Introducción.
Velocidad de reacción
Cómo se producen las reacciones químicas Ecuación de la velocidad de reacción
Factores que afectan a la velocidad de reacción Mecanismo de reacción
INTRODUCCIÓN A LA CINÉTICA QUÍMICA
Para que una reacción sea espontánea se debe cumplir que G < 0
Pero ¿Con qué velocidad se produce una reacción? Existen reacciones rápidas:
Combustión de hidrocarburos
Las reacciones químicas responsables de los impulsos nerviosos La explosión de la dinamita
Y existen reacciones lentas
Oxidación de los metales
¿Por qué unas son rápidas y otras lentas?
¿Cómo podemos modificar la velocidad de una reacción química?
VELOCIDAD DE REACCIÓN
A + B → C + D
UNIDADES:En una reacción química desaparecen reactivos y aparecen productos. Y medir la VELOCIDAD DE UNA REACCIÓN QUÍMICA significa medir la cantidad de reactivo que desaparece o de producto que aparece por unidad de tiempo.
Tiempo de reacción (min) [NH3] (mol/L) Velocidad media (mol/L·min)
0
0
5
20,0
10
32,5
2,5
15
40,0
1,5
VELOCIDAD DE REACCIÓN CONCLUSIONES:
• La velocidad media NO es constante y depende del intervalo considerado.
• La velocidad va disminuyendo hasta ser nula cuando la reacción se completa
La velocidad media también se puede calcular en función de las concentraciones de reactivos que desaparecen, en nuestro caso de H2 y de N2
Tomemos la reacción en los primeros 5 minutos, según la estequiometria podemos poner:
10 mol/L 30 mol/L 20 mol/L
EJERCICIOS DE EJEMPLO
Para la siguiente reacción hemos obtenido los valores de concentración de la tabla. Calcula la velocidad media de reacción en los intervalos de tiempo de 0 a 3 min y de 3 a 5 minutos
[N2O5] (mol/L) 0,233 0,200 0,180 0,165 0,155
Tiempo (s) 0 180 300 540 840
VELOCIDAD DE REACCIÓN
La velocidad instantánea v, es la velocidad que posee la reacción en un instante dado. Esto sucede cuando el tiempo tiende a 0. Para la reacción:
Ejemplo
Expresar la velocidad de la siguiente reacción química en función de la concentración de cada una de las especies implicadas en la reacción:
¿CÓMO SE PRODUCEN LAS REACCIONES QUÍMICAS?
Hacia 1920 Lewis y otros científicos proponen la primera teoría de cómo ocurre una reacción química, nace la teoría de las colisiones.
Las reacciones químicas se producen por los choques eficaces entre las moléculas de reactivos. Veamos la reacción de formación del HI a partir de I2e H2
Choque
I2 + H2
HI
HI
I2 H2
Para que el choque de partículas sea eficaz se deben cumplir dos condiciones:
• Que las partículas tengan la energía cinética suficiente
• Que colisionen en la debida orientación
¿CÓMO SE PRODUCEN LAS REACCIONES QUÍMICAS?
Hacia 1935 Henry Eyring amplía la teoría anterior con la teoría del complejo activado o del estado de transición.
Según esta teoría, las moléculas de los reactivos se aproximan dando lugar a un estado intermedio, de transición, de alto contenido energético al que se llama complejo activado. Para que se forme dicho complejo activado los reactivos han de absorber una energía: Energía de activación.
Moléculas de
reactivos Complejo activado Moléculas de productos
¿CÓMO SE PRODUCEN LAS REACCIONES QUÍMICAS?
Los choques además de ser eficaces, deben poseer la energía suficiente para que se llegue a formar el complejo activado.
ECUACIÓN DE LA VELOCIDAD DE REACCIÓN
La velocidad de una reacción depende de la CONCENTACION DE LOS REACTIVOS.
La ecuación matemática que indica la relación entre la velocidad y la concentración se llama
ECUACION DE VELOCIDAD y se debe obtener experimentalmente
Para la reacción estándar:
m y n no tienen porqué coincidir con los coeficientes estequiométricos ay b, sino que se determinan experimentalmente.
