Cinética química
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Cinética química
definición y factores que modifican la cinética de una reacción
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Factores que modifican la velocidad de reacción

CINETICA QUIMICA

Es la parte de la química que estudia los aspectos referidos a la rapidez con que se producen las reacciones químicas. Un número pequeño de factores con la rapidez con que ocurre una reacción. La investigación de estos factores proporciona información acerca de cómo los reactivos se transforman en productos en las reacciones químicas. La descripción detallada de las formas en que se realiza una reacción, basada en el comportamiento de los átomos, moléculas y iones se llama el mecanismo de una reacción. La mayor parte de los cambios químicos se realiza a través de mecanismos que constan de varios pasos. Nunca podemos estar seguros de que un mecanismo propuesto represente la realidad; los mecanismos son sólo suposiciones razonables basadas en estudios cinéticos.

Rapidez de reacción

Se mide con la relación entre la variación de la concentración de una sustancia reactivo o producto en la unidad de tiempo elegida. De todas formas en todos los casos lo que medimos son velocidades medias.

Entonces afirmamos que la rapidez de reacción es la velocidad con que los reactivos se convierten en productos.

La rapidez de reacción desde el punto de vista gráfico se halla como la tangente en cualquiera de los puntos obtenidos en una gráfica representada por la concentración de la sustancia en ordenadas y el tiempo en abscisas.

Factores que afectan la rapidez de reacción

Hay varios factores que afectan en distinta medida la rapidez con que transcurre una reacción y ellos son:

Naturaleza de los reactivosInfluencia de la concentraciónInfluencia de la temperaturaInfluencia de los catalizadoresInfluencia del volumen y la presión (sólo en gases)· Naturaleza de los reactivos

Podemos tomar muchos ejemplos de reacciones donde influye dicho factor; pero elegiremos en principio una reacción conocida por nosotros como es la obtención de H2 en el laboratorio. Dicha reacción la podemos efectuar poniendo en contacto trozos de Mg con una solución de HCl y observamos que la misma se produjo rápidamente:

 

Mg + 2HCl = H2! + MgCl2 rápida

 

Si cambiáramos al Mg con Zn la reacción se produce más lentamente:

 

Zn + 2HCl = H2! + ZnCl2 lenta

 

Y si por último cambiáramos a este metal por Cu sabemos que no se produce reacción (por eso usamos alambre de Cu para colocar el Mg)

 

Por lo tanto es evidente que la realización o no y con mayor o menor rapidez depende de alguna manera de alguna propiedad que derive de las características propias de cada uno de los metales intervinientes (y que en este caso se trata del potencial de oxidación).

 

En general podemos decir que se observa que las reacciones iónicas son mucho más rápidas que las reacciones en las que intervienen sustancias covalentes.

 

· Influencia de la concentración

Para poder explicar la influencia del factor concentración sobre la rapidez de reacción debemos basarnos en la teoría de las colisiones la cual expresa que las reacciones se producen a través de choques efectuados entre las moléculas de las sustancias reactivos. Es decir, las moléculas siempre están en movimiento (mayor o menor dependiendo del estado de agregación) y al ponerse en contacto los reactivos las moléculas de los mismos experimentarán choques entre sí y contra las paredes del recipiente que las contiene. Según esta teoría del total de choques que experimenten a una parte de ellos se les llamará “choques efectivos o eficaces”, que son los que al producirse el intercambio energético es tal que permite romper antiguos enlaces y formar otros nuevos; y por consiguiente permite que la reacción se lleve a cabo.

Por lo tanto al aumentar la concentración de uno o más reactivos aumentarán como consecuencia en número de choques totales entre las moléculas y entre ellos también el número de choques eficaces y por lo tanto la rapidez de reacción.

Hay choques más probables que otros. Se puede generalizar diciendo que los choques bimoleculares son más probables que los tri, tetramoleculares, etc. Por lo tanto cuanto más moles de reactivos deban chocar para que una reacción se produzca, menos probable será que la misma se lleve a cabo.

Sin embargo hay reacciones que dependen de choques improbables pero sin embargo se comprueba que la misma se produce a una rapidez razonable. Esto se explica diciendo que dicha reacción no se produce en una sola etapa sino en varias que sumadas constituyen el mecanismo de reacción. Todo mecanismo presenta por lo tanto varias etapas que se producen con diferente rapidez, pero entre ellas la que determina la rapidez de reacción es la más lenta.

