Cinética química

1. Cinética química Ing. Eliasib Villegas

2. CONTENIDO • Repaso • Objetivos de la cinética química • Características de la velocidad de reacción • Determinación experimental de la velocidad de reacción • Ley de velocidad • Reacciones elementales • Reacciones complejas • Orden y molecularidad. • Ecuaciones diferenciales • Expresiones integradas • Representaciones gráficas • Determinación experimental del orden de reacción • Aproximación de las velocidades iniciales • Mecanismos de reacciones complejas. • Ecuaciones diferenciales: suposición del equilibrio y aproximación del estado estacionario

3. Objetivos de la cinética química ESTUDIA LAS VELOCIDADES DE LAS REACCIONES QUÍMICAS Y LOS MECANISMOS MEDIATE LOS CUALES ESTAS OCURREN ESTUDIA LOS FACTORES QUE INFLUYEN SOBRE LA VELOCIDAD DE REACCIÓN EXPLICA LA CAUSA DE LA MAGNITUD DE LA VELOCIDAD DE REACCIÓN

4. Velocidad de reacción Es el cambio en la concentración de un reactivo (o de un producto) que tiene lugar en un período de tiempo unidad (1 segundo) Unidades: mol∙L1∙s1

5. Velocidad de reacción Reacciones lentas y rápidas ● Muy rápida (explosiva) a temperatura ambiente ● Na (s) + H2O(l) →NaOH(aq) + ½H2(g) ● Muy lenta a temperatura ambiente ● H2(g) + I2(g) → 2 HI (g) ● Muy lento a tª ambiente y muy rápido a 500 °C ● H2(g) +½ O2(g) → H2O (l); ΔG°=-236kJ

6. Velocidad de reacción • N2(g) + 3H2(g) → 2 NH3(g) • ● v( N2 ) = -0,005 mol N2∙L1∙s1 • ● v( H2 )= -0,015mol H2∙L1∙s1 • ● v(NH3)= + 0,01 mol NH3∙L1∙s1 • v=∆[N2]/ ∆ t= (1/3)*(∆[H2]/ ∆ t)= (-1/2)*(∆[NH3]/ ∆ t)

7. Características de la velocidad de reacción • La velocidad de reacción se expresa en término de cambio en la concentración respecto al tiempo. • Recordemos que matematicamente un cambio es un delta ∆ , representando este la diferencia entre el estado final y estado inicial. • La velocidad de reacción es una cantidad positiva. • Para las velocidades de desaparición es necesario un signo negativo porque la cantidad de reactivo disminuye con el tiempo. • Para las velocidades de formación no es necesario el signo negativo porque la concentración de producto aumenta con el tiempo. • Las velocidades a representar son velocidades promedios, debido a que debido a que muestran el promedio de las velocidades en cierto periodo de tiempo.

8. Características de la velocidad de reacción 7.La velocidad de reacción es directamente proporcional a la concentración, Mientras mayor es la concentración, mayor es la velocidad de reacción. 8. La concentración de los reactivos disminuye con t 9 La concentración de los productos aumenta con t 10. La velocidad de reacción depende de la naturaleza de los reactivos(estado físico, grosor de la partícula). 11. La velocidad de reacción depende de la temperatura

9. Características de la velocidad de reacción AB Signo negativo porque disminuye la concentración de A con el tiempo Velocidad de aparición de la especie B Velocidad de desaparición de la especie A

10. Determinación de la velocidad de reacción de manera experimental Se realiza midiendo la concentración de especies químicas respecto al tiempo t1 t2 t3 t4 La disminución en la concentración de bromo puede observarse con El cambio de color a medida que transcurre el tiempo.

11. Determinación de la velocidad de reacción de manera experimental Br2(ac) +HCOOH(AC) Br2(ac) +2H+(ac)+ CO2(g)

12. Velocidad promedio vs Velocidad instantánea La velocidad promedio para la reacción depende del intervalo que se selecciona

13. Velocidad promedio vs Velocidad instantánea Al calcular la velocidad promedio a intervalos cada vez mas cortos Se obtiene la velocidad en un momento especifico lo que proporciona La velocidad instantánea. A menos que se indique lo contrario , hablaremos siempre de velocidad Instantánea y nos referiremos a ella como velocidad. Gráficamente la velocidad instantánea esta dada por la pendiente de la recta Tangente a la curva en el punto de estudio después del inicio de la reacción. Esta es la definición matemática de la derivada en un punto.

