cinÉtica quÍmica › 2019 › 11 › ... · teorÍa de las colisiones gilbert n. lewis (1918)...

CINÉTICA QUÍMICA

¿Cómo de rápido ocurren las reacciones químicas?

Dpto. Física y Química

IES Turaniana

Hay reacciones químicas que queremos que sean mas 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

Incluso controlar la velocidad de

algunas reacciones

rapidísimas, como ocurre con la

explosión de la dinamita o con la combustión de los

hidrocarburos

La cinética química estudia de la rapidez con que se producen las reacciones químicas


IES Turaniana

ÍNDICE:

1. MECANISMOS DE REACCCIÓN:

Teoría de las colisionesTeoría del complejo activado

2. VELOCIDAD DE REACCIÓN

3. FACTORES QUE AFECTAN A LA VELOCIDAD DE REACCIÓN:

- NATURALEZA, ESTADO FÍSICO Y GRADO DE DIVISIÓN DE LOS REACTIVOS- CONCENTRACIÓN DE LOS REACTIVOS- TEMPERATURA DE LA REACCIÓN- PRESENCIA DE CATALIZADORES


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 REACCCIÓN

Lejos de contradecirse la una a la otra, lo que hacen es

que se complementan ambas teorías


IES Turaniana

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 REACCCIÓN


IES Turaniana



IES Turaniana

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, denominado ESTADO DE TRANSICIÓN, donde se forma una especie química, llamada

COMPLEJO ACTIVADO, en la que se están rompiendo y formando enlaces.



IES Turaniana

Para que el sistema llegue a formar el complejo activado se necesita cierta

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

TEORÍA DEL COMPLEJO ACTIVADO

Henry Eyring (1935)



IES Turaniana

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



IES Turaniana


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

IES Turaniana


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:

[ ] [ ] [ ]3 2 21 1 1

2 3 1m

NH H Nv

t t t

= =- =-

La velocidad en cada instante, o velocidad

instantánea de la reacción vendrá dada entonces por

la expresión:

[ ] [ ] [ ]3 2 21 1 1

2 3 1

d NH d H d Nv

dt dt dt= =- =-


IES Turaniana


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


IES Turaniana

3. FACTORES QUE AFECTAN A LA VELOCIDAD DE REACCIÓN

Son 4 los factores

fundamentales que afectan a la velocidad de las

reacciones químicas:

NATURALEZA, ESTADO FÍSICO Y GRADO DE DIVISIÓN DE LOS REACTIVOS

CONCENTRACIÓN DE LOS REACTIVOS

TEMPERATURA DE LA REACCIÓN

PRESENCIA DE CATALIZADORES


IES Turaniana


NATURALEZA, ESTADO FÍSICO Y GRADO DE DIVISIÓN DE LOS REACTIVOS

La velocidad aumenta cuando las reacciones tienen lugar en estado gaseoso o también en disolución, ya que así las moléculas poseen mayor libertad de movimiento y se ponen de manera más sencilla en contacto con otras.

Cuando las reacciones químicas tienen lugar en disolución donde participan iones, (ejemplo: reacciones de precipitacion o de neutralización entre ácidos y bases), suelen ser más rápidas que las reacciones en las cuales debe romperse un enlace químico de tipo covalente.

En las reacciones heterogéneas, 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).


IES Turaniana

Además, al aumentar el número de partículas de reactivos por unidad

de volumen, habrá un mayor número de dichas partículas con la energía suficiente para alcanzar el

complejo activado

Al aumentar la concentración de los reactivos aumenta también el número de

partículas (moléculas o iones) por unidad de volumen, con lo que la

frecuencia de los choques es mayor


Cuando alguno de los reactivos se encuentra en disolución, o la

reacción ocurre en fase gaseosa, la velocidad de la

reacción aumenta al aumentar la concentración de los reactivos

Por ejemplo:

Zn(s) + 2HCl(dis) ZnCl2(dis) + H2(g)

Cuanto mayor sea [HCl] mayor será la velocidad de esa reacción

¿Por qué?



IES Turaniana


La velocidad de reacción se relaciona con la concentración de

los reactivos mediante la ECUACIÓN DE VELOCIDAD (se detarmina experimentalmente)

FACTORES QUE AFECTAN A LA VELOCIDAD DE REACCIÓN3. FACTORES QUE AFECTAN A LA VELOCIDAD DE REACCIÓN

aA + bB cC + dD

Ecuación de velocidad:

v = k · [A]n · [B]m

Las unidades de la constante k dependen de los valores de n y de m

El valor de la constante k depende de la reacción de que se trate, de la

temperatura a la que ocurra y de la presencia de algún catalizador

[A] y [B] son las concentraciones molares de los reactivosk es la constante de velocidad de la

reacciónn y m son los órdenes parciales de la reacción, y son números enteros

(n+m) es el orden total de la reacción

Los órdenes parciales se determinan experimentalmente y no tienen por qué coincidir con los coeficientes

estequiométricos


IES Turaniana

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




IES Turaniana

¿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.




IES Turaniana

MÉTODO DE LAS VELOCIDADES INICIALES


aA + bB cC + dD

mantenemos constante la [B] y duplicamos la [A], de modo que estudiamos la velocidad

inicial de la reacción

Si la velocidad inicial no cambia la reacción es de orden cero con

respecto al reactivo A

Si la velocidad inicial se duplica la reacción es de orden uno con

respecto al reactivo A

Si la velocidad inicial se cuadruplica la reacción es de orden dos con

respecto al reactivo ALuego se hace lo mismo, pero con el reactivo B




IES Turaniana

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




IES Turaniana

Además, cuanto mayor sea la Tª mayor será el número de partículas de reactivos con la

energía suficiente para alcanzar el complejo

activado


Nuestra experiencia diaria nos demuestra que la velocidad de

las reacciones químicas aumenta al aumentar la Tª, y disminuye al disminuir la Tª

Esta dependencia es fácil de entender si tenemos en cuenta 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

cada segundo



IES Turaniana

Su valor es independiente de la Tª

La relación entre la velocidad de reacción y la Tª fue establecida por Svante Arrhenius.

Dicha relación está contenida en la expresión par la constante de velocidad:

k = A·e-Ea/RT

A: factor de frecuencia,refleja la frecuencia de las colisiones

Sus unidades coinciden con las de k y, por tanto, dependen del orden total de la reacción

Ea es la energía de activación

Sus unidades son kJ/mol

cte de los gases: R = 8,31 J/K·mol¡¡C

uid

ado

!!

Su valor es independiente de la Tª




IES Turaniana

k = A·e-Ea/RTk

T(ºK)

A

E a menor

E a mayor

T1




IES Turaniana

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

3.FACTORES QUE AFECTAN A LA VELOCIDAD DE REACCIÓN



IES Turaniana


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


Los mecanismos de actuación de los catalizadores son variados

Pueden actuar formando un compuesto intermedio

2SO2(g) + O2(g) 2SO3(g)NO


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)



El catalizador logra crear un nuevo camino para la reacción

con una energía de activación menor


IES Turaniana

Conclusiones

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




IES Turaniana

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




IES Turaniana

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 porque cada enzima cataliza una reacción bioquímica muy determinada

Alta eficiencia porque son capaces de aumentar la

velocidad de las reacciones entre un millón y un billón de veces

Ejemplo de catálisis enzimática:

Lactosa Glucosa + GalactosaLactasa




IES Turaniana

cinÉtica quÍmica › 2019 › 11 › ... · teorÍa de las colisiones gilbert n. lewis (1918)...

Documents