Cinética Química

CINÉTICA QUÍMICA

IMPORTANCIA

La cinética química, proporciona respuestas a preguntas sobre la velocidad de una reacción, preguntas como ¿Cuánto avanzara la reacción antes de detenerse? O ¿Qué tan rápido procede una reacción?, estas preguntas se pueden responder mediante el estudio del equilibrio químico.

Es muy importante e interesante estudiar la velocidad de una reacción debido a que podemos entender la razón del por qué las reacciones ocurren a diferentes velocidades, podemos comprender procesos como las etapas iniciales de la visión, la fotosíntesis y las reacciones nucleares en cadena, estos ocurren a una velocidad tan corta como de 10-12s a 10-6s. Otros como la restauración del cemento y la conversión de grafito en diamante, necesitan de millones de años para completarse. Tener conocimientos de la velocidad de las reacciones es demasiado útil para el diseño de fármacos, controlar la contaminación y procesar alimentos.

¿QUÉ ES?

La cinética química es el área de la química que tiene relación con la rapidez o velocidad con que ocurre una reacción química, la velocidad de reacción es el cambio en la concentración de un reactivo o de un producto con respecto al tiempo (M/s).

Sabemos que cualquier reacción se puede representar por la ecuación general

reactivos→productos

Esta ecuación expresa que durante el transcurso de una reacción, los reactivos se consumen mientras se forman los productos, por lo tanto es posible seguir el progreso de una reacción al medir la disminución en la concentración de los reactivos o el aumento en la concentración de los productos.

La velocidad de la reacción se incrementa al aumentar la concentración de los reactivos, ya que aumenta el número de choques entre ellos. El incremento de la presión en donde uno de los reactivos es un gas es similar a incrementar la concentración de un reactivo en una solución.

La siguiente figura muestra el progreso de una reacción sencilla donde las moléculas de A se convierten en moléculas de B.

A→B

En la siguiente figura se muestra la disminución en el número de moléculas de A y el incremento en el número de moléculas de B con respecto al tiempo. Para esta reacción la velocidad se expresa como:

Velocidad= -∆[A]/∆t o Velocidad= ∆[B]/∆t

Observemos que ∆[A] es una cantidad negativa esto se debe a que la concentracion de A disminuye durante el intervalo de tiempo.

Velocidad de reaccion

La velocidad de reaccion es una cantidad positiva y por esta razon es necesario un signo negativo en la expresion de la velocidad para que esta sea positiva. Sin embargo la velocidad de formacion del producto no requiere signo menos porque la concentracion de B aumenta con el tiempo. Esta velocidades son velocidades promedio ya que representan el promedio en cierto periodo ∆t

Sabemos que para determinar la velocidad de una reacción se mide la concentración del reactivo (o del producto) como una función del tiempo. Para las reacciones en disolución, la concentración de algunas especies se puede medir por métodos espectroscópicos. Las reacciones con gases se siguen a través de medidas de presión.

LA LEY DE LA VELOCIDAD

La ley de la velocidad expresa la relación de la velocidad de una reacción con la constante de velocidad y la concentración de los reactivos, elevados a alguna potencia.

aA+bB→cC+dD

La ley de la velocidad tiene la forma

velocidad=k[A]^X [B]^Y

Donde x y y son números que se determinan experimentalmente, y no son iguales a los coeficientes estequimetricos a y b. Cuando se conocen los valores de x, y y k se puede utilizar la ecuación anterior para calcular la velocidad de la reacción, dadas las concentraciones de A y B.

El orden de reacción global es la suma de los exponentes a los que se elevan todas las concentraciones de reactivos que aparecen en la ley de velocidad.

Una forma de estudiar el efecto de la concentración de los reactivos sobre la velocidad de la reacción es determinando la dependencia de la velocidad inicial con las concentraciones iniciales.

Orden de reacción

El orden de reacción permite comprender la dependencia de la reacción con las concentraciones de los reactivos. En otras palabras, el orden de una reacción siempre se define en términos de las concentraciones de los reactivos (no de los productos).

El orden de un reactivo no está relacionado con el coeficiente estequiometrico del reactivo en la reacción global balanceada.

Las leyes de la velocidad también se utilizan para determinar las concentraciones de los reactivos en cualquier momento durante el curso de la reacción.

La velocidad es independiente de la concentración de los reactivos.

Reacciones de orden cero

El orden cero significa que la velocidad de la reacción no cambia cuando cambia la concentración de una especie.

aA→cC+dD

V=k[A]^m V=k[A]^0 m=0 V=k

Reacciones de 1er orden

Una reacción de primer orden es una reacción cuya velocidad depende de la concentración de los reactivos elevada a la primera potencia.

aA→cC+dD

V=k[A]^m V=k[A]^1 m=1 V=k[A]

En una reacción de primer orden del tipo:

A producto

La velocidad es:

velocidad=-∆[A]/∆t

A partir de la ley de la velocidad, también se sabe que:

velocidad=k[A]

Para obtener las unidades de k, para esta ley de velocidad, se escribe:

k=velocidad/[A] =(M/s)/M=1/s o s^(-1)

Al combinar las dos primeras ecuaciones para la velocidad, se obtiene:

-∆[A]/∆t=k[A]

Reacciones de 2do. Orden

Es una reacción cuya velocidad depende de la concentración de uno de los reactivos, elevada a la segunda potencia, o de la concentración de dos reactivos diferentes, cada uno elevado a la primera potencia.

aA→cC+dD

V=k[A]^m V=k[A]^2 m=2

aA+bB→cC+dD

V=k[A]^m [B]^n V=k[A]^1 [B]^1 m=n=1 V=k[A][B]

El orden de reacción permite comprender la dependencia de la reacción con las concentraciones de los reactivos. Por lo tanto, las unidades de la constante de velocidad k dependen del orden global de la reacción x

TEORIA DE LAS COLISIONES

La teoría cinética molecular de los gases establece que las moléculas de los gases chocan frecuentemente unas con otras, por lo tanto, las reacciones químicas suceden como resultado de las colisiones entre las moléculas de los reactivos.

Según la teoría de las colisiones de la cinética

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