UNIVERSIDAD LIBRE FACULTAD DE INGENIERÌA DEPARTAMENTO DE CIENCIAS BÁSICAS GUIA DE CLASE No 1

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1 UNIVERSIDAD LIBRE FACULTAD DE INGENIERÌA DEPARTAMENTO DE CIENCIAS BÁSICAS GUIA DE CLASE No 1 NOMBRE DE LA ASIGNATURA: TÍTULO: DURACIÓN: BIBLIOGRAFÍA SUGERIDA QUIMICA INORGANICA CINÉTICA QUIMICA 2 SEMANAS WHITTEN, K. Química General. Cengage Learning. Octava Ed. Mexico, CHANG, R. Química. McGraw Hill. Décima Ed. China, ATKINS, P., JONES, L. Chemical Principles. Second Edition. W. H. Freeman and company. New York, COMPETENCIAS Comprende el concepto de cinética química. Identifica los diferentes factores que modifican la velocidad en una reacción dada. Determina y predice la cinética para una reacción en particular. CONCEPTUALIZACIÓN Las transformaciones químicas expresadas en términos del cambio de concentración de un reactivo o producto con respecto al tiempo se denomina velocidad de reacción, la cual junto con los factores que la afectan así como los mecanismos por los cuales se lleva a cabo una reacción constituyen el campo de estudio del área de la química que se conoce como cinética. Mecanismo de reacción es la secuencia de etapas o pasos a través de las cuales se completa una reacción. Cuando se mezclan dos compuestos hay un gran número de reacciones posibles, pero la o las que realmente se observan son aquellas reacciones que se realizan más rápidamente. Energía de Activación es la energía cinética que deben tener las moléculas para llegar al estado de transición. Estado de Transición es una especie intermedia de alta energía y corta vida (inestable) que se forma en una determinada reacción. Factores que afectan la Velocidad de Reacción: permiten controlar la velocidad de las reacciones en forma deseable y satisfactoria. Naturaleza y estado de los Reactivos: el estado físico de las sustancias así como la identidad química de elementos y compuestos modifican la velocidad de reacción. Concentración de los Reactivos: la adición de un reactivo puede alterar la velocidad de reacción aumentándola, disminuyéndola o puede que en otros casos no la afecte; este efecto sólo puede observarse en condiciones experimentales por tanto sola ecuación balanceada no permite predecir este efecto. En la siguiente gráfica se observa de forma general a medida aumenta la concentración de los productos, la de los reactivos va disminuyendo hasta alcanzar un punto de equilibrio. C O N C E N T R A C I O N T I E M P O PRODUCTOS REACTANTES

2 Temperatura: las reacciones pueden ser endo o exotérmicas; la adición de calor aumenta la energía cinética translacional promedio, produciendo un mayor número de choques que se traducen en incremento de la velocidad de reacción. Catalizador: se denomina como aquella sustancia que es capaz de alterar la velocidad de una reacción sin ser consumido, ya sea aumentándola o disminuyéndola, en este último caso el catalizador se conoce como inhibidor. R + C R C C + P R: Reactivos C: Catalizador RC: Complejo reactivos - catalizador P: Productos Según la estequiometría de la reacción 2H 2 O 2 2H 2 O + O 2, la concentración del peróxido de hidrógeno se reduce con la misma velocidad con que aparece el agua y la velocidad con que aparece el oxígeno es la mitad de la velocidad a la que desaparece el peróxido de hidrógeno y la mitad a la que aparece el agua. Puesto que la concentración del peróxido de hidrógeno disminuye, se representará con número negativo, mientras que las concentraciones de agua y oxígeno aumentan por tanto números serán positivos. Al suponer que la concentración del producto es [O 2 ] 1 en un tiempo t 1 y [O 2 ] 2 en un tiempo t 2, entonces el aumento en la concentración de O 2 por unidad de tiempo será por definición la velocidad de reacción: Al definir ahora la velocidad de reacción en términos de la concentración del reactivo, se tendrá: El signo negativo se emplea para que el valor numérico de la velocidad resulte positivo ya que necesariamente es negativo. LEY DE VELOCIDAD: expresión matemática que indica en qué forma la velocidad de una reacción depende de la concentración de los reactivos. Para la reacción 3A + 2B C + D la ley de velocidad se expresa como V=K [A] n [B] m donde n y m generalmente son números enteros, que corresponden al orden de reacción respecto a cada uno de los reactivos y la suma de n + m se llama orden global de la reacción. El valor de K corresponde a la constante de velocidad. LEY INTEGRADA DE VELOCIDAD: expresión matemática que permite determinar la concentración de un reactivo después de cierto tiempo. Tiempo de vida media (t 1/2 ): tiempo que tarda la mitad de un reactivo para convertirse en producto. A continuación se encuentran las expresiones matemáticas de las leyes antes mencionadas teniendo en cuenta algunos órdenes de reacción.

