Cinetica Quimica2013 II

ChemicalKinetics

Cinética Química

.

E. F.C . 2013

Chemistry, The Central Science, 10th editionTheodore L. Brown; H. Eugene LeMay, Jr.;

and Bruce E. Bursten

ChemicalKinetics

Cinética

• Estudia la velocidad con que se producen las reacciones químicas.

• Tambien brinda información de los mecanismos de reacción(exactamente como la reacción ocurre)

ChemicalKinetics

Contenido: Cinética

Velocidad de reacciónCómo nosotros podemos medir la velocidad.

Leyes de la velocidadCómo la velocidad depende de la cantidad de los reactantes.

Leyes integradas de la velocidad

Cómo calcular la cantidad o tiempo para lograr la formación de producto.

Tiempo de vida mediaCuánto toma la reacción para reaccionar el 50% de los reactantes.

Ecuación de ArrehniusCómo la velocidad cambia con la temperatura..

MecanismosNexo entre la velocidad y procesos a escala molecular.

ChemicalKinetics

Factores que afectan la velocidad de Reacción

• Concentración de Reactantes Cuando la concentración aumenta esto hace que haya mayor

cantidad de colisiones

• Temperatura A altas temperaturas , las moléculas de los reactantes se

mueven más rapidamente, tienen mayor energía cinética y colisionan más a a menudo con gran energía.

• Catalizadores Ellos cambian el mecanismo de la reacción.

ChemicalKinetics

Velocidad de la Reacción

La velocidad de la reacción puede ser determinada monitoreando el cambio en la concentración de cualquiera de los reactantes y los productos en función del tiempo [A] vs t

ChemicalKinetics

Velocidad de Reacción

En ésta reacción la concentración del cloruro de butilo , C4H9Cl, fue medido a determinados tiempos, t.

C4H9Cl(aq) + H2O(l) C4H9OH(aq) + HCl(aq)

[C4H9Cl] M

ChemicalKinetics


La velocidad promedio de la reacción en cada intervalo es el cambio de la concentración dividido entre el cambio del tiempo :


Average Rate, M/s

ChemicalKinetics

Velocidad de reacción

• Note que la velocidad promedio disminuye a medida que la reacción procede.

• Esto es como resultado de la poca colisión entre las moléculas de los reactantes.


ChemicalKinetics


• Al graficar concentración vs. tiempo para esta reacción muestra la siguiente curva.

• La pendiente es la línea recta, tangente a la curva en un punto a una velocidad instantánea en un determinado tiempo


ChemicalKinetics


• La reacción se hace lenta con el tiempo debido a la disminución de la concentración de los reactantes.


ChemicalKinetics

Velocidad de Reacción y Estequiometría

• Para la reacción:

aA + bB cC + dD

Reactantes (disminuye) Productos (aumentan)

ChemicalKinetics

Concentración y Velocidad

Cada reacción tiene su propia ecuación de velocidad, dicha velocidad esta en función de la concentración de los reactantes.

esto es denominado como Ley de Velocidad

ChemicalKinetics

Concentración y Velocidad

Compare los Experimentos 1 y 2:Cuando [NH4

+] se duplica, la velocidad inicial tambien se duplica.

ChemicalKinetics

Concentración y velocida

De otro lado, compare Experimentos 5 y 6:

Cuando [NO2-] es el doble , la velocidad inicial

tambien se duplica.

ChemicalKinetics

Concentración y velocidad

Esta ecuación es llamada la ley de la velocidad, y k es la constante de velocidad.

ChemicalKinetics

Leyes integrales de la Velocidad

Considerar una reacción simple de 1er order : A B

Integrando:

Forma diferencial:

ChemicalKinetics


La forma integrada de la reacción de 1er orden:

Se puede arreglar asi:

[A]0 es la concentración inicial de A (t=0).[A]t es la concentración de A a un determinado tiempo, t, durante el curso de la reacción.

ChemicalKinetics


Arreglando ésta ecuación da como resultado:

…el cual tiene la forma y = mx + b

ChemicalKinetics

Procesos de Primer orden

Si la reacción es de primer orden , al graficar ln [A]t vs. t resultará una línea recta con una pendiente -k.

Entonces se usará gráficas para determinar el orden de la reacción

ChemicalKinetics

Procesos de Primer ordenConsiderar el siguiente proceso donde el metil isonitrilo es convertido a acetonitrilo

CH3NC CH3CN

Cómo sabemos si es una reacción de primer orden?

ChemicalKinetics

Procesos de Primer orden

Estos datos fueron colectados a 198.9°C.

CH3NC CH3CN

La velocidad v=k[CH3NC] es la misma para todos los intervalos de tiempo?

ChemicalKinetics

Procesos de primer orden

• Cuando ln P es ploteado en función del tiempo , resulta una línea recta.El proceso es de primer orden.k es la pendiente negativa: 5.1 10-5 s-1.

