quimica cinetica

Universidad Nacional DeHuancavelica FACULTAD DE INGENIERIA DE MINAS-CIVIL ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE MINAS QUIMICA CINETICA DEFINICION.La cinética química es el área de la química que se ocupa de la rapidez con que se producen las reacciones, los mecanismos que permiten su desarrollo y los factores que lo modifican, en los procesos irreversibles. Su importancia es muy amplia ya que se relaciona con temas como la rapidez con que actúa un medicamento o problemas industriales como el descubrimiento de catalizadores para la sintetización de materiales nuevos. La rapidez de las reacciones químicas abarcan escalas de tiempo diferente. Por ejemplo, una explosión puede ocurren en menos de un segundo; la cocción de un alimento puede tardar minutos u horas; la corrosión puede tomar años y la formación de petróleo puede tardar millones de años. IMPORTANCIA DE LA CINETICA.Este campo estudia la velocidad de reacción de los procesos químicos en función de la concentración de las especies que reaccionan, de los productos de reacción, de los catalizadores e inhibidores, de los diferentes medios disolventes, de la temperatura, y de todas las demás variables que pueden afectar a la velocidad de una reacción. Cuando algunas sustancias reaccionan lo hacen en forma lenta, por ejemplo el hierro en presencia de aire; otras reaccionan rápidamente, como por ejemplo el sodio también en presencia de aire; y hay sustancias como el papel en presencia de aire que no reaccionarían jamás sin el auxilio del fuego, pero una vez comenzada la reacción ésta se desarrolla rápidamente. Entonces, tanto para que una reacción ocurra, como para modificar su velocidad, se deberán tener en cuenta varios factores. Velocidad de reacción La cinética química busca la relación entre la forma precisa en que varía la velocidad de reacción con el tiempo, y la naturaleza de las colisiones intermoleculares (que controlan la velocidad) implicadas en la generación de los productos de reacción. La velocidad de reacción se expresa de la siguiente forma: GRUPO LOS EMPRENDEDORES 2) Moles o gramos de NaCl o de H2O por litro y por segundo. GRUPO LOS EMPRENDEDORES .Universidad Nacional De Huancavelica FACULTAD DE INGENIERIA DE MINAS-CIVIL ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE MINAS Velocidad = moles o gramos de sustancias que reaccionan por litro (1) tiempo en segundos Velocidad = moles o gramos de sustancias obtenidas por litro (2) tiempo en segundos Por ejemplo: HCl + NaOH → NaCl + H2O Para esta ecuación la expresión de velocidad es: 1) Moles o gramos de HCl o de NaOH por litro y por segundo. VELOCIDAD DE REACCION La velocidad de un evento se define como el cambio que ocurre en un intervalo en un determinado de tiempo. es decir. De forma similar. Aunque en algunas reacciones simples α y β podrían coincidir con los coeficientes estequimétricos. A esta expresión se le conoce como ley diferencial de velocidad o ecuación de velocidad. Las unidades de la velocidad de reacción por lo general son molaridad por segundo. La suma α + β se llama orden total de reacción. Las unidades de esta velocidad por lo general son millas o kilómetros por hora. la velocidad de reacción se puede expresar como: V = C/t (3) ECUACION DE VELOCIDAD La velocidad de reacción se obtiene experimentalmente. Su valor es característico de cada reacción y depende de la temperatura de reacción. la velocidad de un automóvil se expresa como el cambio en la posición de este en un cierto periodo. Por ejemplo. la cantidad que cambia (posición medida en millas o kilómetros) dividida entre un intervalo de tiempo (medido en horas). la velocidad de una reacción química es el cambio en la concentración de los reactivos o productos por unidad de tiempo. en general no es así.Universidad Nacional De Huancavelica FACULTAD DE INGENIERIA DE MINAS-CIVIL ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE MINAS Los moles o gramos de sustancia por litro de solución es la concentración. GRUPO LOS EMPRENDEDORES . y deben determinarse experimentalmente. Las unidades de