5/7/2014 QUÍMICA I. TEMA 7: Cinética Química. Cinética Química. Estudia

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1 Introducción Cinética Química QUÍMICA I Estudia TEMA 7: Cinética Química Rapidez de las reacciones químicas Factores que afectan la rapidez de las reacciones químicas Cómo ocurren las reacciones químicas a nivel molecular Treinta y Tres Introducción Introducción Cinética Química aplicada: Rapidez con la que un medicamento actúa. La formación y el agotamiento del ozono en las capas altas de la atmósfera. Estrategias en desarrollo para disminuir la rapidez de deteriorodelacapadeozono. Problemas industriales catalizadores para sintetizar materiales nuevos. Cinética Química aplicada: Introducción Qué factores determinan la rapidez con la que se daña un alimento? Cómosediseñaunmaterialdefraguadorápidopara empastes dentales? Quédeterminalarapidezconlaqueseenmoheceel acero? Qué regula la velocidad con la que se quema un combustible en un motor de automóvil? : Cambio en la concentración de reactivo(s) o productos(s) con respecto al tiempo. Primera aproximación rapidez promedio o media Para una reacción general A B: Por convención las velocidades son siempre positivas 1

2 : Cambio en la concentración de reactivo(s) o productos(s) con respecto al tiempo. reacción de colorante azul con hipoclorito : Cambio en la concentración de reactivo(s) o productos(s) con respecto al tiempo. Primera aproximación rapidez promedio o media Para una reacción general A B: Unidades de rapidez de reacción: Unidades de concentración / unidades de tiempo M / s Analogía: Imagine que ha conducido 98km en 2h. Su velocidad media es de 49km/h, en tanto que su velocidad instantánea en cualquier momento es la lectura del velocímetro en ese momento. Pendiente de la tangentealacurva en ese instante Rapidez en t = 600 s: 2

3 Para una reacción general A B: Para una reacción general A B: Derivada indica que el intervalo de tiempo es más pequeño. con pequeño La rapidez media se aproxima a la rapidez instantánea conforme el intervalo de tiempo tiende a cero. De aquí en adelante, el término rapidez significa rapidez instantánea. Rapidez inicial de la reacción: Es la rapidez de reacción en t = 0 s. Factores que Afectan la y Estequiometría Para una reacción general aa + bb cc + dd : 1. Naturaleza de los Reactivos 2. Estado Físico de los Reactivos 3. Concentración de los Reactivos 4. Temperatura de Reacción 5. Presencia de Catalizadores Factores que Afectan la 1. Naturaleza de los Reactivos Debido a que en las reacciones se rompen y se forman enlaces. Factores que Afectan la 2. Estado Físico de los Reactivos Para se produzca la reacción, es necesario que las moléculasdelosreactivoschoquenentresí. Más fácilmente chocan las moléculas unas con otras mayor rapidez de reacción. Si los reactivos están en fases diferentes, como cuando uno es un gas y otro un sólido, su área de contacto limita la reacción las reacciones en las que intervienen sólidos tienden a avanzar más aprisa si se aumenta el área superficial del sólido. 3

4 Factores que Afectan la 2. Estado Físico de los Reactivos medicamento en forma de tableta se disuelve en el estómago y entra en el torrente sanguíneo con más lentitud que el mismo medicamento en forma de polvo fino. Factores que Afectan la 3. Concentración de los Reactivos En general, mayor concentración de uno o más de los reactivos mayor rapidez. al quemar lana de acero 4 Fe + 3 O 2 2 Fe 2 O 3 Factores que Afectan la 3. Concentración de los Reactivos En general, mayor concentración de uno o más de los reactivos mayor rapidez. Veremos la relación al estudiar la llamada ley de reacción. Factores que Afectan la 4. Temperatura de Reacción Mayor temperatura del sistema mayor rapidez. Al aumentar la temperatura, aumenta la energía cinética de las moléculas. Al moverse con mayor rapidez, las moléculas chocan con más frecuencia y también con mayor energía, lo que origina velocidades mayores. razón por la cual se refrigeran los alimentos perecederos como la leche. Las reacciones bacterianas que originan la descomposición de la leche se producen con mayor rapidez a T.A que a las T más bajas de un refrigerador. Factores que Afectan la 4. Temperatura de Reacción Mayor temperatura del sistema mayor rapidez. Factores que Afectan la 5. Presencia de Catalizadores Catalizador Sustancia que es capaz de afectar (comúnmente, aumentar) la rapidez de una reacción. Veremos la relación al estudiar la ecuación de Arrhenius. Positivo (catalizador) Aumenta la rapidez Negativo (inhibidor) Disminuye la rapidez 4

