Nociones de Cinética Química. Velocidad de reacción Orden de reacción Constante de velocidad Vida media de una reacción
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- Cristóbal Agüero Bustamante
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1 Cinética Química
2 Nociones de Cinética Química Velocidad de reacción Orden de reacción Constante de velocidad Vida media de una reacción
3 Bibliografía
4 HECHOS Y PREGUNTAS CERRAMIENTOS porqué AHORA SE UTILIZAN CERRAMIENTOS DE ALUMINIO EN LUGAR DE CERRAMIENTOS DE HIERRO?
5 HECHOS Y PREGUNTAS TRANSFORMACIÓN DE DIAMANTE EN GRAFITO Porqué si el carbono grafito es más estable que el carbono diamante no se transforma en dicha forma alotrópica?
6 HECHOS Y PREGUNTAS producción de metano Porqué en el planeta se necesitaron millones de años para producirlo y ahora con los residuos se produce en muy corto plazo?
7 HECHOS Y RESPUESTAS 2 Al(s) + 3/2 O 2 (g)+ n H 2 O(l) Al 2 O 3 nh 2 O(s) 2 Fe(s) + 3/2 O 2 (g)+ n H 2 O(l) Fe 2 O 3 nh 2 O(s) DG < 0 DG < 0
8 HECHOS Y RESPUESTAS 2 Al(s) + 3/2 O 2 (g)+ n H 2 O(l) Al 2 O 3 nh 2 O(s) 2 Fe(s) + 3/2 O 2 (g)+ n H 2 O(l) Fe 2 O 3 nh 2 O(s) muy lenta lenta
9 HECHOS Y RESPUESTAS C(grafito) C(diamante) DG < 0 muy lenta (puede demorar millones de años)
10 HECHOS Y RESPUESTAS Incorporación de catalizadores que hacen más rápido este proceso
11 volviendo a la reacción química Ba(OH) 2 (s) + 2 NH 4 SCN (s) Pero, falta algo más? Ba(SCN) 2 (s) + 2 NH 4 OH (s) DH < 0 SI, Cuánto tiempo necesitamos para que la reacción se complete? Si se incrementa la concentración de reactivos, el tiempo necesario para que se complete la reacción, será mayor? será menor? Se puede incorporar algún agente que mejore estos tiempos sin modificar el proceso químico en cuestión? es necesario un término CINÉTICO asociado al proceso
12 ESTOS ASPECTOS ESTÁN RELACIONADOS CON LO QUE LLAMAMOS LA cinética Química La cinética química es el estudio de la velocidad y mecanismos a través de los cuales se forman productos, o consumen reactivos, en una reacción química
13 A B Cuando se produce una reacción química la composición (concentración) de reactivos (A) y productos (B) varía con el tiempo, hasta que se llega a una situación de equilibrio
14 A B Si ocurren cambios con el tiempo, se puede definir una velocidad del cambio En este caso una velocidad de reacción
15 A B velocidad = [A] f - [A] i t f - t i = - D [A] D t velocidad = [B] f - [B] i t f - t i = D [B] D t
16 A B velocidad = = - D [A] D t = D [B] D t UNIDADES M s -1 M min -1 g L -1 s -1 g L -1 min -1
17 A B - velocidad promedio - velocidad instantánea - velocidad inicial
18 A B velocidad = = - D [A] D t = D [B] D t velocidad = = - d [A] d t = d [B] d t
19 velocidad = - t= 0 t= t 1 velocidad = - = d [CH 4 ] d t d [O 2 ] 1 2 d t d [CO 2 ] d t = 1 2 d [H 2 O] d t
20
21 Dependencia de la velocidad con las concentraciones de las especies de la reacción Ley o Ecuación de Velocidad
22 Dependencia de la velocidad con las concentraciones de las especies de la reacción Ley o Ecuación de Velocidad velocidad α [O 2 ]
23 Dependencia de la velocidad con las concentraciones de las especies de la reacción Ley o Ecuación de Velocidad velocidad α [NO]
24 Dependencia de la velocidad con las concentraciones de las especies de la reacción Ley o Ecuación de Velocidad velocidad α [O 2 ] - La concentración se duplica la velocidad se duplica - La concentración se triplica la velocidad se triplica
25 Dependencia de la velocidad con las concentraciones de las especies de la reacción Ley o Ecuación de Velocidad velocidad α [NO] 2 - Sin embargo, en el caso del NO cuando la concentración se duplica la velocidad cuadriplica - Cuando la concentración se triplica la velocidad nonuplica
26 Ley o Ecuación de Velocidad velocidad α [O 2 ] velocidad α [NO] 2 velocidad = k [O 2 ] [NO] 2 constante de velocidad órdenes parciales de reacción - propia de cada reacción, a una dada T y no cambia durante la reacción - sus unidades dependen de los otros componentes de la reacción - la reacción es de primer orden respecto a O 2 - es de segundo orden respecto a NO ORDEN (TOTAL) DE REACCIÓN: = 3
