2º BACHILLERATO CINETICA QUÍMICA

Transcripción

1 VELOCIDAD DE REACCIÓN 1.- Escrib la xprsión d la vlocidad d racción n función d la concntración d cada una d las spcis qu intrvinn n l procso d obtnción d amoniaco. N + 3 H NH 3 d 1 v = [N] = 3 d 1 [H] = d [NH3] LA(J-0).- En la racción NO + H N + H O, a 1100 K, s obtuviron los siguints datos: [NO]inicia [H ]inicia Vlocidad inicial l l 0,005 0, ,015 0, ,015 0,010 3, Calcula los ordns parcials y l ordn total d la racción y la constant d vlocidad. Sol.: α = 1; β = 1; α + β = ; K =,4 : La cuación d vlocidad para la racción dada srá: v = K [H ] α [NO] β Dond "α" y "β" son los órdns parcials d la racción, qu sólo pudn dtrminars xprimntalmnt; para llo s rcurr a los datos d la tabla: S plantan las cuacions d vlocidad para dos casos n los qu la concntración d uno d los ractivos sa la misma, dtrminando l ordn parcial dl otro ractivo: Fijamos la concntración d H = K (0,005) α (0,005) β = K (0,015) α (0,005) β Dividindo ambas xprsions, s tin: D dond: α = 1 α 1 1 = 3 3 Lo mismo s hac para avriguar l valor d "β": Fijamos la concntración d NO = K (0,015) α (0,005) β 3, = K (0,015) α (0,010) β Dividindo ambas xprsions, s tin: β 1 1 = 4 4 Por lo tanto: β = 1 Lugo: Ordn total: α + β = Y ahora la K s halla con cualquira d las trs cuacions d vlocidad: Página 1 d 10

2 = K (0,015) (0,005) K =,4 3 LA(J-03).- Dada la racción química; a A + b B c C + d D; prsnt una xprsión para su cuación d vlocidad y dfina los órdns d racción total y parcial. Sol.: v = k [A] α [B] β : La cuación d vlocidad incluy l producto d una constant (k) por las concntracions d los ractivos, lvadas a unos xponnts, llamados órdns d racción (uno por ractivo), qu sólo pudn hallars d forma xprimntal. Sría, para l caso dado: v = k [A] α [B] β Órdns parcials: xponnts d los ractivos, qu no tinn porqué coincidir con los coficints stquiométricos: α y β. Ordn total = α + β. 4.- Para una dtrminada racción gnral, A productos, s han obtnido los siguints datos. Calcula a) El ordn d racción b) El valor d la constant d vlocidad. Sol.: a) α = ; b) k = 0,01 Exprimnt [A] v 0 (mol L -1 s-1 ) o (mol/l) 1 0,0 4, ,03 1, ,05 3, a) La cuación cinética s: v = k [A] α Para calcular l ordn, α, scojamos dos xprimntos cualsquira, por jmplo l y l 3 1, = k (0,03) α 3, = k (0,05) α dividindo stas xprsions α 9 3 = 5 5 α = b) Utilizando cualquira d los xprimntos, por jmplo l 1 4, = k (0,0) k = 0,01 5 L(S-05).- Para la racción n fas gasosa CO + NO CO + NO la cuación d vlocidad s v = k [NO ]. Justifiqu si son vrdadras o falsas las siguints afirmacions: (a) La vlocidad d dsaparición dl CO s igual qu la vlocidad d dsaparición dl NO. (b) La constant d vlocidad no dpnd d la tmpratura porqu la racción s produc n fas gasosa. (c) El ordn total d la racción s dos. (d) Las unidads d la constant d vlocidad srán mol L 1 s 1. Sol.: a) V; b) F; c) V; d) F. Página d 10