5 Factores que Afectan la 5. Presencia de Catalizadores Convertidores catalíticos de los autos modernos Oxidar el CO y los hidrocarburos que no se quemaron hasta CO 2 y H 2 O. Reducir el NO y el NO 2 a N 2 y O 2. Parámetros Cinéticos Para una reacción general aa + bb cc + dd se consigue experimentalmente: de reacción k = constante de rapidez Acelerar combustión completa de hidrocarburos y disminuir la emisión de CO Contiene Pd, Pt y/o Rh Acelerar la disociación de NO en N 2 y O 2 m y n = órdenes parciales de reacción órdenes de reacción con respecto a A y B, respectivamente m + n = orden de reacción orden global de reacción Los órdenes deben determinarse experimentalmente Parámetros Cinéticos Para una reacción general aa + bb cc + dd se consigue experimentalmente: de reacción Parámetros Cinéticos Para una reacción general aa + bb cc + dd se consigue experimentalmente: de reacción H 2 (g) + I 2 (g) 2 HI (g) v = k [H 2 [I 2 H 2 (g) + Br 2 (g) 2 HBr (g) v = k [H 2 [Br 2 1/2 Orden de reacción con respecto a H 2 = 1 Orden de reacción con respecto a I 2 = 1 Orden global de reacción = = 2 Orden de reacción con respecto a H 2 = 1 Orden de reacción con respecto a Br 2 = 1/2 Orden global de reacción = 1 + 1/2 = 3/2 Parámetros Cinéticos Tiempo de vida media (t 1/2 ) Tiempo necesario para que la concentración de uno de los reactivos disminuya a la mitad de su valor inicial. Br 2 (ac) + HCOOH(ac) 2HBr(ac) + CO 2 (g) Tiempo (s) [Br 2 (M) 0 0, , , , ,0060 Tiempo de vida media: t 1/2 = 200 s de reacción Nos dice cómo cambia la rapidez si modificamos las concentraciones de los reactivos. A partir de elementos de cálculo, se pueden convertir en ecuaciones que nos dicen cuáles son las concentraciones de los reactivos o productos en cualquier momento del curso de una reacción. Veremos esta conversión para dos de las leyes de rapidez más simples reacciones de primer orden y segundo orden. 5

6 Reacciones de Primer Orden Son aquellas reacciones en las que el orden de reacción es igual a uno. 2N 2 O 5 (g) 4NO 2 (g) + O 2 (g) Experimentalmente se consigue la ley de rapidez: v = k [N 2 O 5 ] Reacciones de Primer Orden Supongamos una reacción general A Productos La definición de rapidez nos condujo a La ley de rapidez para una reacción de primer orden de este tipo es Igualando ambas expresiones: Reacciones de Primer Orden Reacciones de Primer Orden Con argumentos de cálculo (integración) se llega a: integrada para una reacción de primer orden Reacciones de Segundo Orden Son aquellas reacciones en las que el orden de reacción es igual a dos. Ejemplos: CS 2 (g) + 3O 2 (g) CO 2 (g) + 2SO 2 (g) : v = k [CS 2 ] 2 Reacciones de Segundo Orden Supongamos el caso A Productos Por un procedimiento análogo al anterior se obtiene H 2 (g) + I 2 (g) 2HI (g) : v = k [H 2 ] [I 2 ] integrada para una reacción de segundo orden 6

7 Reacciones de Segundo Orden (a) La reacción I(g) + I(g) I 2 (g) sigue una cinética de segundo orden y tiene un valor de constante de rapidez de 7.0 x 10 9 L/mol s a 23 ºC. (a) Si la concentración inicial deies0.086mol/l, cuáleslaconcentracióndespuésde2 minutos? (b) Calcúlese la vida media de la reacción si la concentración inicial de I es 0.60 mol/l. Reacciones de Segundo Orden (b) La reacción I(g) + I(g) I 2 (g) sigue una cinética de segundo orden y tiene un valor de constante de rapidez de 7.0 x 10 9 L/mol s a 23 ºC. (a) Si la concentración inicial deies0.086mol/l, cuáleslaconcentracióndespuésde2 minutos? (b) Calcúlese la vida media de la reacción si la concentración inicial de I es 0.60 mol/l. Tabla Resumen Parámetro integrada Reacción de primer orden Reacción de segundo orden Vimos que la rapidez de reacción aumenta con la temperatura. En general, la constante de rapidez aproximadamente se duplica por cada incremento de 10º C. Tiempo de vida media Teoría de las Colisiones de la Cinética Química Una reacción se produce por choque entre las moléculas. En el momento del choque, las moléculas deben tener una orientación adecuada para que pueda ocurrir la reacción. Esto se relaciona con el factor de orientación. Además, sólo son eficaces las colisiones cuya energía sea superior a un cierto valor, conocido como energía de activación, Ea. Factor de Orientación: Es necesario que las moléculas estén orientadas de cierta forma durante las colisiones para que ocurra la reacción. CO (g) + NO 2 (g) CO 2 (g) + NO (g) Colisión eficaz: Colisión no eficaz: 7

8 Mínima cantidad de energía que se requiere para iniciar una reacción química. Barrera de energía que deben superar los reactivos para transformarse en productos. Analogía: Reactivos Complejo activado Energía de activación H < 0 Complejo activado Energía de activación Productos H > 0 Productos Coordenada de reacción Reacción exotérmica Reactivos Coordenada de reacción Reacción endotérmica La rapidez de reacción depende de Ea. Cuanto más pequeña es Ea, más rápido ocurre la reacción menor Ea implica menor barrera energética a superar. Reactivos Productos EXOTÉRMICA: productos menos energía que reactivos Ecuación de Arrhenius Relación cuantitativa que expresa la relación entre los parámetros descritos anteriormente. k = constante de rapidez A = factor de frecuencia o factor preexponencial E a = energía de activación R = constante de los gases T = temperatura absoluta 8