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CINÉTICA QUÍMICA: estudia de la rapidez con que se producen las reacciones químicas
¿Cómo de rápido ocurren las reacciones químicas?
Dpto. Física y Química
IES Turaniana
La cinética química se ocupa del estudio de la rapidez con que se producen las reacciones químicas
Hay reacciones químicas que queremos que sean más lentas y otras más rápidas :
Nos interesa que la
putrefacción de los alimentos
transcurra lentamente para que duren más.
Por eso los metemos en el
frigorífico
También nos interesa
disminuir la velocidad con
que se deteriora la capa de
ozono, o con la que se oxidan ciertos metales
Por otro lado, puede
interesarnos acelerar ciertas
reacciones, como la síntesis de amoníaco en
la industria química
El funcionamiento del airbag de los coches, es una reacción muy
rápida: descomposición
del NaN3.(acida de
sodio)
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ÍNDICE:
1. MECANISMOS DE REACCCIÓN:
1.1. Teoría de las colisiones1.2. Teoría del complejo activado
2. VELOCIDAD DE REACCIÓN
3. ECUACIÓN DE VELOCIDAD O LEY DE VELOCIDAD
4. FACTORES QUE AFECTAN A LA VELOCIDAD DE REACCIÓN:
4.1. Naturaleza, estado físico y grado de división de los reactivos.4.2. Concentración de los reactivos.4.3. Temperatura de la reacción.4.4. Presencia de catalizadores.
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IES Turaniana
Existen dos teorías que explican cómo ocurren las reacciones químicas
Teoría de las colisiones
Gilbert N. Lewis (1918)
Teoría del complejo activado
Henry Eyring (1935)
¿Cómo ocurren las reacciones químicas?
MECANISMOS DE REACCIÓN
Lejos de contradecirse la una a la otra, lo que hacen es
que se complementan ambas teorías.
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1.1. TEORÍA DE LAS COLISIONES: Gilbert N. Lewis (1918)
Para que una reacción química tenga lugar, las
partículas de los reactivos deben de
chocar unas con otras de manera eficaz, de
manera que se rompan unos enlaces y se
originen otros nuevos dando lugar a diferentes
moléculas.
Sin embargo, la mayoría de los choques no son eficaces. Para que sean eficaces
deben de reunir dos condiciones
Deben de producirse con la suficiente violencia como para romper los enlaces. Es decir,
deben de chocar con la suficiente energía cinética
Además, las partículas de los reactivos deben de chocar con la
orientación adecuada
1. MECANISMOS DE REACCIÓN
Dpto. Física y Química
IES Turaniana
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1.1. TEORÍA DE LAS COLISIONES: Gilbert N. Lewis (1918)
1. MECANISMOS DE REACCIÓN
1.2. TEORÍA DEL COMPLEJO ACTIVADO Henry Eyring (1935)
Cuando las partículas de los reactivos se acercan experimentan una deformación y dan lugar a un
ESTADO INTERMEDIO TRANSITORIO de alta energía y
corta duración, llamado COMPLEJO ACTIVADO, en la
que se están rompiendo y formando enlaces.
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1. MECANISMOS DE REACCIÓN
Para que el sistema llegue a formar el complejo activado se necesita mucha
cantidad de energía, denominada energía de activación Ea
Cuando se produce la reacción inversa el sistema tiene que pasar por el
mismo complejo activado,hablándose entonces de
energía de activación inversa E’a
Reactivos Complejo activado
ProductosEa
E’a
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1.2. TEORÍA DEL COMPLEJO ACTIVADO Henry Eyring (1935)
1. MECANISMOS DE REACCIÓN
Según se trate de reacciones exotérmicas o endotérmicas,los DIAGRAMAS ENTÁLPICOS serán diferentes
Observa que siempre se cumple que: H = Ea – E’a
E’aEa
Ea
E’a
1. MECANISMOS DE REACCIÓN
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2. VELOCIDAD DE REACCIÓN
En una reacción química desaparecen unas sustancias y aparecen otras nuevas. Por tanto, la velocidad de una reacción química es una magnitud
relacionada con la cantidad de reactivo que desaparece o con la cantidad de producto que aparece por unidad de tiempo.