15. Velocidades instantáneas Pendiente de la recta tangente en ese punto=velocidad

16. Velocidad de reacción vs concentración velocidad La velocidad es Directamente proporcional A la concentración Concentración

17. Velocidad de reacción vs concentración La gráfica anterior se puede expresar como: Constante de velocidad: constante de proporcionalidad entre la velocidad de reacción y la concentración de los reactivos. Sus unidades son: 1/s

18. Velocidad de reacción Ahora podemos decir que… La velocidad de reacción , es la velocidad con la que desciende La concentración de un reactivo o aumenta la de un producto , en el Curso de una reacción. Y que… La derivada en un punto de la grafica de velocidad vs concentración Es la velocidad de reacción instantánea. V=-d( concentración reactivos)/dt V=d(concentración productos)/dt

19. Ley de velocidad Del estudio experimental de la cinética de una reacción química Se deduce su ley de velocidad, que es una ecuación que expresa La velocidad en función de las concentraciones de las sustancias Que forma parte en la reacción y normalmente tiene la forma: V= k(concentración de los reactivos)x

20. Ley de velocidad v=k ∙[ A]α ∙[B] β k constante de velocidad (depende de la naturaleza reactivos y la temperatura) ● [A] concentración del reactivo A, en mol∙L1 ● [B] concentración del reactivo B, en mol∙L1 ● α orden de reacción respecto al reactivo A ● β orden de reacción respecto al reactivo B ● α+ β orden de reacción total

21. Si la cinética química estudia La velocidad de reacción entonces debemos conocer los diferentes tipos de Reacciones químicas

22. Clasificación de las reacciones POR SU FORMA DE COMBINACIÓN: a) Combinación: A+D C+D b) Descomposición: A B + C Isomerización : 2A A2 POR SU RELACIÓN CON LA ESTEQUIOMETRIA Elementales No elementales Complejas SEGÚN EL ORDEN DE LA REACCIÓN Primero, segundo, tercer orden.

23. Por su forma de combinación POR SU FORMA DE COMBINACIÓN SE CLASIFICAN EN: Unimolecular: Una molécula A se disocia o se isomeriza para formar el producto. En este tipo de reacciones, si tenemos una temperatura constante, se da que la velocidad de reacción es directamente proporcional a la concentración de A (DESCOMPOSICIÓN) Bimoleculares: dos átomos o moléculas, que llamaremos A y B, reaccionan entre ellas, para formar uno o varios productos. En este caso, siempre considerando una temperatura constante, la velocidad de la reacción es proporcional al producto de las concentraciones de A y B. (COMBINACIÓN)

24. Reacciones elementales Son aquellas que constan de una sola etapa, en la que no se observan compuestos intermedios, y los reactivos reaccionan en un solo paso, no se necesita de varias etapas para describir cómo sucede la reacción molécula a molécula. Su velocidad de reacción está relacionada con la estequiometria. Π A+βB Υ C + ρ D V= -(1/π)* (∆(concentración A)/∆(tiempo)) 2A B V=-(1/2)*(concentración de A)/tiempo

25. Reacciones elementales

26. Orden de una reacción El orden de la reacción con respecto a un reactivo, es el exponente de su término De concentración en la ley de velocidad. El orden de reacción global es la suma de los exponentes de todos los término de concentración -VA= K*CAα *CBβ LEY DE VELOCIDAD ORDEN α PARA A ORDEN β PARA B ORDEN GLOBAL:α+β

27. Reacción de primer orden

28. Reacción de segundo orden

29. Reacciones complejas Clasificación de las reacciones complejas 1. Reacciones reversibles. Son aquellas que llegan al equilibrio en un tiempo finito. A ⇄ P 2. Reacciones paralelas. Corresponden a reacciones en las cuales un mismo reactivo produce varios productos diferentes. A → P1 A → P2 3. Reacciones consecutivas. Son aquellas en las cuales el producto de una reacción es el reactivo de la siguiente reacción. A →I1→ P A →I1→ I2 → P 4. Reacciones mixtas.

