CINÉTICA QUÍMICA

Resumen

Parte de la físico-química que estudia la velocidad de las reacciones y sus mecanismos. Una pregunta de importancia que la termodinámica no plantea, es: ¿Con que rapidez y cuál es el mecanismo de una reacción? La termodinámica considera únicamente las relaciones de energía en los reactivos y los productos de una reacción, sin intentar señalar las etapas de paso, ni la rapidez con que se alcanza el equilibrio. La cinética complementa a la termodinámica al proporcionar información de la velocidad y el mecanismo de transformación de reactivos en productos. No todas las reacciones se prestan a un estudio cinético. Así, las iónicas proceden con tanta rapidez que parecen instantáneas. Las explosiones y otras, de las cuales N2O4 2 NO2 constituye un ejemplo, también proceden tan rápidamente, lo cual imposibilita determinar su velocidad o se requieren procedimientos especiales para determinarla. Por otra parte, algunas reacciones son tan lentas que para observar un cambio perceptible en ellas, es necesario el transcurso de meses o aún de años, a la temperatura ordinaria. Entre ambos extremos quedan las reacciones cuyas velocidades resultan valorables. A esta categoría pertenecen las gaseosas, igual que muchas otras en solución que comprenden tanto las sustancias orgánicas como las inorgánicas. La velocidad de una reacción depende de la naturaleza de las sustancias, temperatura y concentración de los reactivos. Un incremento de temperatura produce casi invariablemente un aumento de velocidad; en efecto, en muchas reacciones un ascenso de 10ºC duplica dicha velocidad, y a veces el efecto es aún mayor. Además, muchas reacciones se ven influidas por la presencia de sustancias con capacidad de acelerar o disminuir la velocidad y que se conocen con el nombre de catalizadores y las reacciones afectadas se dicen que son catalizadas. Cinéticamente las reacciones se clasifican en homogéneas o heterogéneas. Las primeras tiene lugar en una sola fase, si hay dos o más de estas en un proceso, como sucede en la reacción de un gas en la superficie de un catalizador sólido se dice que la reacción es heterogénea.

La cinética química es el estudio de la velocidad de las reacciones. Algunas reacciones, como entre el H2 y el O2 gaseosos en un frasco limpio y sin perturbaciones, sucede tan despacio que es inmensurable. Los radioisótopos de algunos núcleos tienen vida media y muy larga; el isótopo 14 C6 decae tan lentamente que la mitad de su cantidad inicial está aún presente después de 5,770 años. La primer reacción química cuya velocidad fue estudiada cuantitativamente comprendió sustancias de interés biológico. En 1850 L. Wilhelmy anunció que la hidrólisis de una solución de sacarosa para dar glucosa y fructosa sucedía a una velocidad que disminuía uniformemente con el tiempo pero siempre permanecía proporcional a la concentración de la sacarosa remanente en la solución. El fue capaz de seguir la reacción indirectamente midiendo el cambio, con el tiempo de la rotación óptica (la rotación de la dirección del plano de la luz polarizada que pasa a través de la solución). El fenómeno de la rotación óptica resulta de la asimetría de moléculas como sacarosa, fructosa y glucosa, la asimetría se refiere al hecho de que las moléculas son estructuralmente (y químicamente) diferentes de la imagen especular de sí mismas (c).

Las velocidades de las reacciones químicas constituyen el campo de estudio de la cinética química. Por experimentación se encuentra que la velocidad de una reacción depende de la temperatura, la presión y las concentraciones de las especies implicadas. La presencia de un catalizador ó inhibidor puede cambiar la velocidad en varias potencias de diez. A partir del estudio de la velocidad de una reacción y de su dependencia de todos estas factores, se puede aprender mucho acerca de las etapas detalladas por medio de las que los reactivos se convierten en productos (d).

Cinética

Es la rama de la física que describe el movimiento de los cuerpos, y su evolución en el tiempo, bajo la acción de fuerzas

La cinética química

Es un área de la fisicoquímica que se encarga del estudio de la rapidez de reacción, cómo cambia la rapidez de reacción bajo condiciones variables y qué eventos moleculares se efectúan mediante la reacción general (Difusión, ciencia de superficies, catálisis). La cinética química es un estudio puramente empírico y experimental; la química cuántica permite indagar en las mecánicas de reacción, lo que se conoce como dinámica química.

o

Cinética de Reacciones

El objeto de la cinética química es medir las velocidades de las reacciones químicas y encontrar ecuaciones que relacionen la velocidad de una reacción con variables experimentales.

Se encuentra experimentalmente que la velocidad de una reacción depende mayormente de la temperatura y las concentraciones de las especies involucradas en la reacción. En las reacciones simples, sólo la concentración de los reactivos afecta la velocidad de reacción, pero en reacciones más complejas la velocidad también puede depender de la concentración de uno o más productos. La presencia de un catalizador también afecta la velocidad de reacción; en este caso puede aumentar su velocidad. Del estudio de la velocidad de una reacción y su dependencia con todos estos factores se puede saber mucho acerca de los pasos en detalle para ir de reactivos a productos. Esto último es el mecanismo de reacción.

Las reacciones se pueden clasificar cinéticamente en homogéneas y heterogéneas. La primera ocurre en una fase y la segunda en más de una fase. La reacción heterogénea depende del área de una superficie ya sea la de las paredes del vaso o de un catalizador sólido. En este capítulo se discuten reacciones homogéneas.

Principios

Los principios fundamentales de la teoría cinética son los siguientes:

• El número de moléculas es grande y la separación media entre ellas es grande comparada con sus dimensiones. Por lo tanto ocupan un volumen despreciable en comparación con el volumen del envase y se consideran masas puntuales.

• Las moléculas obedecen las leyes de Newton, pero individualmente se mueven en forma aleatoria, con diferentes velocidades cada una, pero con una velocidad promedio que no cambia con el tiempo.

• Las moléculas realizan choques elásticos entre sí, por lo tanto se conserva tanto el momento lineal como la energía cinética de las moléculas.

• Las fuerzas entre moléculas son despreciables, excepto durante el choque. Se considera que las fuerzas eléctricas o nucleares entre las moléculas son de corto alcance, por lo tanto solo se consideran las fuerzas impulsivas que surgen durante el choque.

...