La mayoría de las reacciones orgánicas dependen de choques improbables, pero al transcurrir con una rapidez razonable se dice que se dan mediante mecanismos de reacción. Se conocen mecanismos de reacción para muchas reacciones y en ellas se observa que en determinadas etapas de producen compuestos intermedios e inestables que por consiguiente al final no aparecen. Para suponer un mecanismo de reacción debemos tener en cuenta que en las reacciones que colocamos en cada etapa podemos hacer aparecer sustancias intermedias e inestables que en un caso se forman y en otro reaccionan y por consiguiente en la suma no aparecen. Dichas sustancias comúnmente se forman por reacciones con el catalizador.

Debemos considerar también que para que una reacción suceda, a través de los choques eficaces debe lograrse una energía mínima necesaria para que la misma se produzca. Dicha energía es denominada umbral de energía o energía de activación Ea. Cada reacción tiene su propia energía de activación que se logra a través de choques eficaces.

 

Aspecto cuantitativo de la concentracion:

 

No hay ninguna ley que exprese la relación estricta entre la rapidez de reacción y las concentraciones de las sustancias reactivos. Sólo existe una generalización que expresa lo siguiente: la rapidez de una reacción es directamente proporcional al producto de las concentraciones de las sustancias reactivos elevados a exponentes que se determinan experimentalmente.

 

Es decir que para una reacción aA + bB = cC + dD, la rapidez será:

r = k [A][B]

y se denominan órdenes parciales de reacción y su suma  determina el orden total de una reacción. Los órdenes parciales de reacción se pueden determinar:A través de datos experimentalesConociendo el mecanismo de reacción y sobre la base de la etapa más lenta, los coeficientes de los reactivos de dicha etapa serán los exponentes respectivos.

 

Reacciones de orden cero

Dichas reacciones son independientes de la concentración de reactivo, o sea que no importa que éste aumente o disminuya, la rapidez de reacción tendrá un valor constante, o sea

r = k.

 

Tiempo medio:

Es el tiempo necesario que transcurra para que la concentración del reactivo disminuya a la mitad. t ½ = [A]i/2k

Reacciones de orden uno

r = k[A]1

t ½ = 0,693

 

· INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA

Desde el punto de vista cualitativo se observa que al aumentar la energía calorífica sobre el sistema ésta produce un aumento de la energía cinética de las moléculas del mismo y por lo tanto aumentará el número de choques totales y entre ellos el de eficaces, propiciando el llegar a obtener antes el valor mínimo de energía necesario para que la reacción se lleve a cabo, denominado energía de activación.

Desde el punto de vista cuantitativo la velocidad, k, varía con la temperatura en la forma descrita por la siguiente ecuación:

k = Ae-Ea/Rt

donde A es un factor característica de la reacción en estudio, e es la base del logaritmo neperiano, Ea es la energía de activación para la reacción, R es la constante molar de los gases, y T es la temperatura absoluta. La ecuación fue propuesta primero por Svanté Arrhenius en 1889 y se le conoce como la ecuación de Arrhenius.

Con esta expresión confirmamos que k depende de la temperatura, por lo tanto para cada valor de temperatura obtendremos un valor para k.

 

· INFLUENCIA DE LOS CATALIZADORES

Un catalizador es una sustancia que varía la rapidez de una reacción química sin consumirse en la reacción (en la ecuación se expresa sobre la flecha pues no es reactivo ni producto). Al final de la reacción aparece inalterado. Cuando hablamos de aumentar la rapidez de la reacción es un catalizador positivo o directamente catalizador y cuando hablamos de disminuir la rapidez de la reacción es un catalizador negativo o inhibidor.

El cometido de un catalizador se cree sea disminuir el valor de la energía de activación (E a) que es propia de cada reacción. Este efecto del catalizador sirve como explicación de los catalizadores positivos. Sin embargo no se puede expresar con seguridad que los inhibidores tengan el efecto contrario (aumentar Ea), no se conoce exactamente como actúan estos últimos.

En las reacciones con catalizador al disminuir éste la Ea se forma antes el compuesto intermedio e inestable complejo activado que inmediatamente se transforma en producto.

Se denomina catálisis homogénea a aquella en la cual el catalizador y las sustancias intervinientes en la reacción poseen el mismo estado de agregación.

Se denomina catálisis heterogénea a aquella en que el estado de agregación del catalizador es diferente del de las sustancias intervinientes. 

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