30. Reacciones complejas Reacciones reversibles. Las reacciones reversibles u opuestas son aquéllas en que los productos de la reacción inicial pueden proceder para formar nuevamente la sustancia original. Un ejemplo de éstas es la isomerización cis-trans del 1,2-dicloroeteno:cis-ClH(C=C)HCltrans-ClH(C=C)HCl Se puede ver que la reacción es de primer orden en cada uno de los reactivos. Las reacciones reversibles se pueden distinguir por el n úmero de pasos y reactivos involucrados inicialmente en la reacci n. número reacción.

31. Reacciones complejas Reacciones reversibles de primer y segundo orden. Una reacción reversible puede ser de orden mixto, p. ej: Un ejemplo es:A1 A2 + A3k1k-1 N2O42NO2

32. Reacciones complejas REACCIONES CONSECUTIVAS. Las reacciones irreversibles se pueden definir como aquellas que empiezan con un reactivo inicial y producen productos o intermediarios generalmente en una sola dirección. Las reacciones consecutivas son reacciones secuenciales irreversibles. Primer orden Mixtas de primer y segundo orden

33. Reacciones complejas Reacciones consecutivas de primer orden. Las reacciones consecutivas se clasifican además por el número de pasos de reacción o el número de sustancias presentes originalmente, que definen el orden.Reacciones de primer orden con dos pasos.Se considerarán las reacciones consecutivas de primer orden que incluyen solamente dos pasos de reacción:A1 A2k1A2 A3

34. MECANISMOS DE REACCIONES COMPLEJAS La mayoría de las reacciones químicas transcurren por mecanismos de varias etapas llamadas REACCIONES ELEMENTALES. La ecuación de una reacción elemental indica molecularidad (número de partículas que colisionan de los reactivos implicados en el choque que produce la reacción).

35. Molecularidad Molecularidad de una reacción elemental es el número de moléculas Que intervienen en la reacción. Se ha encontrado que puede valer 1,2 o 3. Se refiere solo a una reacción elemental. Para hallar la molecularidad de una reacción elemental, debemos sumar los coeficientes estequiométricos de los reactivos.

36. Orden y molecularidad de una reacción Se puede predecir que la ley de velocidad para una reacción elemental viene dada por el producto de la constante de velocidad por las concentraciones de los reactivos en esa etapa. Es decir en una reacción elemental orden y molecularidad coinciden.

37. Orden y molecularidad de una reacción Proporcional al número de choques Por unidad de tiempo Choques eficaces por unidad de tiempo cuando Las concentraciones sonLa unidad

38. Orden y molecularidad de una reacción Los procesos de molecularidad mayor de tres son muy escasos, ya que es muy poco probable que cuatro o más partículas del tipo adecuado colisionen con la orientación y energía adecuadas al Mismo tiempo.

39. Ecuaciones diferenciales asociadas a la velocidad de reacción

40. Expresiones integradas

41. Representaciones gráficas

42. Determinación experimental Del orden de la reacción

43. Escribe y ajusta la reacción entre el monóxido de nitrógeno y el hidrógeno para dar nitrógeno y agua. La velocidad de reacción, referida al NO, en un momento determinado es 5∙104mol∙L1∙s1;indica el significado de ese dato. En ese mismo momento cuánto valdrá la velocidad de reacción referida al agua, ¿y referida al nitrógeno?; expresa los significados de cada una de ellas.

44. RAZONA SI LAS SIGUIENTES FRASES SON CIERTAS O FALSAS ● a) Dadas dos reacciones de igual energía de activación, una exotérmica y otra endotérmica, la reacción exotérmica es más rápida ya que desprende calor al medio. ● b) Un catalizador aumenta la velocidad del mismo modo para la reacción directa que para la reacción inversa. ● c) Un aumento de temperatura siempre aumenta la velocidad de una reacción, puesto que disminuye su energía de activación.

45. ● (PAU2006) La reacción: A + 2 B → 2 C + D es de primer orden con respecto a cada uno de los reactivos. ● a) Escriba la ecuación de velocidad. b) Indique el orden total de reacción. c) Indique las unidades de la constante de velocidad.

46. a A + b B → C v=k ∙[ A]2 ∙[B]

47. conclusiones

48. Bibliografia Raymond chang