Así pues, en una reacción homogénea entre gases,como es la síntesis del amoníaco:
N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g)
podríamos expresar la velocidad media de la reacción en un intervalo de tiempo t de tres maneras diferentes:
[ ]3m
NHv
t
=
[ ]2m
Nv
t
=
[ ]2m
Hv
t
=
[NH3] será positivo[N2] y [H2] serán negativos Dpto. Física y Química
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Por tanto, para una reacción química homegénea general:aA + bB cC + dD
definimos la velocidad de dicha reacción en cada instante como:
[ ] [ ] [ ] [ ]1 1 1 1d A d B d C d Dv
a dt b dt c dt d dt=- =- =+ =+
Así definida, las unidades para la velocidad de una reacción son
mol/L·s, o bien, mol·L-1·s-1
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2. VELOCIDAD DE REACCIÓN
Para la reacción de síntesis del amoniaco, tendremos la velocidad media e instantánea:
[ ] [ ] [ ]3 2 21 1 1
2 3 1m
NH H Nv
t t t
= =- =-
[ ] [ ] [ ]3 2 21 1 1
2 3 1
d NH d H d Nv
dt dt dt= =- =-
La velocidad de reacción se relaciona con la concentración de los reactivos
mediante la ECUACIÓN DE VELOCIDAD (se determina
experimentalmente)
aA + bB cC + dD
v = k · [A]n · [B]m
- v es velocidad de reacción [mol/L·s].
- k es la constante de velocidad de la reacción, depende de la reacción química y de la temperatura.
- [A] y [B] son las concentraciones molares de los reactivos [mol/L].
- n y m son los órdenes parciales de la reacción, son números enteros. Se determinan experimentalmente y no tienen por qué coincidir con los coeficientes estequiométricos (solo coinciden cuando se trate de una REACCIÓN ELEMENTAL).
- (n+m) es el orden total de la reacción.
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3. ECUACIÓN DE VELOCIDAD (Ley de velocidad)
Por ejemplo, para la reacción
NO2(g) + CO(g) NO(g) + CO2(g)
Se demuestra experimentalmente que la ecuación de velocidad es
v = k · [NO2]2
La reacción es de orden 2 respecto al NO2 y de orden 0 respecto al CO
El orden total de la reacción es 2
Las unidades de k son, en este caso:
k = v / [NO2]2 mol·L-1·s-1 / (mol·L-1)2
mol-1·L·s-1
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3. ECUACIÓN DE VELOCIDAD (Ley de velocidad)
¿Cómo se determina experimentalmente el orden de una reacción?
Por el método de las VELOCIDADES INICIALES
Consiste en variar la concentración inicial de uno de los reactivos mientras se mantienen constantes las concentraciones de los demás reactivos
(control de variables)
Entonces se estudia cómo afecta la concentración de ese reactivo a la velocidad inicial de la reacción.
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3. ECUACIÓN DE VELOCIDAD (Ley de velocidad)
MÉTODO DE LAS VELOCIDADES INICIALES
[A]0 (mol/L) [B]0 (mol/L) v0 (mol/L·s)
1 0,005 0,1 1,25x10-6
2 0,01 0,05 2,50x10-6
3 0,02 0,02 4,00x10-6
4 0,05 0,1 1,25x10-4
5 0,005 0,005 6,25x10-8
De una reacción entre dos sustancias A y B se conocen los siguientes datos:
EJERCICIO
Calcula:
a) El orden de la reacción respecto a cada reactivo
b) La expresión de la ley de velocidades
c) La constante específica k de la reacción
d) La v0 de la reacción cuando [A] = [B] = 0,001 M
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3. ECUACIÓN DE VELOCIDAD (Ley de velocidad)
4. FACTORES QUE AFECTAN A LA VELOCIDAD DE REACCIÓN
Son 4 los factores
fundamentales que afectan a
la velocidad de las reacciones
químicas:
4.1. NATURALEZA, ESTADO FÍSICO Y GRADO DE DIVISIÓN DE LOS REACTIVOS
4.2. CONCENTRACIÓN DE LOS REACTIVOS
4.3. TEMPERATURA DE LA REACCIÓN
4.4. PRESENCIA DE CATALIZADORES
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4. FACTORES QUE AFECTAN A LA VELOCIDAD DE REACCIÓN
4.1. NATURALEZA, ESTADO DE AGREGACIÓN Y GRADO DE DIVISIÓN DE LOS REACTIVOS
Las reacciones que ocurren entre reactivos en estado gaseoso, al tener estos gran movilidad, el nº de colisiones será elevado y la velocidad será mayor.