La constante de proporcionalidad se representa por k y se denomina CONSTANTE DE
VELOCIDAD DE REACCIÓN . Representa la velocidad de la reacción cuando la concentración de los reactivos es 1 M.
La constante K es específicapara cada reacción y depende de la temperatura.
ECUACIÓN DE LA VELOCIDAD DE REACCIÓN Orden de reacción
Se llama ORDEN PARCIALrespecto a un reactivo, al exponente al que está elevado ese reactivo en la ecuación de velocidad de reacción.
Se llama ORDEN TOTAL de la reacción a la suma de los exponentes de los términos de concentración de la ecuación de velocidad de reacción.
Constante de velocidad
Órdenes parciales de reacción
m + n orden total de reacción
Se determinan experimentalmente y no tienen relación alguna con la estequiometría de la reacción.
2+1 = 3
1+1 =2
½ + 1 = 3/2
ECUACIÓN DE LA VELOCIDAD DE REACCIÓN
Se debe conocer experimentalmentecomo varía la velocidad de la reacción con cada uno de los reactivos.
Un método es el de la velocidad inicial, consiste en medir la velocidad inicial manteniendo las concentraciones de todos los reactivos constantes excepto la de uno y ver cómo afecta la variación de éste al valor de la velocidad.
Si por ejemplo, al doblarla concentración de un reactivo la velocidadse multiplica por cuatro, podemos deducir que el orden parcial respecto a ese reactivo es
2
.Determinación de la ecuación de velocidad
CH3-Cl (g) + H2O (g)
CH3-OH (g) + HCl (g) 11,35 0,50 0,25 3 5,67 0,25 0,50 2 1 0,25 0,25 2,83 Experiencia [H v (mol·l–1·s–1) 2O] (mol/l) [CH3-Cl] (mol/l)Al duplicar la [CH3Cl] con la de [H2O] constante: Se duplicala velocidad Orden respecto al [CH3Cl] : 1
Al duplicar la [H2O] con la de [CH3Cl] constante: la velocidad se hace: 11,35/2,83 = 4 veces mayor.
ECUACIÓN DE LA VELOCIDAD DE REACCIÓN
CH3-Cl (g) + H2O (g)
CH3-OH (g) + HCl (g)El valor de K se calcula a partir de los valores de cualquier experiencia
FACTORES QUE AFECTAN A LA VELOCIDAD DE REACCIÓN
Para determinar la velocidad de reacción es fundamental analizar los factores de los que depende
El estado físico de los reactivos
Laconcentración de los reactivos
La velocidad de la reacción se incrementa al aumentar la concentración de los reactivos, ya que aumenta el número de partículas por unidad de volumen y produce un aumento del número de choques entre ellos.
Las reacciones son más rápidas si los reactivos son gaseosos o están en disolución que si están en estado sólido.
En el estado gaseoso es mayor el número de choques entre las moléculas, lo cual favorece que la velocidad de reacción sea mayor.
Las reacciones en disolución acuosa, en general, son muy rápidas.
Si las sustancias son sólidas, es mayor la velocidad cuanto mayor sea la superficie de contacto. La madera arde mejor en virutas que en un tronco.
La naturalezade los reactivos
La temperatura
A es el factor de frecuencia
Ea es la energía de activación
R constante de los gases
T temperatura en la escala absoluta (K)
FACTORES QUE AFECTAN A LA VELOCIDAD DE REACCIÓN
al T → k al Ea → k
Hay sustancias que reaccionan más rápidamente que otras: El hierro se oxida más fácilmente al aire y sin embargo el oro no.
Las sustancias cuyos átomos están unidos por enlaces covalentes reaccionan más lentamente que las unidas por enlace iónico.
Experimentalmente se demuestra que al elevar la
temperatura se produce un aumento en la velocidad de reacción. Por regla general, al incrementar la temperatura de una reacción en 10ºC la velocidad se duplica.