3 Cero Primero Segundo Ley de Velocidad V k V K [A] V k [A] Integrada Velocidad [A] [A] akt n [A] akt akt [A] [A] [A] [A] n Vida Media (t 1/2) t t t ak ak ak[a] a = coeficiente reactivo t = tiempo k = constante de velocidad [A] = concentración inicial [A]= concentración final Ejemplo 1: de la reacción A + B C se obtienen los siguientes datos experimentales: Experimento A (M) B (M) Velocidad (Mmin -1 ) x x x10-3 a) Escriba la fórmula de la velocidad de reacción y calcule el valor de K. b) Determine el valor de V inicial si las concentraciones de partida A y B fueran 0.5 M? a) La expresión de la ley de velocidad para la reacción A + B C es inicialmente se puede expresar como V = K [A] x [B] y, donde para hallar el valor numérico de y, es necesario tomar los experimentos 1 y 3, reemplazar en la ley de velocidad y dividir: Ahora para hallar x, tomar experimentos 2 y 3. Nota: La velocidad de reacción no depende de la concentración de A, así que la ley de velocidad para la reacción es. Ahora para hallar el valor de b) Ejemplo 2: para la reacción A (g) B (g) se obtienen los siguientes datos experimentales:

4 Experimento A (M) Velocidad (Mseg -1 ) a) Determine el orden de reacción y constante de velocidad. b) Cuál sería la velocidad de reacción para una concentración de A=0.24 mol/l? a) [ ] [ ] ( ) b) c) Ejemplo 3: para una reacción en que A (g) Prod. La velocidad es Mmin -1, cuando la concentración de A = 0.4 M cuál será la velocidad de reacción cuando la concentración de A = 1M, si la reacción es: a) Orden cero en A b) Primer orden en A c) Segundo orden en A a) b) ( ) c) ( ) Ejemplo 4: La conversión de ciclopropano a propeno en fase gaseosa es una reacción de primer orden, con una constante de velocidad de 6.7 x10-4 s -1 a 500 C. a) Si la concentración inicial del ciclopropano fue de 0.25M cuál será su concentración después de 8.8 min?, b) Cuánto tiempo tendrá que transcurrir para que la concentración de ciclopropano disminuya de 0.25M a 0.15M?, c) Cuánto tiempo tomará transformar 74% del material inicial? a) Para determinar la concentración del ciclopropano transcurridos 8.8 min. es necesario emplear la relación concentración y tiempo para una reacción de primer orden: trabajar el tiempo en las mismas unidades., despejar y

5 n n n n n ( )( )( ) n n n b) Para calcular el tiempo se emplea la ecuación del literal a), sólo que ahora se despeja t n ( ) ( )( ) ( ) c) Al asumir como concentración inicial 1.0 y para determinar el tiempo necesario para transformar el 74% de dicho material, se despeja igualmente tiempo de la ecuación empleada en el literal a) y b). n ( )( )( ) ( ) EJERCICIOS 1. Para la siguiente reacción A + B C, se obtuvieron los siguientes datos experimentales efectuados a una misma temperatura. a. Calcular el valor de la constante de velocidad. Experimento A (M) B (M) Velocidad x x x La ecuación de velocidad para la reacción A + B C, se expresa en la forma V = K [A] x Si K = 0.01 y [A] = 0.05 moles/l, cuáles serán las unidades de K y el valor de la velocidad de reacción cuando: x = 0, x =1 y x =2. 3. Determine el valor de la constante de velocidad para le reacción A + B C de acuerdo con los siguientes datos experimentales: Experimento A (M) B (M) Velocidad La reacción 2A B es de primer orden en relación con A, con una constante de velocidad de 2.8 x10-2 s -1 a 80 C. Cuánto tiempo tomará (en segundos) para que A disminuya desde 0.88M a 0.14M?

6 5. La reacción de descomposición del disulfuro de carbono (CS 2 ) en monosulfuro de carbono (CS) y azufre es de primer orden, con k = 2.8x10-7 s -1, a 1000 C. CS 2 CS + S a) Cuál es la vida media de esta reacción a 1000 C?, b) cuántos días tarda una muestra de 2.00g de CS 2 en descomponerse hasta quedar 0.75g de CS 2?, C) con referencia a la parte b) cuántos gramos de CS estarían presentes luego de este lapso de tiempo?, d) cuántos gramos de una muestra de 2.00g de CS 2 quedarían después de 45 días? 6. El peróxido de hidrógeno acuoso reacciona con el anión tiosulfato (S 2 O 3 2- ) en medio ácido para formar agua líquida y anión tetrationato (S 4 O 6 2- ) en medio acuoso. a. Plantear la ecuación de reacción balanceada b. Si la velocidad de desaparición del tiosulfato es 2.56x10-4 M/min. Cuál será la velocidad de formación del anión tetrationato? 7. La velocidad inicial de la reacción entre cloruro de mercurio (II) acuoso y anión oxalato produjo anión cloruro, óxido carbónico gaseoso y cloruro mercurioso sólido Hg 2 Cl 2 se midió empleando concentraciones iniciales distintas de cloruro de mercurio (II) y anión oxalato: Experimento [cloruro de mercurio (II)] [Oxalato] Velocidad inicial M/s x x x10-5 a. Hallar la ley de velocidad para la reacción b. Hallar el valor de K c. Cuál será la velocidad inicial al emplear las dos concentraciones anteriores? 8. La reacción 2NO (g) + Cl 2 (g) 2NOCl (g) se lleva a cabo en un recipiente cerrado. Para esta misma reacción se realizaron los siguientes experimentos: Experimento NO inicial M Cl 2 inicial M Velocidad inicial M/s x x x10-5 a) Cuál es la ecuación de velocidad de esta reacción? BIBLIOGRAFÍA - WHITTEN, K. Química General. Cengage Learning. Octava Ed. Mexico, CHANG, R. Química. McGraw Hill. Décima Ed. China, ATKINS, P., JONES, L. Chemical Principles. Second Edition. W. H. Freeman and company. New York, 2001.