3 : a) Vrdadro. En una racción química como aa + bb cc + dd, s cumpl qu: 1 d[ A] 1 d[ B] = a b 1 d[ C] = c 1 d[ D] = d sindo: d [ A ] la vlocidad d dsaparición d A, qu podmos dnominar v A d [ B ] la vlocidad d dsaparición d B, qu podmos dnominar v B d[ C] la vlocidad d aparición d C, qu podmos dnominar v C d[ D] la vlocidad d aparición d D, qu podmos dnominar v D con lo cual, para la racción qu nos ocupa, tnindo n cunta qu a = b = c = d = 1, podmos scribir: v CO = v NO = v CO = v NO b) FALSO. La constant d la vlocidad dpnd d la tmpratura para cualquir stado d agrgación d las sustancias raccionants (sólido, líquido o gasoso), sgún la cuación: E k = A RT (cuación d Arrhnius) sindo R la constant d los gass, T la tmpratura absoluta y A una constant llamada factor d frcuncia, constant qu stá rlacionada dirctamnt con l númro d choqus ntr las partículas qu raccionan. c) VERDADERO. El ordn total d una racción s dfin como la suma d los xponnts a los qu stán lvadas las concntracions d los ractivos n la cuación d vlocidad. En st caso, dicha suma val. d) Falso. Las unidads d la constant dpndn dl valor d los ordns parcials d cada racción. 6 L(J-07).- La vlocidad d la racción A + B C n fas gasosa solo dpnd d la tmpratura y d la concntración d A, d tal manra qu si s duplica la concntración d A la vlocidad d racción también s duplica. a) Justifiqu para qué ractivo cambia más dprisa la concntración. b) Indiqu los órdns parcials rspcto d A y B y scriba la cuación cinética. c) Indiqu las unidads d la vlocidad d racción y d la constant cinética. d) Justifiqu cómo afcta a la vlocidad d racción una disminución d volumn a tmpratura constant. d [ A ] d [ B ] a) Las vlocidads d dsaparición d los ractivos son: v A = y v B = d [ A ] 1 d[ B] = 1 v A = vb v B = v A El ractivo B cambia más dprisa (l dobl d vlocidad) qu l A b) La cuación cinética al dpndr solo d la concntración d A s: v = k [A] α. Como El ordn d B srá cro. El d A s obtin d la condición d qu al duplicar su concntración s duplica la vlocidad. Página 3 d 10

4 La cuación quda como v [ ] v = A [ A] α α 1 1 = v = k [A] α = 1 c) Las unidads d la vlocidad son mol y por tanto las d la constant srán L s mol mol = k k n s 1 L s L d) A tmpratura constant la k no varía. Una disminución d volumn produc un aumnto d la concntración d A lo qu aumntaría la vlocidad d la racción. 7 L(S-07).- La racción X + Y X Y tin ordns d racción y 1 rspcto a los ractivos X Y, rspctivamnt. a) Cuál s l ordn total d la racción? Escriba la cuación vlocidad dl procso. b) Qué rlación xist ntr la vlocidad d dsaparición d X y la d aparición d X Y? c) En qué unidads s pud xprsar la vlocidad d sta racción? Y la constant d vlocidad? d) D qué factor dpnd l valor d la constant d vlocidad d sta racción? Razon la rspusta. a) La cuación cinética s v = k [X] [Y] El ordn total s + 1 = 3 d [ X ] b) Las vlocidads d dsaparición d X y aparición d X Y son: v X = 1 d[ X ] = [ X Y ] d 1 vx = v XY v X = v XY y v XY = [ X Y ] d. Como c) Las unidads d la vlocidad son mol y por tanto las d la constant srán L s mol mol = k L s L mol L k n L mol d) La constant k, dpnd d la tmpratura y la nrgía d activación k = A E a R T s Página 4 d 10

5 ENERGÍA DE ACTIVACIÓN 1.- La nrgía d activación para la racción A + B C + D s 3 kj, y para su invrsa, 58 kj Cómo srá la racción dircta, xotérmica o ndotérmica? Suponindo qu la nrgía mdia d los productos s 30 kj cuál srá la d los ractivos? E (kj) La nrgía d activación d la invrsa s mayor qu la dircta sto indica qu la nrgía mdia d los productos stá por dbajo d la d los ractivos, por tanto, la racción dircta s xotérmica. Como s mustra n la figura la nrgía mdia d los ractivos srá: H r = ( ) 3 = 56 kj (d) = 3 kj (i) = 58 kj Ractivos Productos 30 kj timpo LA(S-0).- Una racción tin una constant d vlocidad qu s duplica cuando la tmpratura aumnta d 5 a 35 ºC. Cuál srá su nrgía d activación?. (R = 8,31 J / mol K) Sol.: Ea = 5860,41 J/mol : La xprsión qu rlaciona la constant d vlocidad con la tmpratura y la nrgía d activación s: K = A S scrib dicha xprsión para los dos casos dados: Ea Caso 1: K 1 = A 8,31 98 Ea Caso : K = A 8, E a R T S sab, admás, qu: K = K 1 Dividindo ambas xprsions 1 = + 476,38 559, 48 Tomando logaritmos nprianos a la xprsión 5 1,31110 E = a 0,693 = 1, = 5860,41 J/mol 3 LA(J-03).- Expliqu brvmnt l significado d los siguints concptos cinéticos: a) Vlocidad d racción b) Ecuación d vlocidad. c) Enrgía d activación. d) Ordn d racción. : a) La vlocidad d una racción química s mid como la variación d la concntración d ractivos o productos con l timpo. b) La cuación qu rlaciona las concntracions con la vlocidad, s dnomina cuación d vlocidad; no pud dtrminars a partir d la racción stquiométrica, solo xprimntalmnt. Página 5 d 10

