Cinética Química

Introducción.

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. 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.

Tipos de reacción y ecuación de la velocidad de reacción. Factores que afectan a la velocidad de reacción. Ley de acción de masas.

La velocidad de reacción se define como la cantidad de sustancia que reacciona por unidad de tiempo.

Teoría de las colisiones.

Para que una reacción química se realice deben entrar en contacto, como mínimo, los electrones de dos átomos, y generarse una transferencia entre ellos o una reorganización en la forma de compartirlos. Gilbert N. Lewis planteó que una reacción química se produce a partir de los choques de las partículas de los reactivos. Al producirse los choques se rompen enlaces químicos y se forman otros que dan origen a nuevas sustancias o productos.

Un choque eficaz es la coalición entre partículas donde se rompen enlaces para formar nuevas sustancias; esto se logra cuando se cumplen las siguientes condiciones:

Los átomos, moléculas o iones deben tener la suficiente energía cinética para romper los enlaces necesarios; y los electrones de éstos deben formar nuevas partículas estables.

La orientación de la colisión debe ser la adecuada, que el hecho de tener la energía suficiente no asegura que el choque sea eficaz, producto esto último de una orientación desfavorable.

La energía mínima que se requiere para que se efectúe una reacción química se llama energía de activación.

Ecuación de la velocidad de reacción.

La velocidad de una reacción homogéneo se define como el cambio del número de moles de un reactante o producto, por unidad de tiempo y unidad de volumen de la mezcla reaccionante. La velocidad de producción de una especie i puede expresarse como:

ri=1/V 〖dn〗_i/dt=〖dC〗_i/dt

Donde n y C son el número de moles y la concentración de la especie química i; ri es positiva para un producto y negativa para un reactante.

Para una misma reacción, el valor numérico de la velocidad varía dependiendo de que producto o reactante se use. Esta dependencia puede eliminarse para expresar el curso de una reacción por medio de la variable, ε, el grado de verificación de la reacción. Considerando la reacción:

aA+bB↔cC+dD

y supóngase que inicialmente hay 〖(n〗_A )_0 moles de A, 〖(n〗_B )_0 moles de B, etc. La velocidad de cambio de los moles de una especie química está relacionada con la de cualquier otra por medio de la estequiometria de reacción. De esta forma

1/a dn/dt=1/b dn/dt=1/c dn/dt=1/d dn/dt

Definiendo el grado de verificación de la reacción como

dε=〖-dn〗_A/a=〖-dn〗_B/b=〖dn〗_C/c=〖dn〗_,/d=〖-dn〗_i/v_i

Donde v_i es el coeficiente estequiométrico de la especie i. Si i es para un reactante v_i es negativa y para un producto positiva.

Si sustituimos el valor de 〖dn〗_i de la ecuación anterior en la primera ecuación tenemos una expresión para la velocidad en términos de Ɛ:

r_i/v_i =1/V dε/dt

Esto muestra que la velocidad dividida entre el número estequiométrico es independiente de la selección del reactante o producto para i.

Factores que afectan la velocidad de reacción.

Efecto de la naturaleza de los reactivos en la velocidad de reacción.

La naturaleza de los reactivos es un factor que no podemos controlar, ya que las propiedades de las sustancias dependen de sus estructuras atómicas y moleculares, además de la fuerza de la ruptura de los enlaces químicos rotos y formados durante la reacción.

Por ejemplo, el Zn0 reacciona lentamente con el HCl, mientras que el Na reacciona vogorosamente y el Cu0 no reacciona en absoluto.

Efecto de la concentración de los reactivos en la velocidad de reacción.

Un aumento en la concentración de los reactivos aumenta la velocidad de reacción.

Berthelot y St. Gilles descubrieron que la velocidad de esterificación era proporcional a la primera potencia de la concentración de etanol y a la primera potencia de la concentración de ácido acético. Se dice entonces que la reacción es de primer orden con respecto a cada reactante. Supóngase que la velocidad de desaparición de A por medio de la reacción irreversible

aA+bB↔cC+dD

Es

r_A=-〖dC〗_A/dt=-kC_A^α C_B^β

Entonces, α es el orden de la reacción con respecto a A, y β con respecto a B. La constante de proporcionalidad k, llamada constante de velocidad de reacción, es independiente de las concentraciones.

Efecto de la temperatura en la velocidad de reacción.

Un incremento en la temperatura aumenta la velocidad de casi todas las reacciones químicas, el motivo es debido a la energía de activación de que la reacción se efectúe más rápido, al aumentar la temperatura es que las velocidades de las moléculas se incrementan con la temperatura. Por lo tanto, a temperaturas más altas las colisiones promedio son más enérgicas, esto aumenta la probabilidad de que una colisión dada produzca suficiente energía para romper enlaces y dar lugar al reordenamiento molecular, para que se efectúe la reacción. Inversamente un decremento en la temperatura disminuye la velocidad.

Efecto de los catalizadores en la velocidad de reacción

Un catalizador es una sustancia que cambia la velocidad de una reacción química pero permanece químicamente igual después de que termina la reacción.

La presencia de un catalizador, en una reacción química, generalmente reduce la energía de activación del sistema, aunque cabe señalar que, también existen sustancias que disminuyen la velocidad de reacción por lo que se les llama inhibidores.

Ley de acción de masas.

Cato Maximilian Guldberg (1836-1902) y Peter Waage (1833-1900). “La velocidad o rapidez de un reacción química en un instante dado es proporcional a ala concentración de los reactivos, donde cada concentración está elevada a una potencia igual al número de moles de aquella especie participante en la reacción”.

Para una reacción

aA+bB↔cC+dD

La ley de acción de masa dice: que la velocidad de la reacción directa de A y de B para dar C más de D es igual a:

velocidad=k〖[A]〗^a 〖[B]〗^b

Aquí se puede observar que la ley esta relacionada directamente a el efecto de la concentración de los reactivos en la

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