Cinetica Quimica

CINÉTICA QUÍMICA

INTRODUCCION

En el estudio de la cinética química la parte más importante son las velocidades de las reacciones en donde se observa que estas dependen de factores como la temperatura, la presión, las concentraciones de especies implicadas y de la presencia de un catalizador o inhibidor que puede alterar dicha velocidad en varias fracciones aumentado o disminuyendo este valor. Con el estudio de la velocidad de una reacción y de los factores que intervienen se puede llegar a conocer paso a paso las causas de reacción y formaciones de productos a partir de uno o varios reactivos.

MEDICIONES DE VELOCIDAD

Para calcular la velocidad de una reacción se debe tener en cuenta cualquier propiedad adecuada y de fácil medición que esté relacionada con la composición del sistema como una función del tiempo; la propiedad elegida es diferente para cada reacción ya que de esta dependen los resultados que se tomen permitiendo hacer una distinción de cada componente en el transcurso del proceso de reacción. Muchos métodos permiten hacer el debido seguimiento a una reacción en función del tiempo, los cambios presentados en los factores físicos como: la presión, el pH, el índice de refracción, en la conductividad térmica, volumen, en la resistencia eléctrica. Algunos factores influyen en gran medida en la velocidad de reacción como el cambio en temperatura, razón por la cual es necesario mantener el recipiente de mezcla en un termostato para asegurar una temperatura constante, en algunos casos también es necesario controlar la presión.

En la siguiente figura se observa el esquema de variación para un reactivo y un producto, mientras la reacción disminuye, el producto aumenta ambos procesos comienzan desde un valor (punto cero) hasta llegar al equilibrio, en función del tiempo.

Algunas leyes de velocidad encontradas por experimentación servirán para explicar con exactitud las curvas de la figura 1. Considerando la ecuación química, forma general.

∑_i▒〖v_(i ) A_i 〗=0 (1)

Dónde:

Ai  es la fórmula de partida de la i-esima especie que participa en la reacción química

vi  coeficiente estequiometrico, el vi de cualquier reactivo es negativo y el vi de cualquier producto es positivo

El número de moles de la i-esima especie está dado por:

n_(i )= n_i^0+ v_i ξ (2)

ξ  Es el avance de la reacción

n_i^0 Número de moles iniciales de la i-esima especie

Esto es cuando ξ = 0 entonces diferenciamos la ecuación en función del tiempo y obtenemos

(dn_i )/dt=v_i dξ/dt (3)

Entonces se define la velocidad de reacción como la velocidad de incremento del avance en función del tiempo así:

Velocidad de la reacción≡ dξ/dt (4)

La velocidad de cambio del número de moles de la i-esima especien está dada por la ecuación (3) que al invertirla (cambiamos de lado y como está multiplicando pasa a dividir) resulta:

( dξ)/dt= (1 )/v_i (dn_i )/dt (5)

LEYES DE LA VELOCIDAD

La velocidad de la reacción será función de factores como: temperatura, presión y de las concentraciones de las distintas especies, ci, que interactúan en una reacción, o también pueden depender de concentraciones de otras especies, cx, como son los catalizadores o inhibidores.

Si la reacción se produce en forma homogénea será proporcional al volumen, V. si es producida sobre una superficie activa será proporcional al área de la superficie activa, A. mediante la siguiente ecuación podemos representar la velocidad de reacción sumando las velocidades de reacciones homogénea y de superficie:

( dξ)/dt=Vf(T,p,c_i,c_x )+AF(T,p,c_i,c_x) (6)

f(T,p,c_i,c_x )y F(T,p,c_i,c_x) Son funciones determinadas a partir de datos experimentales

Cinéticamente las reacciones se clasifican en homogéneas y heterogéneas:

homogéneas: reacción que tiene lugar en una sola fase.

Heterogénea: reacción que se produce en más de una fase. Como el caso de una reacción en donde la velocidad depende del área de una superficie que está expuesta a la mezcla de reacción o también la superficie de un catalizador sólido.

Para reacciones homogéneas se tiene la ecuación:

( dξ)/dt=Vf(T,p,c_i,c_x ) (7a)

Se trata la ecuación de la velocidad de reacción por unidad de volumen (1/( V))(( dξ)/dt) y se obtiene la ecuación:

( d(ξ⁄V))/dt=f(T,p,c_i,c_x ) (7b)

Ahora dividimos la ecuación (5) con el volumen para obtener:

1/V ( dξ)/dt= (1 )/(v_i V) (dn_i )/dt

Si el volumen se mantiene constante con el cambio de tiempo, la ecuación se transforma en:

( d(ξ⁄V))/dt= (1 )/v_i (dc_i )/dt  c_i=n_i/V (8)

c_i  Es la concentración de la i-esima especie.

Otra ecuación sencilla que representa la ley de velocidad es:

( d(ξ⁄V))/dt=kc_A^α c_B^β c_C^γ (9)

c_A ,c_(B ) 〖,c〗_C Concentraciones de las especies principiantes

K, α,β,γ  son constantes, k es la constante de velocidad de la reacción o velocidad especifica de la reacción. La constante de velocidad depende de la temperatura y la presión, la constante α es el orden de reacción con respecto a A, así como β es de orden de reacción respecto a B, γ el orden de reacción respecto a C. por lo tanto α+β+γ es el orden global de la reacción.

REACCIONES DE PRIMER ORDEN

Consideremos la reacción de disociación simple A  productos, la sustancia A es el único reactivo entonces el balance queda con el coeficiente evaluado a la mitad a la mitad si la reacción de la sustancia A fuese de primer orden, entonces la velocidad no dependerá de la concentración por consiguiente la ecuación de la ley de velocidad será:

( d(ξ⁄V))/dt=kc (10)

Expresamos c como una función de ξ⁄V o viceversa entonces:

e=c_o-ξ/V

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