También son reacciones rápidas cuando los reactivos son iones en disolución, ya que así las moléculas poseen mayor libertad de movimiento y se ponen de manera más sencilla en contacto con otras.
Cuando los reactivos son líquidos y sobre todos sólidos, donde hay muy poca movilidad de las partículas, habrá pocos choques y la reacción será lenta.
La velocidad de reacción es dependiente de la superficie de contacto entre las dos fases, siendo mayor cuando mayor sea el estado de división. (ejemplo: el cinc en polvo reacciona con ácidos, como el ácido clorhídrico de manera más rápida, que si éste estuviese en virutas).
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Al aumentar el número de partículas de reactivos, habrá un mayor
número de dichas partículas con la energía suficiente para alcanzar el
complejo activado
Al aumentar la concentración de los reactivos, aumenta el nº de partículas por unidad de volumen, con lo que la frecuencia de los choques es mayor
4.2. CONCENTRACIÓN DE LOS REACTIVOS
La velocidad de una reacción química se relaciona con las concentraciones de los reactivos, según la ecuación de velocidad:
v = k · [A]n · [B]m
En general, al aumentar la concentración de los reactivos, aumenta la velocidad de la reacción (excepción: orden 0 respecto a un reactivo).
¿Por qué?
4. FACTORES QUE AFECTAN A LA VELOCIDAD DE REACCIÓN
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Además, cuanto mayor sea la Tª mayor será el número de partículas de reactivos con la
energía suficiente para alcanzar el complejo
activado.
4.3. TEMPERATURA DE LA REACCIÓN
Nuestra experiencia diaria nos demuestra que la velocidad de
las reacciones químicas aumenta al aumentar la Tª, y disminuye al disminuir la Tª
Esta se explica con la teoría de las colisiones o la teoría del
complejo activado
Cuanto mayor sea la Tª mayor será la violencia de los choques entre
partículas de reactivos y, consecuentemente,
mayor será el número de choques eficaces.
4. FACTORES QUE AFECTAN A LA VELOCIDAD DE REACCIÓN
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La relación entre la constante de velocidad y la Tª fue establecida por Svante Arrhenius.
Según la expresión, a mayor Tª, mayor será la constante y por tanto, mayor la velocidad.
k = A·e-Ea/RT
A: FACTOR DE FRECUENCIA, (frecuencia de colisiones):- Su valor es independiente de la Tª- Sus unidades coinciden con las de k y, por tanto, dependen del orden total de la reacción
Ea es la ENERGÍA DE ACTIVACIÓN:- Su valor es independiente de la Tª- Sus unidades son kJ/mol
cte de los gases: R = 8,31 J/K·mol
¡¡C
uid
ad
o!!