la constante deben deducirse de la expresión experimental obtenida para la velocidad de reacción. A partir de las velocidades iniciales de reacción para los reactivos y variando sus concentraciones iniciales. Esto significa que siempre que se habla de velocidad necesariamente va implicada la noción de tiempo. se puede determinar la expresión matemática que relaciona la velocidad con las concentraciones. La constante k se denomina constante de velocidad. expresada como molaridad o simplemente en g/l. Por lo tanto. B ¿β A ¿α ¿ V =K ¿ Los exponentes α y β se denominan órdenes parciales de reacción. Universidad Nacional De Huancavelica FACULTAD DE INGENIERIA DE MINAS-CIVIL ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE MINAS V= Cambio en laconcentracion periodo del tiempo GRUPO LOS EMPRENDEDORES . Sin embargo. el hidrógeno y el oxígeno reaccionan violentamente. Cuando ocurre el cambio. El calor. si la mezcla se calienta a 800 °C. algunas colisiones tienen la suficiente energía para ocasionar cambios en las nubes electrónicas de las moléculas que chocan. Aunque hay colisiones entre las moléculas. la llama o la chispa suministran la energía de activación. . Si esta es pequeña pocas de las colisiones tienen la suficiente energía para formar el complejo activado. la reacción puede ser tan lenta que no es detectable. Las reacciones iónicas se efectúan inmediatamente. Las reacciones en las cuales se redistribuyen enlaces o se transfieren electrones pueden ser más lentas que las que no involucran estos cambios. el hidrógeno y el oxígeno pueden mantenerse durante años en el mismo recipiente sin reaccionar.NATURALEZA DE LOS REACTANTES La naturaleza de los reactantes involucrados en una reacción determina el tipo de reacción que se efectúa. las moléculas simplemente rebotan y se apartan sin cambios. no se alcanza la energía de activación. esto se debe a las frecuentes colisiones entre iones con cargas opuestas. Por ejemplo. Sin embargo. por lo tanto. las moléculas que chocan pueden formar el complejo activado. Las reacciones entre moléculas neutras pueden ser más lentas que las iónicas a causa de la transferencia electrónica y redistribución de enlaces. Por lo tanto. En una reacción iónica no hay transferencia de electrones. La mayor parte de las colisiones moleculares son elásticas. o se introduce una llama o una chispa en el recipiente. La energía requerida para formar este se conoce como energía de activación. aumenta la posibilidad de choques entre las moléculas o iones de los reactivos. . El efecto es muy grande. 1. un incremento de 10°C en la temperatura duplica la velocidad de la mayor parte de reacciones. por consiguiente un nuevo ordenamiento entre sus enlaces químicos. mayor velocidad de reacción. Según la Teoría Cinética. Para que dos sustancias reaccionen. luego. Mayor fracción de moléculas puede alcanzar la energía de activación. el número de colisiones se incrementa. Estos choques producen un nuevo ordenamiento electrónico y. originando nuevas sustancias. con lo cual. la temperatura aumenta la energía cinética de las moléculas o iones y por consiguiente el movimiento de estos. luego. sus moléculas. Temperatura Las moléculas se desplazan con más rapidez a temperaturas altas.Factores que modifican la velocidad de las reacciones. átomos o iones deben chocar. NaCl + H2SO4 → Na2SO4 + 2. luego por ser reacciones exotérmicas (liberan calor) la combustión continúa sola. por cada 10 °C que aumenta la temperatura. el incremento de la velocidad de la reacción no depende tanto del incremento del número de colisiones. para lograrlo.(1 m)² ⇒S cubo = 6 m² (4) . el agua de la parte inferior (recordemos que el aceite es más liviano que el agua) se recircula hacia la parte superior rociándola sobre la superficie del aceite.aumentando la posibilidad de que ocurra la reacción o acelerando una reacción en desarrollo.l ⇒S cubo = 6. 