Cinética
Química
Ilustración 1 http://www.fisicanet.com.ar/quimica/cinetica_quimica/ap01_cinetica_quimica.php
La velocidad de una reacción es variable y depende de la concentración de las especies reaccionantes, de la temperatura, de la presencia o ausencia de agentes catalíticos y de la naturaleza de los reactivos.
A +
B à C
+ D
(Reacción hacia adelante o directa)
C +
D à A
+ B
(Reacción inversa)
Nos
referiremos a la reacción hipotética en la que es necesario el choque entre A y
B para que se efectúe dicha reacción. La velocidad a la cual reaccionan A y B
depende de la concentración de las moléculas de A y B que se encuentren
presentes; será más rápida, en condiciones fijas, cuando se mezclan por primera
vez A y B. A medida que se lleva a cabo la reacción disminuye el número de
moléculas de A y B disponibles para la reacción, y la velocidad de ésta
disminuye. Si la reacción es reversible, la velocidad de la reacción inversa es
cero al inicio, y aumenta gradualmente a medida que aumentan las
concentraciones de C y D. Cuando disminuye el número de moléculas de A y B, la
velocidad de la reacción directa disminuye porque A y B no pueden encontrarse
tan frecuentemente para reaccionar. Para compensar esta velocidad decreciente
de reacción, con frecuencia se usa un exceso de uno de los reactivos para
evitar que la reacción sea impráctica por lo lenta.
Factores que influyen en la velocidad de reacción.
• Temperatura.
• Concentración.
• Naturaleza de los reactantes.
• Estado físico en que se encuentran los reactantes.
• El grado de disgregación, cuando los reactantes son sólidos.
• Los catalizadores e inhibidores.
• Concentración.
• Naturaleza de los reactantes.
• Estado físico en que se encuentran los reactantes.
• El grado de disgregación, cuando los reactantes son sólidos.
• Los catalizadores e inhibidores.
Efecto de la temperatura en la velocidad de reacción
Al incrementar la temperatura la velocidad de la reacción aumenta. Este hecho encuentra explicación en las dos teorías revisadas, dado que un aumento de la temperatura favorece los choques efectivos entre las moléculas, habiendo, además, más moléculas de reactantes que poseen la energía suficiente para formar el complejo activado.
En general, un aumento de temperatura de 10ºC se traduce en un aumento de la velocidad cercana al doble de su valor original.
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Madera ardiendo: Una reacción química con una velocidad de reacción
rápida. http://www.ecoargentina.org/impacto-ambiental/incendios-forestales-Argentina.htm
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Efecto de la concentración de los reactantes
Al aumentar la concentración de los reactantes, aumenta la probabilidad de choques efectivos entre las moléculas, y además existen más moléculas que tienen la energía necesaria para formar el complejo activado.
A mayor concentración, mayor es la velocidad de reacción.
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Ilustración 3 http://aprendequimica.blogspot.mx/2011/12/teoria-de-la-colision-de-lewis.html
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Naturaleza de los reactantes
Cuando la reacción implica el rompimiento de enlaces covalentes será, generalmente, más lenta que cuando ocurre entre partículas que se encuentran como iones.
Estado físico de los reactantes
Las reacciones homogéneas entre gases o entre sustancias disueltas suceden generalmente con mayor rapidez que si estuvieran en estado sólido. En el primer caso es mayor el número de choques entre las moléculas, lo que favorece la velocidad de reacción.
El grado de división de los sólidos influye en la cinética
de la reacción, ya que cuando aumenta la superficie efectiva de contacto entre
los reactantes, mayor es la probabilidad de que tenga lugar el choque de las
moléculas. Cuando el sólido está como un trozo, la reacción se produce con las
moléculas de la superficie.
Catalizadores e inhibidores
Un catalizador es una sustancia que, estando presente en una reacción química, produce una variación de su velocidad sin ser consumida ni formada durante el transcurso de la reacción.
Los catalizadores pueden ser catalizadores positivos o catalizadores negativos.
Los primeros son las sustancias que aumentan la velocidad de la reacción, pero
que no se consumen ni se forman, pues su papel es disminuir la energía de
activación. En cambio, los catalizadores negativos o inhibidores, aumentan la
energía de activación, y por lo tanto, disminuyen la velocidad de la reacción.
Equilibrio Químico
El equilibrio químico se alcanza en una reacción reversible, cuando las velocidades de las reacciones directa e inversa se igualan y las concentraciones netas de reactivos y productos permanecen constantes.
Equilibrio químico: velocidad de la
reacción directa = velocidad de la reacción inversa
La mayor parte de las reacciones químicas son reversibles y su representación es mediante una doble flecha.
