Cinética química

Química General e InorgánicaClase del 9 de mayo de 2005

Dr. Pablo Evelson

La cinética química es el área de la química que estudia la rapidez o

velocidad con que ocurre una reacción.

Cinética químicaCinética química

La velocidad de reacción depende de :

1- La concentración de reactivo.

2- La temperatura.

3- Catalizadores.

4- Área superficial (si los reactivos o los catalizadores son sólidos o líquidos).

La velocidad de reacción es el cambio en la

concentración de un reactivo o de un producto con

respecto al tiempo.

Velocidad de una reacciónVelocidad de una reacción

A B

Reactivos Productos

velocidad = - =[A]t

[B]t

Con

cen

trac

ión

mol

ar d

e p

rod

uct

o

Tiempo

Tangente

concentración

Velocidad de una reacción y su relación con la Velocidad de una reacción y su relación con la estequiometríaestequiometría

2HI (g) H2(g) + I2 (g)

velocidad = - = =[HI]t

[H2]

t

12

[I2]

t

Ecuación de velocidadEcuación de velocidad

+ = orden de reacción

velocidad = k . [A] [B]

k = constante de velocidad específica

Estudio de la ecuación de velocidad:Estudio de la ecuación de velocidad:ResumenResumen

Las ecuaciones de velocidad siempre se determinan experimentalmente.

El orden de una reacción siempre se determina en función de las concentraciones de los reactivos (y no de los productos).

El orden de un reactivo no está relacionado con el coeficiente estequiométrico del reactivo en la ecuación global balanceada.

Ecuación de velocidad:Ecuación de velocidad:¿Que información me brinda?¿Que información me brinda?

Determinar la concentración de reactivos en cualquier tiempo de reacción.

El tiempo para que reaccione una fracción de muestra.

El tiempo necesario para que la concentración de reactivos alcance un nivel esperado.

Cinética de primer ordenCinética de primer orden

2 N2O5 4 NO2 + O2

Ecuación de velocidad: v = k [N2O5] = 1

(A producto)

Vel

oci

dad

Tiempo

a

b

c

d

e

Velocidad c

Reacción de primer ordenReacción de primer orden

v = k [N2O5]1

Vel

oci

dad

Concentración

a b c d e

a

b

c

d

e

Velocidad c

k pequeña

k grande

Tiempo

Con

cen

trac

ión

mol

ar d

e re

acti

vo, [

A]

ln [N2O5]t = ln [N2O5]0 - k . t

k = tiempo-1 (s-1)

Reacción de primer ordenReacción de primer orden

2 N2O5 4 NO2 + O2

A

B

5 10 150

0,0

0,1

0,2

Tiempo (s)

ln [

A]

Reacción de primer ordenReacción de primer orden

m = -k

Vida mediaVida media

La vida media de una reacción es el tiempo necesario para que la concentración de un reactivo descienda a la

mitad del valor inicial.

[N2O5]t1/2 = 1 [N2O5]0

[ A]0 ½[ A]0

= k .t ½ ln t ½ =

ln 2 k

2

Con

cen

trac

ión

mol

ar d

e re

acti

vo, [

A] k pequeña

k grande

Tiempo

[A]0

t½ corto

t½ largo

Con

cen

trac

ión

mol

ar d

e re

acti

vo, [

A]

Tiempo

Cinética de segundo ordenCinética de segundo orden

Ecuación de velocidad: v = k [A]

A producto

Unidades = M-1 x s-1

A + B producto

Ecuación de velocidad: v = k [A] [B]

1 = 1 + k . t[A [Ao

Tiempo, t

Pendiente = k

Reacciones de orden ceroReacciones de orden cero

2NH3 (g) N2 (g) + 3 H2 (g)

v= k [reactivo]0 = k

Vel

oci

dad

Concentración

Co

nce

ntr

a ció

n

Tiempo

Reacciones de orden ceroReacciones de orden cero

t1/2= [NH3]0/ k

2NH3 (g) N2 (g) + 3 H2 (g)

