1,6x10-3

3 0,5 0,1 1x10-2

4 0,5 0,5 1x10-2

Determinar.

• Ecuación de velocidad

• Constante de velocidad

• Velocidad cuando [A ]= 0,17 mol/L, [B ]= 1,07 mol/L

A partir de la siguiente reacción

• 2NO(g) + H2(g) → N2O(g) + H2O(g)

• Se obtiene l siguiente información:

Exp [NO ] Mol/L [H2 ] Mol/L V M/s

1 0,01 0,02 1,1x10-6

2 0,02 0,02 4,3x10-6

3 0,02 0,04 8,5x10-6

• Determine el orden parcial de la reacción respecto a cada reactivo.

• Orden total de la reacción

• Constante de velocidad