Arrhenius, en 1889 propuso una ecuación relacionando la constante de velocidad con la temperatura:
Los catalizadores Energía de activación Transcurso de la reacción Complejo activado Reactivos H<0 Transcurso de la reacción Complejo activado Reactivos H>0
Reacción exotérmica Reacción endotérmica
Productos Productos E.A Los catalizadores negativos aumentan la energía de activación Los catalizadores positivos disminuyen la energía de activación
E.A sin catalizador
E.A con catalizador negativo
E.A con catalizador positivo
FACTORES QUE AFECTAN A LA VELOCIDAD DE REACCIÓN
Energía de activación
Son sustancias que por su presencia modifican la velocidad de la reacción, alterando la energía de activación del proceso. Intervienen en la reacción pero no se consumen.
Aunque los catalizadores participen de algún modo en las reacciones intermedias, al final del proceso queden inalterados, por lo que no se contabilizan ni en los reactivos ni en los productos. Tipos de catálisis
Homogénea el catalizador está en el mismo estado que los componentes de la reacción. fabricación de H2SO4 por el método de las cámaras de plomo
se cataliza con una mezcla gaseosa de
FACTORES QUE AFECTAN A LA VELOCIDAD DE REACCIÓN
SO2(g) + NO2 (g) → SO3 (g) + NO (lento)
NO (g) + ½ O2 (g) → NO2(g) (rápido)
Un tipo especial de catálisis es la realizada en los seres vivos a través de las enzimas
Heterogénea el catalizador, generalmente sólido, está en distinto estado que los
componentes de la reacción.
MECANISMO DE REACCIÓN
En general las reacciones químicas transcurren en varias etapas
Al conjunto de estas etapas se conoce como mecanismo de la reacción.
Las sustancias que van apareciendo y que no son los productos finales se conocen como
intermedios de reacción
La velocidad de la reacción dependerá de las sustancias que reaccionen en la etapa más lenta, luego esta etapa será la etapa limitante.
Se llama MOLECULARIDADal número de moléculas de reactivos que colisionan simultáneamente para formar el complejo activado en una reacción elemental.
Se trata de un número entero y positivo.
Generalmente, en reacciones elementales, la molecularidad coincide con el orden de reacción. • Sin embargo, existen casos en los que no coinciden, como las reacciones de hidrólisis en los
que interviene una molécula de agua ya que al ser [H2O] prácticamente constante la velocidad es independiente de ésta.
• Es raro que una reacción intervengan más de tres moléculas pues es muy poco probable que chocan entre sí simultáneamente con la energía y orientación adecuadas.
MECANISMO DE REACCIÓN
NO3 es un intermedio de reacción.
EJEMPLOS EJERCICIOS
En la reacción
2 CO
2
2 CO + O
2 se han formado 0,3 moles de O2 en 10 segundos. Calcula la velocidad de desaparición del reactivo y la de aparición de los productos.Velocidad de aparición
de CO en el intervalo de 10 s
Velocidad de aparición de O2 en el intervalo de 10 s
De acuerdo con la estequiometría de la reacción, se formarán 0,6 moles de CO mientras que desaparecerán 0,6 moles de CO2
Velocidad de desaparición de CO2 en el intervalo de 10 s
Velocidad de la reacción en el intervalo de 10 s
• El airbag debe hincharse en un tiempo muy pequeño para que evite el impacto de las personas con asientos o parabrisas.
EJEMPLOS PRACTICOS
Dosificación de medicamentos
Los medicamentos deben de estar en la sangre para distribuirse hasta los tejidos sobre los que actúan. La dosificación intravenosa proporciona una
concentración inmediata de medicamento, que se
elimina a través de los riñones siguiendo una cinética de orden 1.
• ¿Qué tipo de dosificación es más adecuada como tratamiento de choque?
• ¿Cómo interesa que sean las constantes de absorción y de eliminación?
• Actualmente, se van utilizando tratamientos con grageas una vez al día en lugar de cada ocho horas. Describe las características
cinéticas de los medicamentos usados.
Galénica (Farmacocinética)
Si la dosificación es oral, en primer lugar se debe absorber a la sangre, y a la vez se elimina por los riñones, siguiendo en ambos casos cinéticas de orden 1.