21 cinetica quimica 9 05 05
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quimica general e inorganica facultad de farmacia y bioquimica (uba)TRANSCRIPT
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Cinética química
Química General e InorgánicaClase del 9 de mayo de 2005
Dr. Pablo Evelson
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La cinética química es el área de la química que estudia la rapidez o
velocidad con que ocurre una reacción.
Cinética químicaCinética química
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La velocidad de reacción depende de :
1- La concentración de reactivo.
2- La temperatura.
3- Catalizadores.
4- Área superficial (si los reactivos o los catalizadores son sólidos o líquidos).
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La velocidad de reacción es el cambio en la
concentración de un reactivo o de un producto con
respecto al tiempo.
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Velocidad de una reacciónVelocidad de una reacción
A B
Reactivos Productos
velocidad = - =[A]t
[B]t
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Con
cen
trac
ión
mol
ar d
e p
rod
uct
o
Tiempo
Tangente
concentración
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Velocidad de una reacción y su relación con la Velocidad de una reacción y su relación con la estequiometríaestequiometría
2HI (g) H2(g) + I2 (g)
velocidad = - = =[HI]t
[H2]
t
12
[I2]
t
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Ecuación de velocidadEcuación de velocidad
+ = orden de reacción
velocidad = k . [A] [B]
k = constante de velocidad específica
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Estudio de la ecuación de velocidad:Estudio de la ecuación de velocidad:ResumenResumen
Las ecuaciones de velocidad siempre se determinan experimentalmente.
El orden de una reacción siempre se determina en función de las concentraciones de los reactivos (y no de los productos).
El orden de un reactivo no está relacionado con el coeficiente estequiométrico del reactivo en la ecuación global balanceada.
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Ecuación de velocidad:Ecuación de velocidad:¿Que información me brinda?¿Que información me brinda?
Determinar la concentración de reactivos en cualquier tiempo de reacción.
El tiempo para que reaccione una fracción de muestra.
El tiempo necesario para que la concentración de reactivos alcance un nivel esperado.
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Cinética de primer ordenCinética de primer orden
2 N2O5 4 NO2 + O2
Ecuación de velocidad: v = k [N2O5] = 1
(A producto)
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Vel
oci
dad
Tiempo
a
b
c
d
e
Velocidad c
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Reacción de primer ordenReacción de primer orden
v = k [N2O5]1
Vel
oci
dad
Concentración
a b c d e
a
b
c
d
e
Velocidad c
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k pequeña
k grande
Tiempo
Con
cen
trac
ión
mol
ar d
e re
acti
vo, [
A]
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ln [N2O5]t = ln [N2O5]0 - k . t
k = tiempo-1 (s-1)
Reacción de primer ordenReacción de primer orden
2 N2O5 4 NO2 + O2
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A
B
5 10 150
0,0
0,1
0,2
Tiempo (s)
ln [
A]
Reacción de primer ordenReacción de primer orden
m = -k
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Vida mediaVida media
La vida media de una reacción es el tiempo necesario para que la concentración de un reactivo descienda a la
mitad del valor inicial.