6 c) La nrgía d activación s la mínima nrgía qu han d alcanzar las moléculas d los ractivos para transformars n l compljo activado (spci intrmdia), y trminar dando los productos. d) Los órdns d racción son los xponnts a qu stán lvadas las concntracions d las sustancias qu intrvinn n la racción n la cuación d vlocidad. Como ya s ha indicado, sólo pudn dtrminars xprimntalmnt. Página 6 d 10

7 FACTORES 1.- La racción d dscomposición dl NO n NO y O s d ordn. Escribir la cuación d la vlocidad d racción. Cuando s duplica la concntración d NO, cuánto aumntará la vlocidad d dscomposición? La racción s: La cuación d vlocidad s: Si duplicamos la concntración d NO NO NO + O v = k [NO ] v = k ( [NO ]) = 4 k [NO ] = 4 v La vlocidad s cuadruplica. L(J-00).- Los siguints datos dscribn 4 raccions químicas dl tipo A + B C + D Enrgía d activación G H (kj/mol) (kj/mol) (kj/mol) Racción I 1-0, Racción II 0,5 5-0,8 Racción III 0,7 0,7 0,6 Racción IV 1,5-0,5-0,3 S dsa sabr: (a) Cuál s la racción más rápida? (b) Cuál o cuals d stas raccions son spontánas? (c) Cuál s la racción más ndotérmica? (d) Qué valors d la tabla podrían modificars por la prsncia d un catalizador n cualquira d las situacions antriors? Justifica las rspustas. a) La racción mas rápida srá la qu tnga mnor nrgía d activación, s dcir, la II. b) Las raccions spontánas srán las qu tngan nrgía libr ( G) ngativa, s dcir, la I y la IV. c) Son ndotérmicas las qu tngan ntalpía positiva, s dcir, la I y la III. La mas ndotérmica s la III. d) Los catalizadors únicamnt afctan a la nrgía d activación, aumntándola o disminuyéndola sgún l tipo d catalizador qu sa. 3 LA(J-04).- Discuta l fcto d cuatro factors qu afctan a la vlocidad d una racción química sgún la Toría d Colisions. ; La toría d las colisions propon qu las raccions químicas s producn a partir d los choqus ntr: los átomos, las moléculas o los ions d los ractivos. La vlocidad d la racción dpndrá fundamntalmnt d: 1 a) La frcuncia con qu s producn los choqus por unidad d volumn. 3b) Qu l choqu s produzca n la orintación adcuada. Página 7 d 10

8 1c) Qu las spcis raccionants tngan la nrgía cinética suficint para qu s pudan rompr los nlacs. Esta nrgía mínima s dnomina nrgía d activación, Los cuatro factors qu influyn más significativamnt n la vlocidad una racción química sgún la toría d las colisions son: la concntración d los ractivos, l stado físico y l grado d división d los ractivos, la tmpratura y los catalizadors. 1.- Concntración d los ractivos. El númro d choqus ntr las spcis raccionants s proporcional a la concntración d los ractivos..- Estado físico y grado d división d los ractivos n las raccions htrogénas. La racción tin lugar n la suprfici d contacto ntr un sólido, líquido o gas. Por llo, la vlocidad d racción crc si aumnta la suprfici d contacto. Esto s consigu pulvrizando los ractivos (tanto sólidos como líquidos o gass) o ralizando (n l caso d los sólidos) la racción n disolución. 3.-Cambios d tmpratura. Al aumntar la tmpratura dl sistma: -Aumnta la nrgía cinética d las partículas. -Aumnta la nrgía cinética mdia. -Aumnta la población d partículas con una nrgía suprior a la nrgía d activación. 4.-Adición d un catalizador. Los catalizadors proporcionan un camino d racción con una mnor nrgía d activación d forma qu una mayor población d partículas colisionará d una manra ficaz. Los catalizadors no s consumn n la racción. 4 L(S-04).- La racción n fas gasosa A + B C + D s ndotérmica y su cuación cinética s v = k [A]. Justifiqu si las siguints afirmacions son vrdadras o falsas: (a) El ractivo A s consum más dprisa qu l B. (b) Un aumnto d la prsión total produc un aumnto d la vlocidad d racción. (c) Una vz iniciada la racción, la vlocidad d racción s constant si la tmpratura no varía. (d) Por sr ndotérmica, un aumnto d tmpratura disminuy la vlocidad d racción. Sol.: a) F; b) V; c) F; d) F. 1 d[ A] 1 d[ B] a) Falsa. La vlocidad d dsaparición d A y B s:, v = = a b La stquiomtría ntr A y B s d 1mol A : 1mol B, por lo qu a = b = 1 y la vlocidad d dsaparición s la misma. 1b) Vrdadra. Un aumnto d la prsión incrmnta l númro d choqus fctivos ntr las moléculas. 3c) Falsa. Eso sólo ocurr n las raccions d ordn cro y la xprsión d la vlocidad d racción indica qu sta s una racción d ordn con rspcto al ractivo A. Dbido a llo, a mdida qu dsaparc A, la vlocidad d racción disminuy y s, la tangnt a cada instant, d la curva d la variación d la concntración d A con rspcto al timpo. 4 5d) Falsa. Un aumnto d tmpratura produc un furt incrmnto d la proporción d moléculas con nrgías lvada. Como la vlocidad (v = k [A].) dpnd d la constant d racción y K dpnd d la tmpratura (K = A Ea/RT ), s obsrva qu un incrmnto d la tmpratura aumnta notablmnt la vlocidad d racción. D forma aproximada s pud dcir qu al aumntar 10 grados la tmpratura, la vlocidad d racción s duplica. 5 LA(J-04).- Dfina vlocidad, ordn y molcularidad d una racción química. Expliqu sus posibls difrncias para l caso: NO (g) + F (g) NO F(g) dond v = k [NO ] [F ] y justifiqu cómo s lograría aumntar más la rapidz d la racción si duplicando la cantidad inicial d dióxido d nitrógno o duplicando la cantidad inicial d flúor. Página 8 d 10