27 Ley o Ecuación de Velocidad Orden total: 2 Orden total: 1 ( ) Orden total: 0
28 Métodos experimentales para determinar el orden de reacción * USO DE LEYES DE VELOCIDAD INTEGRADAS A B velocidad = - d [A] d t = k [A] n SE DEBE RESOLVER ESA IGUALDAD PARA CADA n
29 Determinación ORDEN DE REACCIÓN Orden cero (n = 0) ʃ c ʃ t c 0 0
30 Determinación ORDEN DE REACCIÓN Orden uno (n = 1) ʃ c ʃ c 0 0 t
31 Determinación ORDEN DE REACCIÓN Orden dos (n = 2) 2 ʃ c ʃ t 2 2 c 0 0
32 Vida media de una reacción es el tiempo requerido para que la concentración de un reactivo alcance la mitad de su valor inicial - se expresa en unidades de tiempo - es característica de la reacción a una temperatura dada orden cero primer orden segundo orden
33 RESUMIENDO
34 FACTORES QUE INFLUYEN EN LA VELOCIDAD DE REACCIÓN 1. Concentración de los reactivos 2. Estado físico de los reactivos: las reacciones son más rápidas si los reactivos son gaseosos o están en disolución. En las reacciones heterogéneas la velocidad depende de la superficie de contacto entre ambas fases, siendo mayor cuanto mayor es el estado de división 3. Temperatura: un incremento de la temperatura provoca un incremento en la energía cinética de las moléculas, lo que hace que sea mayor el número de moléculas que alcanza la energía de activación 4. Catalizadoresxx
35 1. Concentración de los reactivos Teoría de las colisiones (reacciones en fase gaseosa) los reactivos deben colisionar en forma efectiva esto es que deben hacerlo con cierta frecuencia, una energía mínima y cierta orientación espacial
36 1. Concentración de los reactivos Teoría de las colisiones (reacciones en fase gaseosa) la teoría de las colisiones nos permite explicar otros aspectos Porqué en la ley de velocidad se multiplican y no se suman concentraciones de reactivos? A B A B
37 energía 1. Concentración de los reactivos Teoría de las colisiones (reacciones en fase gaseosa) las colisiones deben poseer una energía mínima Energía de activación (E a ): mínima energía necesaria para que ocurra la reacción complejo activado avance de reacción
38 1. Concentración de los reactivos Teoría de las colisiones (reacciones en fase gaseosa)
39 3. Temperatura Ecuación de Arrhenius - La constante de velocidad (k), y por ende la velocidad de reacción, depende de la T - La variación de la velocidad con la T se conoce como la ecuación de ARRHENIUS siendo - E a la energía de activación (kj/mol) - R la constante de los gases (8.314 J K -1 mol -1 ) - T la temperatura absoluta (K) - e la base de la escala de logaritmos naturales - A la frecuencia de las colisiones (factor de frecuencia)
40 3. Temperatura Ecuación de Arrhenius Permite determinar la E a del proceso trabajando a distintas T
41 4. Catalizadores Un catalizador es una sustancia que: * modifica la velocidad de la reacción * interviene en la reacción, pero no en su estequiometría, y no se consume * lleva a la reacción por un mecanismo diferente (un camino con diferente E a ) * existe la catálisis homogénea y la catálisis heterogénea
42 4. Catalizadores
43 4. Catalizadores CATÁLISIS HOMOGÉNEA Los reactivos y el catalizador están dispersos en una sola fase (generalmente líquida) H +
44 4. Catalizadores CATÁLISIS HETEROGÉNEA Los reactivos y el catalizador están en fase distintas. En general, el catalizador es sólido y los reactivos gases o líquidos Fe 2 O 3 /Al 2 O 3
45 4. Catalizadores
46 4. Catalizadores Cuando el catalizador aumenta la E a del proceso, disminuye la velocidad de reacción, se habla de catalizador negativo o inhibidor H H H H HC CH H 2 C C H 2 H C C H catalizador positivo H H catalizador negativo H H catalizador Pd/Pb(CH 3 COO) 2 L-Lisina disminuye los procesos de destrucción del colágeno en enfermedades infecciosas o cancerígenas
47 4. Catalizadores Catalizadores Biológicos: ENZIMAS sustrato productos enzima complejo enzima enzima-sustrato
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