Cinética Química

TEMA 5
CINÉTICA
QUÍMICA
ÍNDICE
1. Cinética Química
2. Orden de reacción
3. Mecanismo de las reacciones químicas
4. Factores que influyen en la velocidad de
reacción
5. Teoría de las reacciones químicas
6. Catalizadores
1. Cinética Química
La cinética química es el estudio de las velocidades de las reacciones
químicas y de los mecanismos mediante los que tienen lugar.
Tiene como objetivo encontrar la expresión matemática que relaciona la
velocidad química con los diferentes factores de los que depende.
La velocidad de reacción es una magnitud positiva que expresa la
variación de la concentración de los reactivos con el tiempo
N2 + 3 H2 → 2 NH3
Para calcularla hay que tener en cuenta los coeficientes estequiométricos de
la reacción
v
dH2  dNH3 
dN2 

dt
3 dt
2 dt
En la ecuación de la velocidad de reacción aparece la constante de la
reacción y la concentración de los reactivos
v= k [A] [B]
2. Orden de reacción
El orden de reacción es un número entero o fraccionario, que se
obtiene experimentalmente, que indica la dependencia de la
velocidad de una reacción respecto a la concentración de los
reactivos (este número no tiene por que coincidir con los
coeficientes estequiométricos de la reacción)
aA+b B → cC + dD
V= k [A] [B]
 es el orden de reacción parcial respecto a
A.
 es el orden de reacción parcial respecto a
B.
 +  es el orden total de la reacción.
La representación de la variación de la
concentración de un reactivo frente al tiempo
nos indica cuál es el orden de reacción.
2. Orden de reacción
Para la reacción a A
datos:
+ b B → c C se obtuvieron los siguientes
Exp
[A] mol L-1
[B] mol L-1
V. media molL-1s-1
1
0,25
0,25
0,015
2
0,50
0,25
0,030
3
0,25
0,50
0,060
4
0,50
0,50
0,120
Indicar cuáles de la siguientes afirmaciones es correcta y
justificar la respuesta:
a) La reacción es de primer orden con respecto a A.
b) La reacción es de primer orden respecto a B.
c) La ecuación de la velocidad de reacción es v= k[A][B]2
d) El orden total de la reacción es 3.
e) El valor de la constante de velocidad es k= 0,96 molL2s.1
2. Orden de reacción
Solución:
a)
Al duplicarse la concentración de A permaneciendo B constante,
la velocidad se duplica, luego la reacción es de orden 1 respecto
a A.
b)
Al duplicarse la concentración de B permaneciendo constante A,
la velocidad se cuadruplica, luego la reacción es de orden 2
respecto a B.
c)
La expresión de la velocidad de reacción será v= k [A] [B]2
d)
El orden total de la reacción es 3.
e)
Sustituyendo los valores de [A] y [B] en cualquier experiencia.
k
v
0,030

 0,96 mol  L2  s 1
2
2
AB 0,50  0,25
3. Mecanismo de las reacciones químicas
Las reacciones químicas se suelen producir a nivel molecular a través de
una serie de etapas elementales intermedias, la secuencia de estas es lo
que se conoce como mecanismo de la reacción.
Las etapas elementales intermedias indican que especies moleculares
interaccionan entre si, al número de moléculas que interaccionan en una
etapa intermedia se llama molecularidad.
En la reacción de formación del NO2 a partir del NO se ha detectado la
presencia de N2O2 debido a que el proceso se realiza a través de varias
etapas.
2 NO
(g)
+ O2
(g)
→
2 NO2 (g)
NO + NO → N2O2
Etapa elemental
N2O2 + O2 → 2 NO
2 NO
(g)
+ O2
(g)
→
2 NO2
Etapa elemental
(g)
Reacción total
4. Factores que influyen en la velocidad de la reacción
1.- Estado físico de los reactivos
2.- Concentración de los reactivos
3.- Temperatura
4.- Catalizadores
La velocidad de casi todas las reacciones químicas aumenta con la
temperatura duplicándose con un incremento de 10 grados C en la
temperatura, cuanta más alta sea la temperatura mayor será la
energía cinética de las moléculas.
Si la reacción se hace en estado líquido o gaseoso la velocidad
suele ser mayor que en estado sólido ya que aumenta la
movilidad de las moléculas.
4. Factores que influyen en la velocidad de la reacción
Efecto de la temperatura en la velocidad de reacción:
Ecuación de Arrhenius
La expresión de la ecuación de Arrhenius es:
E
- a
k  A  e RT
Donde A es una constante que es proporcional a la frecuencia de las
colisiones, Ea es la energía de activación (J/mol), R es la constante
de los gases (8,314 J/mol K) y T es la temperatura absoluta.
Representación de la ecuación de Arrhenius
5. Teoría de la reacciones químicas
Teoría de las colisiones
La teoría de las colisiones relaciona la velocidad de reacción con el
número de colisiones eficaces entre las moléculas de los reactivos.
Las colisiones eficaces dependen de:
1.- El número total de colisiones.
2.- Que las colisiones se produzcan con una orientación determinada.
3.- Que la energía de la colisión sea suficiente para alterar la
estabilidad de las moléculas que reaccionan.
No reaccionan
No
reaccionan
5. Teoría de la reacciones químicas
Teoría del estado de transición
El estado de transición o complejo activado es un estado intermedio
del sistema, al que corresponde la energía máxima.
La energía necesaria para pasar desde los reactivos al estado de
transición se llama energía de activación Ea.
Los reactivos deben
superar la barrera de
energía de activación
para poder convertirse en
productos.
El máximo de energía
corresponde al complejo
activado, una especie
intermedia inestable que
da lugar a los productos.
6. Catalizadores
Se define catalizador a la sustancia que modifica la velocidad de reacción.
Si disminuye la velocidad de reacción se denomina inhibidor o catalizador
negativo.
 El catalizador no aparece en la ecuación neta de la reacción, ya que se
regenera en igual estado.
 La acción del catalizador se llama catálisis.
Los catalizadores modifican la
velocidad de reacción debido a
que crean un nuevo camino de
reacción modificando la energía
de activación, Ea.
Los valores de las funciones
termodinámicas y la
espontaneidad de la reacción no
se ven alteradas por la
presencia del catalizador.
6. Catalizadores
La catálisis puede ser homogénea, heterogénea y enzimática.
En la catálisis homogénea el catalizador está en la misma fase que
los reactivos, en la heterogénea está en distinta fase, suelen ser
metales de gran superficie por lo que también se llama catálisis
superficial o de contacto, la catálisis enzimática se da en procesos
biológicos.
Catálisis
homogénea
Catálisis
Heterogénea