[ NH3 ]t = [NH3 ]0 - k. t

k = M s-1

Reacciones de orden ceroReacciones de orden cero

Orden Ecuación de velocidad

Ecuación integrada

Vida media

0 v = k . [Ao [A = [Ao –k t [Ao /k

1 v = k . [A 1 ln [A = ln[Ao - k.t

ln 2/k

2 v = k . [A 2 1 = 1 + k.t [A [Ao

1/ [Ao. k

Resumen

Dependencia de la velocidad de Dependencia de la velocidad de reacción con la temperaturareacción con la temperatura

Ea = energía de activación

A

B

3,1 3,2 3,33,0

- 9

- 8

- 7

1/T (1/K)

ln k

Ecuación empírica de Arrhenius

k= A . e -Ea/RT

ln k = ln A - Ea 1

R T

A= factor preexponencial

Caliente Frío

ln k

1 / Temperatura

Energía de activación baja

Energía de activación alta

Dependencia de la velocidad de Dependencia de la velocidad de reacción con la temperaturareacción con la temperatura

Ea > 60 kJ/ mol la reacción depende fuertemente de la temperatura.

Ea 10 kJ/ mol la reacción depende ligeramente de la temperatura.

Efecto de la temperatura

Progreso de la reacción Progreso de la reacción

En

ergí

a po

tenc

ial

Ene

rgía

pot

enci

al

En

doté

rmic

a

Exo

térm

ica

Responde más a la temperatura

Responde más a la temperatura

Ea (

dir

ecta

) Ea (

inve

rsa)

Ea (

inve

rsa)E

a (di

rect

a)

Catalizadores

Un catalizador aumenta la velocidad directa e

inversa de una reacción

Progreso de la reacción

En

ergí

a po

tenc

ial

Reactivos

Productos

Camino original

Ea del camino catalizado

Camino catalizado

Catalizadores: clasificaciónCatalizadores: clasificación

2 H2O2 H2O + O2

Fe2+

Homogéneo: se encuentra en la misma fase que los reactivos.

Heterogéneo: se encuentra en una fase diferente a los reactivos. Por ejemplo, sólidos en contacto con gases.

C2H4 + H2 C2H6

Pt

Mecanismos de reacciónMecanismos de reacción

El proceso por el cual se lleva a cabo una reacción se denomina mecanismo de reacción.

Cada paso del mecanismo de reacción reacción elemental

NO + O3 NO2 + O2

Molecularidad: número de moléculas que participan como reactivo en la reacción elemental.

v = k2 [NO2]2 [CO]1

En el caso en que ocurra en más de una etapa, debemos considerar la velocidad de la reacción de la

etapa más lenta.

NO2 + CO NO + CO2

NO2 + NO2 NO3 + NO

NO3 + CO NO2 + CO2

(rápida)

(lenta)

Para la reacción global:

Procede en dos etapas:

Entonces:

k1

k2

Reactivos Intermediarios Productos

Rápida

Lenta

Perfil de la reacción

Paso determinante de la velocidad

Preguntas tipo

44. a) Describa una reacción química en fase gaseosa. Use como ejemplo la reacción de formación de HCl a partir de H2 y Cl2. Mencione los conceptos de choque molecular y formación de uniones químicas.b) ¿Qué es una reacción elemental?

46. Escriba las ecuaciones de velocidad de reacción en función de la concentración de cada reactivo para cada una de las siguientes reacciones en fase gaseosa y en el sentido indicado por las flechas:a) H2 + Cl2 2 HClb) 2 SO2 + O2 2 SO3

c) N2 + 3 H2 2 NH3

47. Dibuje el diagrama de energía en función del grado de avance de la siguiente reacción e indique en el mismo la energía de activación. Marque cómo se modificaría el diagrama en presencia de un catalizador y cómo se afecta la velocidad de la reacción

FeN2(g) + 3H2(g) 2 NH3(g)

• Atkins P.W, Jones L. Química . 3ra edición. Ed Omega. 1999.

Capítulo 18.• Chang R. Química. Ed. MacGraw Hill.1998.

Capítulo 13.

Consultas: pevelson@ffyb.uba.ar (Pablo Evelson)

BibliografíaBibliografía