2. La velocidad de una reacción crece. Cuando los sólidos están molidos o en granos. en general. aumenta la superficie de contacto y por consiguiente. cómo del número de moléculas que han alcanzado la energía de activación. aproximadamente. la velocidad de reacción depende de la superficie expuesta en la reacción. como por ejemplo. Superficie de contacto Cuando una o todas las sustancias que se combinan se hallan en estado sólido. Lo mismo ocurre cuando las sustancias reaccionantes no son miscibles entre sí. en la hidrólisis neutra de un aceite. aumenta la posibilidad de choque y la reacción es más veloz. Otro ejemplo sería el de un kilo de viruta de madera. se hace reaccionar éste con agua. con la temperatura. y se duplica. tiene una superficie de: S cubo = 6. Sin embargo. que se quema más rápido que un tronco de un kilo de masa.HCl Recordemos que los combustibles para ser quemado. Para comprender mejor esto realicemos el siguiente cálculo: un cubo de un metro de lado (de cualquier material). Por ejemplo. el cloruro de sodio reacciona lentamente con el ácido sulfúrico. Si se le proporciona calor aumenta la velocidad de reacción dando sulfato de sodio (Na2SO4) y ácido clorhídrico: 2. primero deben alcanzar su punto de combustión.l. 3. la reacción se hace explosiva: H2 + Cl2 → 2. que a la luz solar directa.HCl Lo mismo ocurre en la formación de glúcidos por los vegetales verdes a partir del agua y el dióxido de carbono en la fotosíntesis. 0. La luz solar acelera la reacción de modo tal. es mezclar íntimamente los reactivo aumentando la superficie de contacto entre ellos.(0.l. Luz Hay reacciones que en la oscuridad son muy lentas.Si a este cubo lo dividimos en 1000 cubitos de 0. lo que se logra agitando las sustancias reaccionantes.l ⇒S cubito = 6. Agitación La agitación es una variante del punto anterior. 4.10 m de lado. como por ejemplo. por tal motivo se envasan en . la combinación del hidrógeno con el cloro.06 m² ⇒S cubitos = 60 m² (5) Comparando los resultados (4) y (5) se observa cuantitativamente que aumento la superficie de contacto.06 m² El total de la superficie de los 1000 cubitos es: S cubitos = 1000. tendremos para un cubito una superficie de: S cubito = 6. Ocurre lo mismo con la descomposición de sustancias poco estables.10 m)² ⇒S cubito = 0. la concentración de las mismas aumenta disminuyendo el volumen.recipientes que impidan el paso de la luz. como por ejemplo. .[B] (8) Si las sustancias que reaccionan son gaseosas. Concentración La velocidad de una reacción química es proporcional a la concentración en moles por litro (moles/litro).[A].H2O2 + luz → 2.H2O + O2 (g) (rápida) 5. Si dos sustancias homogéneas A y B (gases o soluciones) reaccionan: A + B → C + D (6) La velocidad de la reacción es: V = [A]. el peróxido de hidrógeno: 2. por ejemplo. la velocidad de la reacción se duplica: V* =2.[B] (7) En la que los corchetes señalan concentraciones en moles por litro. lo que se logra aumentando la presión. de la sustancia A. de las sustancias reaccionantes. Observemos que si duplicamos la concentración. níquel. . i. y por consiguiente se acelera la reacción. debilitando el enlace en cuestión hasta el punto en que el otro reactante rompe dicho enlace. por consiguiente. acelerándolas o retardándolas y que siguen presentes al finalizar la reacción.H2O + O2 (g) + n. el número de choques entre ellas y aceleran la reacción. no son parte de los productos reaccionantes. Por ejemplo.MnO2 (rápida) La cantidad n de dióxido de manganeso (MnO2) permanece constante luego de finalizada la reacción. acrecentando la posibilidad de choque entre sus moléculas. Algunos metales (finamente divididos para aumentar la superficie de contacto) actúan como catalizadores de contacto: platino.En la figura anterior se observa. aumentan.MnO2 → 2. se observa que se descompone liberando abundante oxígeno: 2. Las sustancias que retardan la velocidad de reacción se denominan inhibidores. Catalizadores de contacto o heterogéneos: No reaccionan químicamente con las sustancias del sistema: adsorben en su superficie.H2O2 + n. La adsorción es la adherencia de una sustancia a la superficie de otra. Este tipo de catalizadores generalmente producen una superficie donde las sustancias pueden reaccionar. óxido férrico (Fe 2O3). es decir que no se consumen en esta. que aumentando la presión las moléculas de las sustancias reaccionantes se aproximan entre sí. Una reacción en la cual los reactantes y el catalizador no están en la misma fase (estado) es una reacción heterogénea. Catalizadores Se llaman catalizadores a las sustancias que intervienen en las reacciones. 