Cinetica Quimica

1. ¿Qué estudia la cinética química y por qué es importante?

La Cinética Química determinará si una reacción es lenta o rápida al estudiar los factores que determinan la velocidad y el mecanismo.

Este campo estudia la velocidad de reacción de los procesos químicos en función de la concentración de las especies que reaccionan, de los productos de reacción, de los catalizadores e inhibidores, de los diferentes medios disolventes, de la temperatura, y de todas las demás variables que pueden afectar a la velocidad de una reacción.

Entonces, tanto para que una reacción ocurra, como para modificar su velocidad, se deberán tener en cuenta varios factores.

2. Mencione al menos 5 variables físicas o químicas por medio de las cuales se puede seguir la cinética de una reacción.

Temperatura

Según la Teoría Cinética, la temperatura aumenta la energía cinética de las moléculas o iones y por consiguiente el movimiento de estos, con lo cual, aumenta la posibilidad de choques entre las moléculas o iones de los reactivos, aumentando la posibilidad de que ocurra la reacción o acelerando una reacción en desarrollo.

Superficie de contacto

Cuando una o todas las sustancias que se combinan se hallan en estado sólido, la velocidad de reacción depende de la superficie expuesta en la reacción. Cuando los sólidos están molidos o en granos, aumenta la superficie de contacto y por consiguiente, aumenta la posibilidad de choque y la reacción es más veloz.

Lo mismo ocurre cuando las sustancias reaccionantes no son miscibles entre sí, como por ejemplo, en la hidrólisis neutra de un aceite, se hace reaccionar éste con agua,para lograrlo, el agua de la parte inferior (recordemos que el aceite es más liviano que el agua) se recircula hacia la parte superior rociándola sobre la superficie del aceite.

Agitación

La agitación es una variante del punto anterior, lo que se logra agitando las sustancias reaccionantes, es mezclar íntimamente los reactivo aumentando la superficie de contacto entre ellos.

Luz

Hay reacciones que en la oscuridad son muy lentas,como por ejemplo, la combinación del hidrógeno con el cloro. La luz solar acelera la reacción de modo tal, que a la luz solar directa, la reacción se hace explosiva:

H2 + Cl2 → 2.HCl

Lo mismo ocurre en la formación de glúcidos por los vegetales verdes a partir del agua y el dióxido de carbono en la fotosíntesis. Ocurre lo mismo con la descomposición de sustancias poco estables, por tal motivo se envasan en recipientes que impidan el paso de la luz, como por ejemplo,el peróxido de hidrógeno:

2.H2O2 + luz → 2.H2O + O2 (g) (rápida)

Catalizadores

Se llaman catalizadores a las sustancias que intervienen en las reacciones, acelerándolas o retardándolas y que siguen presentes al finalizar la reacción, es decir que no se consumen en esta, no son parte de los productos reaccionantes. Las sustancias que retardan la velocidad de reacción se denominan inhibidores.

Por ejemplo, añadiendo dióxido de manganeso (MnO2) al peróxido de hidrógeno (H2O2), se observa que se descompone liberando abundante oxígeno:

2.H2O2 + n.MnO2 → 2.H2O + O2 (g) + n.MnO2 (rápida)

La cantidad n de dióxido de manganeso (MnO2) permanece constante luego de finalizada la reacción.

3. Explique brevemente los métodos para determinar el orden de la reacción.

En cinética química, el orden de reacción con respecto a cierto reactivo, es definido como la potencia (exponencial) a la cual su término de concentración en la ecuación de tasa es elevado.

Por ejemplo, dada una reacción química 2A + B — > C con una ecuación de tasa

r = k [A]2 [B]1

el orden de reacción con respecto a A sería 2 y con respecto a B sería 1, el orden de reacción total sería 2 + 1 = 3. No es necesario que el orden de una reacción sea un número entero; cero y valores fraccionarios de orden son posibles, pero ellos tienden a ser enteros. Ordenes de reacción pueden ser determinados solamente por experimentos. Su conocimiento conduce a conclusiones sobre el mecanismo de reacción.

El orden de reacción no está necesariamente relacionado a la estequiometría de la reacción, a menos que la reacción sea elemental. Reacciones complejas pueden tener o no órdenes de reacción iguales a sus coeficientes estequiométricos.

Una determinación importante en el estudio de la cinética de una reacción química es la del orden de reacción. Conviene recordar, en los casos más simples, lo que se entiende por orden de reacción. Siendo Co la concentración inicial del reactivo y C la concentración del reactivo pasado el tiempo t de reacción, si dC/dt obedeciese a la ecuación (1), n será el orden de reacción.

Si n = 0 (reacción de orden cero), la ecuación (2) será obtenida a partir de la ecuación (1)

En los casos de n = 1 (reacción de orden uno, o de primer orden) y n = 2 (reacción de orden dos, o de segundo orden), la ecuación (1) conducirá, respectivamente, a las ecuaciones (3) y (4).

Si medimos, durante un experimento, los valores de C en diferentes instantes t, en los casos aquí considerados, serán obtenidos los gráficos esquemáticamente representados en la figura a continuación.

Variación de la concentración del reactivo (C) en función del tiempo (t) para tres valores del orden de reacción (n)

4. Expliqué con detalle los métodos gráfico e integral.

- Método Gráfico:

Trazando la mejor recta, utilizando el método del paralelogramo para estimar las incertidumbres en cada una de estas.

Fig I.- Ajuste gráfico de los datos experimentales en función de coordenadas x - y

- Método Integral :

Determina modelos de la forma o por medio de la integración del modelo propuesto, despejando k y verificando que los valores correspondan bien a una constante.

El procedimiento consiste en seleccionar primero un orden de reacción, luego establecer la ecuación diferencial correspondiente al balance de materia y finalmente, se despeja k de la solución de la ecuación diferencial, calculándose los valores de k para diferentes concentraciones. Si los valores de j obtenidos no varían, quiere decir que el modelo propuesto corresponde de manera razonable al modelo cinético real.

A pesar de que el modelo es aceptable, tiene la desventaja de complicarse en la medida en que la integración de la ecuación diferencial se vaya complicando

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