[N2O5]t1/2 = 1 [N2O5]0
[ A]0 ½[ A]0
= k .t ½ ln t ½ =
ln 2 k
2
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Con
cen
trac
ión
mol
ar d
e re
acti
vo, [
A] k pequeña
k grande
Tiempo
[A]0
t½ corto
t½ largo
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Con
cen
trac
ión
mol
ar d
e re
acti
vo, [
A]
Tiempo
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Cinética de segundo ordenCinética de segundo orden
Ecuación de velocidad: v = k [A]
A producto
Unidades = M-1 x s-1
A + B producto
Ecuación de velocidad: v = k [A] [B]
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1 = 1 + k . t[A [Ao
Tiempo, t
Pendiente = k
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Reacciones de orden ceroReacciones de orden cero
2NH3 (g) N2 (g) + 3 H2 (g)
v= k [reactivo]0 = k
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Vel
oci
dad
Concentración
Co
nce
ntr
a ció
n
Tiempo
Reacciones de orden ceroReacciones de orden cero
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t1/2= [NH3]0/ k
2NH3 (g) N2 (g) + 3 H2 (g)
[ NH3 ]t = [NH3 ]0 - k. t
k = M s-1
Reacciones de orden ceroReacciones de orden cero
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Orden Ecuación de velocidad
Ecuación integrada
Vida media
0 v = k . [Ao [A = [Ao –k t [Ao /k
1 v = k . [A 1 ln [A = ln[Ao - k.t
ln 2/k
2 v = k . [A 2 1 = 1 + k.t [A [Ao
1/ [Ao. k
Resumen
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Dependencia de la velocidad de Dependencia de la velocidad de reacción con la temperaturareacción con la temperatura
Ea = energía de activación
A
B
3,1 3,2 3,33,0
- 9
- 8
- 7
1/T (1/K)
ln k
Ecuación empírica de Arrhenius
k= A . e -Ea/RT
ln k = ln A - Ea 1
R T
A= factor preexponencial
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Caliente Frío
ln k
1 / Temperatura
Energía de activación baja
Energía de activación alta
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Dependencia de la velocidad de Dependencia de la velocidad de reacción con la temperaturareacción con la temperatura
Ea > 60 kJ/ mol la reacción depende fuertemente de la temperatura.
Ea 10 kJ/ mol la reacción depende ligeramente de la temperatura.
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Efecto de la temperatura
Progreso de la reacción Progreso de la reacción
En
ergí
a po
tenc
ial
Ene
rgía
pot
enci
al
En
doté
rmic
a
Exo
térm
ica
Responde más a la temperatura
Responde más a la temperatura
Ea (
dir
ecta
) Ea (
inve
rsa)
Ea (
inve
rsa)E
a (di
rect
a)
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Catalizadores
Un catalizador aumenta la velocidad directa e
inversa de una reacción
Progreso de la reacción
En
ergí
a po
tenc
ial
Reactivos
Productos
Camino original
Ea del camino catalizado
Camino catalizado
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Catalizadores: clasificaciónCatalizadores: clasificación
2 H2O2 H2O + O2
Fe2+
Homogéneo: se encuentra en la misma fase que los reactivos.
Heterogéneo: se encuentra en una fase diferente a los reactivos. Por ejemplo, sólidos en contacto con gases.
C2H4 + H2 C2H6
Pt
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Mecanismos de reacciónMecanismos de reacción
El proceso por el cual se lleva a cabo una reacción se denomina mecanismo de reacción.
Cada paso del mecanismo de reacción reacción elemental
NO + O3 NO2 + O2
Molecularidad: número de moléculas que participan como reactivo en la reacción elemental.
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v = k2 [NO2]2 [CO]1
En el caso en que ocurra en más de una etapa, debemos considerar la velocidad de la reacción de la
etapa más lenta.
NO2 + CO NO + CO2
NO2 + NO2 NO3 + NO
NO3 + CO NO2 + CO2
(rápida)
(lenta)
Para la reacción global:
Procede en dos etapas:
Entonces:
k1
k2
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Reactivos Intermediarios Productos
Rápida
Lenta
Perfil de la reacción
Paso determinante de la velocidad
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Preguntas tipo
44. a) Describa una reacción química en fase gaseosa. Use como ejemplo la reacción de formación de HCl a partir de H2 y Cl2. Mencione los conceptos de choque molecular y formación de uniones químicas.b) ¿Qué es una reacción elemental?
46. Escriba las ecuaciones de velocidad de reacción en función de la concentración de cada reactivo para cada una de las siguientes reacciones en fase gaseosa y en el sentido indicado por las flechas:a) H2 + Cl2 2 HClb) 2 SO2 + O2 2 SO3
c) N2 + 3 H2 2 NH3
47. Dibuje el diagrama de energía en función del grado de avance de la siguiente reacción e indique en el mismo la energía de activación. Marque cómo se modificaría el diagrama en presencia de un catalizador y cómo se afecta la velocidad de la reacción
FeN2(g) + 3H2(g) 2 NH3(g)
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• Atkins P.W, Jones L. Química . 3ra edición. Ed Omega. 1999.
Capítulo 18.• Chang R. Química. Ed. MacGraw Hill.1998.
Capítulo 13.
Consultas: [email protected] (Pablo Evelson)
BibliografíaBibliografía