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Cinética química
Las concentraciones de reactantes y productos influencian el valor de ΔG
ΔG = ΔGo + RT lnQ
Q = concentración relativa de productos y reaccionantes en un instante dado
En el equilibrio ΔG = 0
ΔGo = – RT ln Keq
Estudia la velocidad de las reacciones químicas y las etapas o mecanismos por las cuales transcurren.
Para un proceso químico, expresado por la siguiente ecuación:
A → B
Ley de velocidad: La velocidad se puede expresar en función de la aparición de productos o desaparición de reactantes:
En la velocidad de reacción influyen: la concentración de reactantes, la temperatura y la presencia de catalizadores.
para la reacción aA + bB → cC + dD
La ley de velocidad será: v = k . [A]x . [B]y
Donde [A] y [B] corresponden a las concentraciones molares de los reactantes; x e y son los órdenes de la reacción con respecto a A y B, respectivamente, y k es la constante de velocidad específica, la cual se determina experimentalmente y cuyas unidades son [molar]1-n . ( tiempo)-1, donde n = orden total de la reacción = x + y.
Orden de reacción: Los exponentes x e y se determinan experimentalmente y corresponden al orden de reacción con respecto a A y a B respectivamente. La suma de ambos constituye el orden total de reacción: n. Sus valores pueden ser números enteros o fraccionarios.
Estos valores no tienen necesariamente relación con los coeficientes de la ecuación balanceada para la reacción.
De acuerdo al orden las reacciones se pueden clasificar en: reacciones de orden 0, 1, 2 principalmente.
Las leyes de velocidad para reacciones de distintos ordenes nos permiten calcular la concentración de los reactivos y productos, en cualquier tiempo, durante el curso de la reacción.
Tiempo de vida media: Es el tiempo necesario para que la concentración de los reaccionantes disminuya a la mitad. Por lo tanto, la concentración a tiempo t1/2 será igual a co/2 . Reemplazando en la expresión de orden cero se obtiene
t1/2 = co / 2 k
los reaccionantes y se expresa según la fórmula:
También se puede expresar como:
En logaritmos decimales, la expresión es:
Tiempo de vida media: Remplazando en la ecuación de primer orden se obtiene
Reordenando e integrando entre los limites co y c se obtiene:
Tiempo de vida media para una reacción de segundo orden es:
Cómo ocurre la reacción química
Hay dos teorías principales que intentan explicar cómo ocurre la reacción química:
- Teoría de las colisiones: “ las reacciones químicas se ocurren a causa de choques intermoleculares entre moléculas que tienen una energía mínima y una orientación determinada”.
- Teoría de las velocidades absolutas o del estado de transición: En toda reacción química existe una o más especies denominadas “complejo activado o estado de transición”, el cual se considera en equilibrio con los reactantes. Un complejo activado es una especie química de alta energía y de existencia temporal muy breve.
Choques efectivos
La magnitud que pueda tener la velocidad, depende del número de “choques efectivos”. Un choque efectivo, es aquél que conduce a productos, es decir el que tiene lugar entre moléculas con la energía cinética suficiente y la orientación apropiada para formar el “complejo activado”. La diferencia de energía entre los reactantes (moléculas que chocan) y el complejo activado es la “ energía de activación” (Ea).
transición) pueden pasar a productos. Además podemos observar que la diferencia de energía
entre los productos y los reactantes es negativa, lo que significa que en esta reacción se libera
energía y por tanto ella es exergónica.
El componente C es el intermediario de reacción, de estabilidad similar a los reactantes o productos y que pueden ser aislados.
La etapa 1 presenta mayor energía de activación que la etapa 2 , constituyendo la etapa lenta y es la que determina la velocidad de la reacción. La diferencia de energía entre los productos y los reactantes es negativa, por lo tanto esta reacción es exergónica.
Determinación de la Energía de activación: La energía de activación se puede calcular mediante la ecuación de Arrhenius, que relaciona la constante de velocidad específica k con la temperatura absoluta y con la energía de activación de una reacción química, por medio de la siguiente expresión.
A. factor de frecuencia. que Indica la frecuencia de las colisiones y un factor estérico relacionado con la geometría de las moléculas de reactantes.
R. constante de los gases
Ea. energía de activación
T. temperatura absoluta
El modo más cómodo de trabajar con la ecuación de Arrhenius es transformarla en su forma linealizada. Si se aplican logaritmos neperianos a ambos lados de la igualdad, se obtiene
Características de los catalizadores:
- El catalizador participa en la reacción, pero no se consume.
- Actúa disminuyendo el tiempo necesario para llegar al equilibrio, es decir que existe un efecto cinético sobre la reacción.
- No afecta la posición del equilibrio, es decir, no varían las concentraciones finales en el momento del equilibrio.
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