Cinética Química. Velocidad de Reacción

Transcripción

1 Cinética Química Velocidad de Reacción

2 A. Velocidad de reacción B. Naturaleza química y física de los reactivos. Perfil de una reacción química Ley de velocidad.

3 A. Velocidad de reacción La cinética química es la rama de la Química que estudia la velocidad de las reacciones químicas. Rama muy importante, pues gracias a ella es factible por ejemplo, predecir la velocidad con la que actuará un medicamento, analizar la destrucción de la capa de ozono e incluso determinar cada cuánto tiempo es necesaria la restauración de estatuas metálicas, que sufren los efectos de la contaminación y la lluvia ácida.

4 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, va disminuyendo la concentración de los reactivos y aumentando la de los productos (que se forman).

5 Así, la velocidad de la reacción estará directamente asociada a: La cantidad de reactivo que reacciona en una unidad de tiempo, o la cantidad de producto que se forma en una unidad de tiempo.

6 Para ampliar este ejemplo a todas las reacciones químicas, utilizaremos la siguiente ecuación general: A B Para este mecanismo, entenderemos que los reactivos representados por A deben colisionar efectivamente para que se obtengan los productos representados como B, y en la medida en que los A disminuyan, los B aumentarán.

7 En síntesis: Velocidad promedio = Variación de la concentración Tiempo Transcurrido

8

9 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.

10

11 Como se ha mencionado con anterioridad, la velocidad de reacción se determina experimentalmente gracias a lo cual es factible determinar velocidad promedio a diferentes intervalos de tiempo así como la velocidad global de la reacción.

12 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.

13 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:

14 A partir de los datos experimentales es posible calcular la velocidad promedio. Apliquemos la expresión para los primeros 200 segundos transcurridos a intervalos de 50 seg. Observa atentamente los valores obtenidos para cada intervalo. Qué puedes decir de dichos valores? Qué indica que la concentración del reactivo [A] en el primer intervalo sea mayor que el del segundo?

15 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.

16 Continuemos analizando el mismo ejemplo. Observa atentamente el gráfico que muestra la relación entre la concentración de A y el tiempo transcurrido.

17 B. Naturaleza química y física de los reactantes Teoría, desarrollada por Lewis y otros químicos en la década de 1920, explica claramente y a nivel molecular cómo y por qué transcurre una reacción química, y más aún, por qué el aumento de la concentración y otros factores,como la temperatura, el estado de disgregación e incluso la presión para las especies gaseosas, afectan la velocidad de la reacción, al aumentar la energía cinética y la probabilidad de choques efectivos entre las moléculas.

18 El modelo de las colisiones, señala: 1. Las moléculas de los reactantes deben tener energía suficiente para que pueda ocurrir el rompimiento de enlaces, un reordenamiento de los átomos y luego la formación de los productos; de lo contrario, las moléculas colisionan pero rebotan unas con otras, sin formar los productos. 2. Los choques entre las moléculas deben efectuarse con la debida orientación en los reactantes.

19 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.

20 C. Perfil de una reacción Los perfiles de reacción química corresponden a un diagrama que permiten comprender fácilmente el desarrollo de una reacción química, pues describe cómo se comporta la energía en una reacción.

21 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?

22

23 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.

24 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.

25 La reacción entre el ácido clorhídrico o cloruro de hidrógeno ( HCl ) y el cinc ( Zn ) donde se produce la disolución del cinc en medio del ácido para generar como productos un gas.

26 La reacción de combustión de la madera finaliza cuando el trozo de madera desaparece completamente, para generar cenizas y gases como productos de la reacción.

27 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.

28 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:

29 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

30 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.

31 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.

32 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.

33 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.

34 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, ,04 0, ,05 0, ,06 0,088 Escriba la expresión de velocidad.

35 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 4x ,2 0,1 1,6x ,5 0,1 1x ,5 0,5 1x10-2

36 Determinar. Ecuación de velocidad Constante de velocidad Velocidad cuando [A ]= 0,17 mol/l, [B ]= 1,07 mol/l

37 A partir de la siguiente reacción 2NO(g) + H 2 (g) N 2 O(g) + H 2 O(g) Se obtiene l siguiente información: Exp [NO ] Mol/L [H2 ] Mol/L V M/s 1 0,01 0,02 1,1x ,02 0,02 4,3x ,02 0,04 8,5x10-6

38 Determine el orden parcial de la reacción respecto a cada reactivo. Orden total de la reacción Constante de velocidad