CINÉTICA QUÍMICA

CINÉTICA de las reacciones químicas

By Montserrat Jiménez Ruiz

Índice

1. Termodinámica: conceptos fundamentales

2. Cinética química: velocidad de reacción

3. Molecularidad

4. Mecanismo de reacción

5. Teorías sobre reacciones químicas

6. Constante de velocidad y energía de activación

7. Factores que influyen en la velocidad de reacción. Catalizadores

1. Termodinámica: conceptos fundamentales

termodinámica:

Variable termodinámica

Parte de la física que estudia los intercambios de calor y trabajo en los procesos físico-químicos.

Característica que define al sistema termodinámico

Energía interna: U (Julios)

Termoquímica

Suma de las energías de todas las partículas que forman un sistema.

Si los intercambios de trabajo y calor ocurren en una reacción química....

PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA

CUANDO UN SISTEMA EVOLUCIONA DE UN ESTADO INICIAL A UNO FINAL, LA VARIACIÓN DE SU ENERGÍA INTERNA COINCIDE CON LA SUMA DEK CALOR Y DEL TRABAJO INTERCAMBIADOS CON EL ENTORNO.

AU = Q + W

Entalpía: H(Julios)

Calor inttercambiado en un proceso a presión constante.Función de estado: H = U +p· V

Variación entalpía en una reacción química;

Se puede calcular a partir de las entalpías de formación estándar de reacttivos y productos:

Entropía: S (Julios/kelvin)

Mide el grado dedesorden de un sistema.

Es una función de estado

SEGUNDO PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA

UN SISTEMA EVOLUCIONA DE FORMA ESPONTÁNEA SI LA ENTROPÍA DEL UNIVERSO AUMENTA CON ESA TRANSFORMACIÓN.

ESPONTANEIDAD SE DETERMINA CON LA ENERGÍA LIBRE DE GIBBS

Paso 2

No espontáneo en el sentido que está escrito

Paso 3

Sistema en equilibrio

Espontáneo en el sentido que está escrito

2. cinética química: velocidad de las reacciones químicas

cinética química: velocidad de las reacciones químicas

La cinética química estudia la rapidez con la que tiene lugar el proceso de transformación de los reactivos en productos

Las reacciones se producen de manera espontánea si (Gf-Gi ) < 0

La velocidad de una racción química e mide a partir de la disminución o aumento de la concentración de cada sustancia que interviene en la reacción química

A pesar de ser termodinámica favorables,pueden ser rápidas o lentas.

Supongamos la reacción irreversible: aA + bB cC + dD

cinética química: velocidad de las reacciones químicas

Se puede medir la velocidad de reacción con cualquiera de estas sustancias

Sin embargo, la velocidad de cada sustancia puede ser diferente al quedar afectada por el coeficiente estequiométrico.

La velocidad instantánea de reacción puede expresarse en función de la disminución de las concentraciones de los reactivos A y B, o del aumento de las concentraciones de los productos C y D en un intervalo de tiempo, teniendo en cuenta la relación de moles que aparece en la reacción ajustada

Unidades de velocidad: mol·L-1·s-1

relaciona la velocidad de la reacción con la concentración de los reactivos

ecuación de velocidad

aA + bB cC + dD

Ecuación velocidad:

Los exponentes α y β indican el orden de la reacción y no tienen por qué coincidir con los coeficientes estequiométricos α es el orden parcial de la sustancia A en la reacción y puede ser entero o fraccionario β es el orden parcial de la sustancia B en la reacción y puede ser entero o fraccionario α + β es el orden global de la reacción

La constante k es la constante de velocidad, coeficiente de velocidad o factor de velocidad. No tiene unidades determinadas, pues depende de los órdenes de la reacción. En determinados casos, por análisis dimensional podremos determinar ordenes de reacción

es el número de especies químicas que intervienen en ella como reactivos.Se determina experimentalmente

molecularidad

A mayor molecularidad mayor improbabilidad de avance de la reacción

Cuando una rección transcurre en varias etapas elementales, la más lenta es la que determmina la velocidad de la reacción global.

3. teorías acerca de las reacciones químicas

Basada en la teoría cinético-molecular

Teoría de las colisiones

Según la teoría cinético-molecular, en una reacción entre gases se producen del orden de 1030 colisiones por segundo. Si de todas estas colisiones se formara una molécula, las reacciones transcurrirían en una fracción de segundo. La experiencia nos dice que esto no es así, y no es así porque no todos los choques son eficaces.

Teoría de las colisiones

Condiciones para que un choque sea eficaz

1. Las moléculas de los reactivos han de tener la energía cinética adecuada, para que en el choque se produzca la ruptura de los enlaces en las moléculas de los reactivos y la posterior formación de enlaces nuevos en las moléculas de los productos. La energía necesaria para que un choque sea efectivo y rompa los enlaces necesarios para que se produzca la reacción se conoce como energía de activación. 2. Las moléculas de los reactivos deben colisionar con la orientación adecuada para que la reacción se produzca.

Teoría del complejo activado

Las moléculas de los reactivos se acercan dando lugar a un estado intermedio transitorio, denominado estado de transición, de alta energía y corta duración, donde se forma una especie, hipotética, llamada complejo activado, en la que se están rompiendo y formando enlaces.

4. energía de activación.diagramas de entalpía

Energía de activación

Mínima energía que se ha de intercambiar en un choque para que este sea eficaz o energía mínima pàra qe se forme el complejo activado.

Ecuación de Arrhenius

constante de velocidad y Energía de activación

Arrhenius dedujo la relación entre la constante de velocidad K , la energía de activación y la temperatura

A es el factor frecuencia que indica eo valor de choques eficaces. A mayor A, más choques eficaces y mayor velocidadad. Si representamos lnK frente al invero de la temperatura, la pendiente es -Ea/R

5. factores que afectan a la velocida de una reacción

Concentración

Naturaleza reactivos

La velocidad de reacción aumenta al aumentar la concentración de los reactivos. En el caso de gases, al elevarse la presión, aumenta la concentración, y la velocidad aumenta también.

La reacción tiene lugar en la superficie de contacto entre un sólido, líquido o gas. Por ello, la velocidad de reacción crece si aumenta la superficie de contacto. Esto se consigue pulverizando los reactivos (tanto sólidos como líquidos o gases) o realizando (en el caso de los sólidos) la reacción en disolución. La naturaleza de los reactivos determina el tipo de enlaces que se deben romper para se alcance el estado de transición o se produzca la colisión eficaz.

Temperatura

Al elevarse, la velocidad de reacción aumenta. A mayor temperatura, mayor energía cinética media de las moléculas que interviene en la reacción, y mayor es la proporción de éstas que pueden superar en los choques la energía mínima de activación. De la ecuación de Arrhenius se deduce que la constante k aumenta con esta magnitud física.

Catalizadores: especies químicas (átomos, iones, moléculas) que tiene la propiedad de alterar la velocidad de una reacción sin formar parte de los reactivos ni de los productos.

Catalizadores positivos

Catalizadores negativos

Reducen la energía de activación, con lo cual aumenta la velocidad de reacción.

Incrementan la energía de activación, con lo cual disminuye la velocidad de reacción.