4. FACTORES QUE AFECTAN A LA VELOCIDAD DE REACCIÓN
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4.3. TEMPERATURA DE LA REACCIÓN
k = A·e-Ea/RTk
T(ºK)
A
E a menor
E a mayor
T1
4. FACTORES QUE AFECTAN A LA VELOCIDAD DE REACCIÓN
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4.3. TEMPERATURA DE LA REACCIÓN
k = A·e-Ea/RT v = A·e-Ea/RT·[A]n·[B]m
Analizando esas expresiones podemos observar que ..…
La velocidad de reacción es directamente proporcional a la frecuencia de las
colisiones, como predice la teoría de las colisiones
Cuanto menor sea la energía de activación
mayor será la velocidad de reacción, como
predice la teoría del complejo activado
Cuanto mayor sea la Tª mayor será la velocidad
de reacción, como predicen ambas teorías
4. FACTORES QUE AFECTAN A LA VELOCIDAD DE REACCIÓN
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4.3. TEMPERATURA DE LA REACCIÓN
4.4. PRESENCIA DE CATALIZADORES
Un CATALIZADOR es una sustancia que aumenta la velocidad de la reacción pero sin ser consumida en el proceso.
La reacción 2H2(g) + O2(g) 2H2O(g) prácticamente no tiene lugar a Tª ambiente. Pero, si añadimos un poco de platino en polvo, la mezcla
explotará rápidamente. Decimos que el platino actua como catalizador.
Se distinguen dos tipos de catálisis
CATÁLISIS HOMOGÉNEA
Reactivos, productos y catalizador en la misma fase
2SO2(g) + O2(g) 2SO3(g)NO
CATÁLISIS HETEROGÉNEA
Cuando las sustancias están en distinta fase
2SO2(g) + O2(g) 2SO3(g)Pt
4. FACTORES QUE AFECTAN A LA VELOCIDAD DE REACCIÓN
Los mecanismos de actuación de los catalizadores son variados
Pueden actuar formando un compuesto intermedio
2SO2(g) + O2(g) 2SO3(g)NO
Por ejemplo, para la reacción
al añadir NO la reacción se produce de la siguiente manera:
2NO(g) + O2(g) 2NO2(g)
2NO2(g) + 2SO2(g) 2SO3(g) + 2NO(g)
2SO2(g) + O2(g) 2SO3(g)
4. FACTORES QUE AFECTAN A LA VELOCIDAD DE REACCIÓN
El catalizador logra crear un nuevo camino para la reacción
con una energía de activación menor
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4.4. PRESENCIA DE CATALIZADORES
Avance de la reacción
H<0
Los catalizadores disminuyen la Ea
Los catalizadores no cambian la Hr
Los catalizadores actúan tanto en la reacción directa
como en la inversa
Los catalizadores sólo permiten obtener los
productos más rápidamente
4. FACTORES QUE AFECTAN A LA VELOCIDAD DE REACCIÓN
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4.4. PRESENCIA DE CATALIZADORES
Existen también sustancias que disminuyen la velocidad de reacción
A estas sustancias se les llama INHIBIDORES
Muchos conservantes alimenticios, como el ácido benzoico, son inhibidores de las reacciones que degradan los alimentos
A los catalizadores que aumentan la velocidad de reacción se les
denominan
catalizadores positivos
Por el contrario, a los que disminuyen la velocidad de
reacción se les llama
catalizadores negativos
4. FACTORES QUE AFECTAN A LA VELOCIDAD DE REACCIÓN
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4.4. PRESENCIA DE CATALIZADORES
Las ENZIMAS son catalizadores producidos por los seres vivos que sirven para acelerar las reacciones fundamentales de la vida
Los sistemas biológicos ocurren a Tª bajas, si no existieran las enzimas las reacciones en los seres vivos se producirían muy
lentamente
Al contrario de los catalizadores inorgánicos, la acción de las enzimas presenta una gran especificidad y una alta eficiencia:
Gran especificidad: cada enzima cataliza una reacción bioquímica muy determinada
Alta eficiencia: son capaces de aumentar la velocidad de
las reacciones entre un millón y un billón de veces
Ejemplo de catálisis enzimática:
Lactosa Glucosa + GalactosaLactasa
4. FACTORES QUE AFECTAN A LA VELOCIDAD DE REACCIÓN
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4.4. PRESENCIA DE CATALIZADORES