ChemicalKinetics

Procesos de Segundo orden

De similar forma :

También en la forma:y = mx + b

Rearreglando, e integrando:

ChemicalKinetics

Procesos de Segundo orden

Para un proceso de segundo orden, plotear 1/[A] vs. t el cual dará como resultado una línea recta con pendiente k.

ChemicalKinetics

Determinando orden de Reacción

La descomposición de NO2 a 300°C es descrita por la ecuación:

NO2 (g) NO (g) + 1/2 O2 (g)

y los datos:

Time (s) [NO2], M

0.0 0.01000

50.0 0.00787

100.0 0.00649

200.0 0.00481

300.0 0.00380

ChemicalKinetics

Graficando ln [NO2] vs. t :

Time (s) [NO2], M ln [NO2]

0.0 0.01000 -4.610

50.0 0.00787 -4.845

100.0 0.00649 -5.038

200.0 0.00481 -5.337

300.0 0.00380 -5.573

• Al plotear no se tiene una línea recta entonces no es de primer orden.

Determinando orden de Reacción

No resulta ser recta si graficamos :

ChemicalKinetics

Proceso de Segundo OrdenUna gráfica de 1/[NO2] vs.

t da:

Time (s) [NO2], M 1/[NO2]

0.0 0.01000 100

50.0 0.00787 127

100.0 0.00649 154

200.0 0.00481 208

300.0 0.00380 263

• Este es una línea recta, entonces es de segundo orden en [NO2].

ChemicalKinetics

Tiempo de vida media

• Tiempo en la cual la concentración final es la mitad de la concentración inicial

[A]t = 0.5 [A]0.

ChemicalKinetics

Tiempo de vida media Para un proceso de primer orden, [A]t=0.5 [A]0 al

integrar la velocidad de reacción resulta:

NOTA: Para un proceso de primer orden, el tiempo de vida media no depende de [A]0.

ChemicalKinetics

Tiempo de vida media para segundo orden

[A]t=0.5 [A]0 .

ChemicalKinetics

Temperatura y velocidad

• Generalmente, cuando la temperatura aumenta la velocidad tambien lo hace.

• Esto es porque k depende de la temperatura

ChemicalKinetics

El Modelo de colisión

• En una reacción química se rompen enlaces y se forman otros.

• Las moléculas sólo pueden reaccionar si colisionan unos con otros.

ChemicalKinetics

El modelo de colisión

Además las moléculas deben colisionar con la correcta orientación y con suficiente energía para causar rompimiento de enlaces y la formación de otros.

http://www.dlt.ncssm.edu/core/Chapter15-Kinetics/Chapter15-Animations/Molecular_collision_Ea.html

ChemicalKinetics

Energía de Activación• La suficiente energía o una energía mínima

requerida para la reacción se denomina Energía de Activación, , Ea.

• http://www.dlt.ncssm.edu/core/Chapter15-Kinetics/Chapter15-Animations/Energy_of_Activation.html

ChemicalKinetics

Ecuación de Arrhenius

Svante Arrhenius desarrolló una relación matemática entre k y Ea:

Donde A es un factor de frequencia, un número que representa la probabilidad con que pueden ocurrir las colisiones con la adecuada orientación de la reacción.

ChemicalKinetics

Ecuación de Arrhenius

Tomando logaritmos a ambos lados se obtiene:

1RT

y = mx + b

Donde k es determinado experimentalmente a diferentes temperaturas , Ea puede ser calculada de la pendienteal plotear ln k vs. 1/T.

ChemicalKinetics

Resumen: Cinética

Primer orden Segundo orden Segundo orden

Ley de velocidad

Integración de la ley de velocidad

complicado

Tiempo de vida media complicado

k(T)

ChemicalKinetics

Mecanismos de reacción

La secuencia de eventos que describen el proceso actual en el cual los reactantes se convierten en productos son denominados como mecanismos de reacción.

ChemicalKinetics

Catalizadores

• Catalizadores incrementan la velocidad de una reacción ya que hacen disminuir la energía de activación de la reacción .

• Catalizadores cambian el mecanismo por el cual el proceso ocurre.

ChemicalKinetics

Catalizadores

Una forma de que los catalizadores aceleren la reacción es colocarlos junto a los reactantes de tal manera que ayuden a romper los enlaces.

• http://www.dlt.ncssm.edu/core/Chapter15-Kinetics/Chapter15-Animations/Catalyst_1.html

ChemicalKinetics

Enzimas• Enzimas son los

catalizadores de los sistemas biológicos.

• El sustrato se fija en el sitio activo de la enzima simulando una “ llave con su candado”

• http://www.dlt.ncssm.edu/core/Chapter15-Kinetics/Chapter15-Animations/enzyme.html

Cinetica Quimica2013 II

Documents

Transcript of Cinetica Quimica2013 II