Teoría Cinética Química
Cinética Química
La Cinética Química estudia la velocidad de los procesos químicos y determina los factores que influyen sobre ella. Tiene como objetivo encontrar la expresión matemática que relaciona la velocidad de una reacción química con los diferentes factores de los que depende.
Velocidad de reacción: Es la derivada, respecto al tiempo, de la concentración de cualquier reactivo o producto, dividida entre su respectivo coeficiente estequiométrico y convertida en número positivo. Sus unidades son: mol/L·s
Ecuación de velocidad o ley diferencial de la velocidad.
Se denomina ecuación cinética a la expresión matemática que relaciona la velocidad de reacción con las concentraciones molares de todas las sustancias que intervienen en el proceso.
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K=coeficiente de velocidad, constante de velocidad o factor de velocidad.
Órdenes de reacción.
Los órdenes parciales de reacción indican la dependencia de la velocidad de reacción respecto a la concentración de cada uno de los reactivos. No tienen por qué coincidir con los coeficientes estequiométricos de la reacción.
α, β, φ, … = orden de la reacción respecto al reactivo A, B, C, …
α + β + φ + … = orden total de la reacción.
Variación de la concentración con el tiempo.
Si queremos conocer cómo varía con el tiempo la concentración de un reactivo o producto, necesitamos efectuar una operación matemática en la ecuación cinética llamada integración. Así obtenemos la concentración dependiendo del orden de reacción:
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Mecanismo de las reacciones químicas.
Una ecuación química ajustada es el resumen de múltiples procesos químicos, así, el mecanismo de la reacción es la secuencia de pasos intermedios simples, que corresponden al avance de la reacción química a escala molecular. Cada paso intermedio del mecanismo de reacción se denomina etapa elemental y los órdenes de reacción de las etapas elementales sí coinciden con los coeficientes estequiométricos de las especies que intervienen en ella a diferencia de lo que sucede con la ecuación cinética global.
En las etapas elementales aparecen especies químicas nuevas que no son ni reactivos ni productos, y por tanto, no están en la ecuación química. Estas especies se llaman intermedios de reacción y su vida es muy breve, pues son especies altamente reactivas que se consumen en las etapas elementales que siguen a su formación. Pueden ser átomos, moléculas, iones o radicales libres. Al número total de especies que intervienen como reactivos en la etapa elemental lo llamaremos molecularidad.
Factores que influyen en la velocidad de reacción.
-Naturaleza química de un proceso.
Es el factor que más afecta a la constante cinética. Normalmente, las reacciones que no implican reajuste de enlaces suelen ser rápidas.
-Concentración de los reactivos.
Su influencia es tan importante que se muestra explícitamente en la ecuación cinética.
-Estado físico de los reactivos.
Reacciones homogéneas: Todos los reactivos se encuentran en una misma fase. Estas son las reacciones más rápidas.
Reacciones heterogéneas: Los reactivos están en fases diferentes. Son más lentas que las homogéneas.
-Presencia de catalizadores e inhibidores.
Un catalizador es una sustancia que se caracteriza por: aumentar mucho la velocidad de la reacción que cataliza y recuperarse al final del proceso no apareciendo en la ecuación química global.
Los inhibidores, por el contrario, disminuyen la velocidad de una reacción. Suelen actuar en las primeras etapas elementales de los mecanismos de reacción, bloqueando los intermedios de reacción. También pueden anular la acción de un catalizador.
-Efecto de la temperatura: ecuación de Arrhenius.
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Siendo A=factor de frecuencia; Ea= Energía de activación; e-Ea/RT=factor de Boltzman o factor energético.
Si conocemos k a dos temperaturas obtenemos:
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Teoría de las reacciones químicas.
-Teoría de las colisiones.
La teoría de las colisiones relaciona la constante cinética con el número de colisiones eficaces entre moléculas.
El cálculo de las colisiones eficaces se realiza en los siguientes pasos:
- Se calcula el número total de colisiones entre moléculas de reactivos.
- Se estima la fracción de colisiones que tienen lugar según una orientación adecuada.
- Las moléculas que chocan han de tener la energía suficiente para romper los enlaces. La energía mínima que debe superarse es la energía de activación.
-Teoría del estado de transición.
En la teoría del estado de transición no se hace un estudio dinámico del movimiento y choque de moléculas, sino que se estudia el perfil energético de la reacción. Se postula la existencia de una especie llamada complejo activado. El complejo activado, que está en equilibrio con los reactivos, es muy inestable por su elevada energía y se descompone de forma casi instantánea originando los productos de la reacción.
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Catálisis
Los catalizadores son sustancias ajenas a una reacción cuya presencia modifica la velocidad de la misma sin que ellos experimenten alteración permanente alguna.
Las características básicas de un catalizador son:
- No es ni reactivo ni producto. Por tanto, no aparecen en la ecuación química global. Son eficaces, incluso, en muy pequeña cantidad.
- Se recupera al final del proceso en un estado igual al inicial, es decir, puede volver a utilizarse en un nuevo ciclo de catálisis.
- No altera las variables termodinámicas del proceso, porque el catalizador ni aporta ni consume energía del sistema.
- Acelera por igual las reacciones directa e inversa.
- Aunque hay catalizadores válidos para muchos procesos, en general los catalizadores son específicos, es decir, activan una reacción en concreto y no el resto de las reacciones posibles.
Los tipos de catalizadores son:
- Portadores (catálisis homogénea).
- De contacto (catálisis heterogénea).
- Enzimas o biocatalizadores.
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