A + B
↔ C + D
Si las condiciones en que se
desarrolla el equilibrio permanecen invariables, las velocidades con que
progresan las dos reacciones opuestas llegan a igualarse en un instante
dado. En ese momento se dice que el sistema se encuentra en estado de
equilibrio, esto es, las dos reacciones opuestas continúan produciéndose y las
concentraciones de los reactantes y de los productos permanecerán constantes.
Ley del equilibrio químico y constantes de equilibrio.
Para una reacción química que
ocurre a una temperatura y presión determinada, tenemos el equilibrio
aA + bB ↔ cC + dD
Las expresiones de velocidad directa e inversa para la reacción:
V1 = K1 [A]a × [B]b
V2
= K2 [C]c × [D]d
En el equilibrio deben igualarse las dos velocidades. En ese momento los coeficientes estequiométricos coinciden con el orden de la reacción, de esta manera:
Si
V1 = V2 K1 [A]a [B]b = K2 [C]c [D]d
K1
[C]c [D]d
---- = ------------- = Keq
K2 [A]a [B]b
---- = ------------- = Keq
K2 [A]a [B]b
La Ley de Gulberg y Waage se
define como:
“En un proceso elemental, el producto de las concentraciones en el equilibrio de los productos elevadas a sus respectivos coeficientes estequiométricos, dividido por el producto de las concentraciones de los reactivos en el equilibrio elevadas a sus respectivos coeficientes estequiométricos, es una constante para cada temperatura llamada constante de equilibrio (Keq) o simplemente (K)”.
“En un proceso elemental, el producto de las concentraciones en el equilibrio de los productos elevadas a sus respectivos coeficientes estequiométricos, dividido por el producto de las concentraciones de los reactivos en el equilibrio elevadas a sus respectivos coeficientes estequiométricos, es una constante para cada temperatura llamada constante de equilibrio (Keq) o simplemente (K)”.
La constante de equilibrio K,
nos permite establecer el grado en que se produce una reacción, así:
- Cuando K > 1 indica
que en el equilibrio la mayoría de los reactivos se convierten en productos.
- Cuando K < 1, indica
que cuando se establece el equilibrio, la mayoría de los reactivos quedan sin
reaccionar, formándose solo pequeñas cantidades de productos.
- Si K = 1, significa que
en el equilibrio no hay predominio ni de los productos ni de los reactantes.
A + B ↔ C + D
Factores que afectan el
equilibrio químico
Existen diversos factores capaces de modificar el estado de equilibrio de un proceso químico como son la temperatura, la presión y el efecto de las concentraciones. Estos factores están relacionados con el principio de Le Chatelier-Braund, “Si en un sistema en equilibrio se modifica alguno de los factores que influyen en el mismo (temperatura, presión o concentración), el sistema evoluciona de forma que se desplaza en el sentido que tienda a contrarrestar dicha variación”.
Existen diversos factores capaces de modificar el estado de equilibrio de un proceso químico como son la temperatura, la presión y el efecto de las concentraciones. Estos factores están relacionados con el principio de Le Chatelier-Braund, “Si en un sistema en equilibrio se modifica alguno de los factores que influyen en el mismo (temperatura, presión o concentración), el sistema evoluciona de forma que se desplaza en el sentido que tienda a contrarrestar dicha variación”.
Efecto de la temperatura
En los procesos endotérmicos el aumento de temperatura favorece el proceso porque necesita aporte de energía. En las reacciones exotérmicas el aumento de temperatura entorpece la reacción. En general la reacción se desplaza en el sentido que absorba calor, es decir, que sea endotérmica.
Para una reacción endotérmica:
A + B + calor
↔ C + D
Un aumento de la temperatura
provocará un desplazamiento del equilibrio hacia el lado que contrarresta, o
sea hacia la derecha.
Para una reacción exotérmica:
A + B ↔
C + D + calor
Un aumento de la temperatura
provocará el desplazamiento hacia la izquierda.
Efecto de la presión
Una variación de presión en un equilibrio químico influye solamente cuando en el mismo intervienen gases y hay variación del número de moles. Si aumenta la presión, el sistema se desplazará hacia donde existan menor número de moles (porque ocupan menos espacio) para así contrarrestar el efecto de disminución de V, y viceversa. El efecto de un cambio de presión depende de los cambios de volumen que tengan lugar durante la reacción. Si aquella se produce sin cambio de volumen, todo cambio de presión que se le aplique no la modifica.
Efecto de las concentraciones
La variación de la concentración de cualquiera de las especies que intervienen en el equilibrio no afecta en absoluto al valor de la constante de equilibrio; no obstante el valor de las concentraciones de las restantes especies en equilibrio sí se modifica. Un aumento de la concentración de cualquier sustancia desplaza el equilibrio en dirección contraria a la formación de esa sustancia.
Una disminución de la concentración de cualquier sustancia desplaza el equilibrio hacia la formación de esa sustancia.