6. las moléculas de esas sustancias reaccionantes. estos catalizadores funcionan adsorbiendo alguno de los reactantes. añadiendo dióxido de manganeso (MnO 2) al peróxido de hidrógeno (H2O2). El dióxido de azufre (SO2) reacciona lentamente con el oxígeno: 2.NO2 Luego el dióxido de nitrógeno reacciona (reduciéndose) con el dióxido de azufre (este se oxida). Catalizadores de transporte u homogéneos: Estos catalizadores actúan interviniendo en la reacción y luego se regeneran al finalizar la misma.NO2 → 2. entre otros.SO2 + O2 → 2.SO3 (rápida) ii. en presencia de platino y de calor. .SO3 (lenta) El monóxido de nitrógeno (NO) reacciona con el oxígeno (oxidándose) dando dióxido de nitrógeno (NO2): 2.SO3 (lenta) Pero.SO2 + O2 → 2. Un catalizador homogéneo se encuentra en la misma fase (estado) que los reactantes Por ejemplo. c) Un catalizador no produce una reacción que sin él no se realiza.SO2 + O2 (amianto platinado + calor) → 2.pentóxido de vanadio (V2O5). la reacción es inmediata: 2. solo modifica la velocidad de la misma. b) El catalizador se halla igual al final del proceso.SO2 + 2. que al comienzo de él. el empleo de monóxido de nitrógeno (NO) para catalizar la reacción entre el dióxido de azufre (SO2) y el oxígeno: 2.SO3 Características de los catalizadores: a) Gran desproporción entre la masa de las sustancias que reaccionan y la pequeña masa del catalizador. dando trióxido de azufre (SO 3) y regenerándose el monóxido de nitrógeno (NO): 2. NO + O2 → 2.NO + 2. sin embargo. uno de dos. No se espera que el lector realice las operaciones de cálculo. Se aplicara esta conversión a tres de las leyes de velocidad más sencillas: aquellas que son de orden general cero. Una reacción e primer orden es aquella cuya velocidad depende de ña concentración de un solo reactivo elevada a la primera potencia. Estas leyes también pueden convertirse en ecuaciones que muestren la relación entre las concentraciones de los reactivos o productos y el tiempo. si debería estar en condiciones de utilizar las reacciones resultantes. pueden disminuir o detener la acción del catalizador. CAMBIOS DE LA CONCENTRACION CON EL TIEMPO Las leyes de velocidad examinadas hasta ahora permiten calcular la velocidad de una reacción a partir de la constante e velocidad y de las concentraciones de los reactivos. Estas sustancias que retardan la acción de los catalizadores se denominan venenos del catalizador. Las matemáticas requeridas para lograr esta conversión que implican al cálculo. REACCIONES DE PRIMRE ORDEN.d) Los catalizadores son específicos de cada reacción o de un cierto grupo de reacciones. La absorción de las impurezas que acompañan a las sustancias reaccionantes. la ley de velocidad puede ser de primer orden. Velocidad ¿−¿ ∆[ A ] ∆t ¿ K[A] . Para una reacción de tipo A = productos. con su concentración.Esta forma de una ley de velocidad. Utilizando una operación de cálculo llamada integración. Ln[A]t ¿−Kt o ln REACCION DE SEGUNDO ORDEN. [ A]t [ A]o ¿−Kt . esta relación se transforma en una ecuación que relaciona la concentración inicial de A. la cual expresa como la velocidad depende de la concentración. [ A ]0. se conoce como ley de velocidad. . Cuando [A] disminuye. Para simplificar. Una reacción de orden cero es aquella en la cual la velocidad de desaparición de A es independiente de [A]. cada una elevada a la primera potencia. o de las concentraciones de dos reactivos diferentes. las cuales son de segundo orden con respecto a una sola reacción.Una reacción de segundo orden es aquella cuya velocidad depende la concentración del reactivo elevada a la segunda potencia. La ley de velocidad para una reacción de orden cero es. aquí se consideran reacciones del tipo A → producto o A +B → productos. la velocidad a la cual desaparece