9 : En nustro jmplo, l ordn d racción s α + β = =. La molcularidad d una racción stá rlacionada con los mcanismos d racción. En una racción lmntal la molcularidad stá rlacionada con l númro total d spcis qu intrvinn como ractivos n la tapa lmntal. En nustro jmplo, como la cuación d vlocidad indica qu s un mcanismo por tapas y no s da información sobr los intrmdios d racción, no s pud dcir cual s la molcularidad. (b) D acurdo con la cuación d la vlocidad d racción la vlocidad d racción s aumntaría n l mismo grado duplicando la cantidad inicial d dióxido d nitrógno qu la cantidad inicial d flúor. 6 L(S-08).- Considrando l diagrama d nrgía qu s mustra, para la racción A B + C, contst razonadamnt a las siguints prguntas: a) Cuál pud sr la causa d la difrncia ntr la curva 1 y la? b) Para cuál d las dos curvas la racción transcurr a mayor vlocidad? c) Qué ls sucdrá a las constants d vlocidad d racción si s aumnta la tmpratura? d) La racción s xotérmica o ndotérmica? Enrgí a A H rac E a Curva 1 Curva Coordnada d racción B + C a) La causa s la prsncia d un catalizador qu modifica la nrgía d activación. b) La vlocidad s mayor n la curva cuya nrgía d activación s mnor. c) Las constants d vlocidad aumntan con la tmpratura sgún d) La racción s xotérmica ya qu H rac < 0 K = A E a R T 7 LE(J-10).- Una racción química dl tipo A(g) B(g) + C(g), tin a 5 ºC una constant cinética k = L mol 1 s 1. Contst razonadamnt a las siguints prguntas: a) Cuál s l ordn d la racción antrior? b) Cómo s modifica l valor d la constant k si la racción tin lugar a una tmpratura infrior? c) Por qué no coincid l ordn d la racción con la stquiomtría d la racción? d) Qué unidads tndría la constant cinética si la racción fura d ordn 1? a) En la racción dl tipo A(g) B(g) + C(g) La cuación d la vlocidad d la racción sría v = k[a] α dond α, n st caso, sría l ordn d la racción pdido. Dl análisis dimnsional d sta cuación podmos obtnr l ordn mol L 1 s 1 = Lmol 1 s 1 (mol L 1 ) α = mol α 1 L (α 1) s 1 comparando s obtin α 1 = 1 α = la racción s d ordn. b) La constant k, dpnd d la tmpratura sgún la cuación d Arrhnius n la forma A = factor d frcuncia k = A E a R T Página 9 d 10

10 R = constant d los gass idals T = Tmpratura = Enrgía d activación d forma qu si la tmpratura disminuy, constant k, también disminuy. R T aumnta y R T disminuy. En conscuncia la c) El ordn d la racción solo coincid con los coficints stquiométricos n l caso d las raccions lmntals, n conscuncia la racción propusta no s lmntal. d) Si α = 1 mol L 1 s 1 = [k] (mol L 1 ) [k] = s 1 Página 10 d 10