declina en proporción. esta ley de velocidad diferencial se utiliza para derivar la siguiente ley de velocidad integrada: 1 [ A]t ¿ Kt + 1 [ A]o REACCION DE ORDEN CERO Se ha visto que en una reacción de primer orden la concentración de un reactivo A disminuye de forma no lineal. A: Velocidad A ¿ ¿ ∆[A] ¿− =k ¿ ∆t Por medio del cálculo. . como lo muestra la curva azul en la figura. Si la superficie está completamente cubierta por moléculas de descomposición. [ A ]t =−kt+[ A ]o Donde [ A ]t es la concentración de A al tiempo t y [ A ]o es la concentración inicial. la velocidad de reacción es constante porque el número de moléculas superficiales que reaccionan es constante. El tipo más común de reacción de orden cero ocurre cuando un gas experimenta descomposición sobre la superficie de un sólido. siempre que queda alguna sustancia en fase gaseosa. Esta es la ecuación de una línea recta con ordenada en el origen [ A ]o y pendiente −k .Velocidad ¿ −∆ [ A ] =k ∆t La ley de velocidad integrada para una reacción de orden cero es. 166 0.134 0.0092 0. Determine el orden de reacción y el tiempo de vida media.0132 0.066 0.014 a(b-x) 0. Solución: T(min) 0 10 20 30 60 [A](M) 0.0146 0.114 [B](M) 0..0166 0.0028 b(a-x) 0.67833 1. se siguió durante 1 hora a una temperatura de 37°C.146 0.20 0 0.100 0.0068 0.22919 0. Se midió la concentración residual de los reactivos a diferentes intervalos de tiempo.02 0.02 0.Una reacción en solución entre los compuestos A y B.114 ln[b(a-x)/a(b-x)] 0 0.0134 0.EJERCICIOS DE QUIMICA CINETICA 1.40399 .034 0.046 0.46182 0. Después de este tiempo se observó un cambio en el comportamiento cinético del fenómeno y para el mismo cultivo se determinó una constante de rapidez de 25 colonias/hr hasta la total eliminación de los microorganismos. ya que no se aplicó el aislamiento de Ostwald.00566 M por lo tanto la concentración residual era 0.0077 hrs-1 por tanto es orden uno de modo que el número de colonias después de ese tiempo es: ln(a − x) = ln a − kt = ln500 − .00434 M.2291 0. Calcule la k y el t1/2. de manera que el tiempo para que mueran las 415. Las concentraciones iniciales de ambos en la mezcla eran 0.0 0077 * 24 = .63 = 40. En las 24 hrs. La variación de la concentración de álcali durante 20 min. Solución: Primeras 24 horas: k= 0.0077 hrs-1.2310 0. Por tanto es orden cero. en ese momento se le agregó un antibiótico efectivo contra este microorganismo y se observó una disminución en el número de colonias. después de este tiempo se contaron 500 colonias. fue 0.. posteriores a la adición de antibiótico la muerte microbiana presentó una constante de rapidez de 0. k = 25 Colonias/hr.10 M.Se aisló una cepa de S.. Solución: . aureus de un producto lácteo contaminado. se resembró en un medio de Baird Parker e incubó a 35oC durante 48 hrs.64 colonias Las siguientes horas hasta la muerte de todas las colonias. La reacción es la siguiente: CH3COO2CH5 + NaOH → CH3COONa + C2H5OH.2292 0. Calcule el tiempo en que se eliminaron todos los microorganismos de este cultivo. 3.Walker estudió la saponificación del acetato de etilo a 25oC..63hr k 25 Ahora el tiempo para la muerte de las 500 colonias es t= 24 + 16.64 colonias que había cuando el régimen de orden cero inició es: t= a−(a−x) 4015.k (1/Mmin) ------ 0.63 hr.6 0298 (a-x) = 415. como son dos reactivos y se observa variación en ambos se prueba orden dos con a≠b cuya ecuación es: k =( b ( a−x ) 1 )ln ⁡[ ] t ( a−b ) a ( b−x ) 2.234 Se prueba directamente el orden total.64−0 = =16. así que se lograron los objetivos establecidos en la práctica con un aprendizaje muy favorable para nuestra formación.001∗6.415 1 k= = =6.En la reacción participan dos reactivos cuyas concentraciones iniciales son iguales por lo que se supone segundo orden. .33 min ak 0. concentración y superficie de contacto se puede acelerar o reducir la velocidad de una reacción. 1 1 − a−x a 130.52 t 20 Mmin t= 1 1 = =15.52 CONCLUCIONES En esta práctica nos pudimos dar cuenta de que al cambiar los diferentes factores que intervienen en una reacción química como los catalizadores o la temperatura .