Cinetica Quimica

 

Introducción La Cinética Química es la rama de la química que estudia cuantitativamente la rapidez de reacción. También estudia el cambio de la composición de los estados energéticos con respecto al tiempo. Una reacción puede ser espontánea de acuerdo a las leyes termodinámicas, pero para saber si ocurre o no ocurre, ésta debe ocurrir en lapso de tiempo razonable. En este caso es imprescindible notar la diferencia entre espontaneidad y rapidez Ejemplo de esta situación, es el caso de la mayoría de los compuestos orgánicos que componen nuestras células del cuerpo. La mayoría de éstos no son estables desde un punto de vista termodinámico el cual predice que deberían reaccionar espontáneamente con oxígeno par producir bióxido de carbono y agua. Por otra parte para nuestra suerte, nuestro lapso de vida tiene una rapidez adecuada que no le da tiempo a que todos esos procesos ocurran en ese intervalo sin ayuda de un catalítico. Por lo tanto estas reacciones están controladas por la rapidez en que ocurren y no por si son espontáneas o no. no hay relación espontaneidad y rapidez. entre Para predecir cuán rápido ocurren las reacciones necesitamos los principios de la Cinética Química.

Objetivos   Lograr conocer bien las definiciones y conceptos de la cinética química y de la

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velocidad de reacción.   Analizar el concepto de la cinética química y su importancia en el desarrollo de los reactores químicos.   Identificar los diferentes tipos de reacciones químicas en la cinética química.   Determinar la importancia de los reactores químicos.

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Desarrollo Cinética Química 

La Cinética Química se encarga de estudiar las características de una reacción química, con respecto a su velocidad y a sus posibles mecanismos de explicación. La velocidad de una reacción se define como el número de m moles oles de reaccionantes transformados por unidad de volumen y por unidad de tiempo. Usualmente se expresa en unidades de (mol/L)/s ó M/s  

 

 

El mecanismo de una reacción es la secuencia de etapas que explican las interacciones que se realizan entre los reaccionantes para su transformación en los productos de la reacción Teoría de las Colisiones Efectivas  

Esta teoría teoría propone que: "Una "Una reacción

química es posible si los

reaccionantes chocan entre sí, en la dirección adecuada y con un requerimiento energético mínimo denominado Energía de Activación". En la reacción simbólica: A + B → C + D El choque de los reaccionantes en la dirección adecuada, forma una especie intermedia, AB, denominada Complejo Activado, con un contenido energético mayor que el de los reaccionantes; de tal manera que un mecanismo muy simple permite escribir como la primera etapa de la reacción que. A + B ↔ AB Ende donde la reversibilidad explica que si complejo no alcanza la energía activación requerida la reacción se elinvierte y, formado por lo tanto, no hay reacción; en caso contrario, en etapas subsiguientes se realizan rupturas y formación de nuevos enlaces que explican que el complejo activado se transforme en los productos de la reacción, escribiéndose entonces que: AB → C + D El mecanismo anterior, explicado en dos etapas, muestra como resultado global la reacción escrita inicialmente.

Velocidad de Reacción Las velocidades de las reacciones químicas constituyen el campo de estudio de la cinética química. Por experimentación se encuentra que la velocidad de una reacción depende de la temperatura, la presión y las concentraciones de las especies implicadas. La            varias potencias de diez. A partir del estudio de la velocidad de una reacción y de su dependencia de todos estas factores, se puede aprender mucho acerca de las etapas detalladas por medio de las que los reactivos se convierten en productos. Velocidad de reacción, cantidad de sustancia que se transforma en una reacción química en la unidad de tiempo. Las reacciones químicas tienen lugar a muy distintas velocidades. En química es mu mu                   

 

 

Para muchos procesos industriales y para actividades como la conservación de los edificios resulta muy conveniente la aceleración de ciertas reacciones y la ralentización de otras. Un campo de investigación crucial es la búsqueda de catalizadores para procesos industriales. Por ejemplo, sin un catalizador, la conversión del nitrógeno y el hidrógeno en amoníaco en el proceso Haber seria demasiado lenta para ser útil. Un catalizador de hierro acelera la reacción lo suficiente como para que el proceso sea económicamente rentable. El tamaño de las partículas también afecta a la velocidad de reacción. La velocidad de reacción depende de la naturaleza de las sustancias, temperatura y concentración de los reactivos. Un incremento de temperatura produce casi invariablemente un aumento de velocidad; en efecto, en muchas reacciones un ascenso de 10ºC duplica dicha velocidad, y a veces el efecto es aún mayor. De igual manera, con excepción de algunas reacciones (de orden cero) en las cuales no ejerce efecto la concentración, el aumento de la concentración inicial origina una aceleración en la velocidad. Esta no permanece constante durante el proceso de transformación sino, que es máxima al comienzo y decrece a medida que se consumen los reactivos. Teóricamente, es necesario un tiempo infinito para que esta velocidad se haga cero. En la practica consideramos que aquella procede con tal lentitud, después de un cierto tiempo, que se lleva a cabo en un intervalo finito de tiempo. Además, muchas reacciones se ven influidas por la presencia de sustancias con capacidad de acelerar o disminuir la velocidad y que se conocen con el nombre de catalizadores, y las reacciones afectadas se dice que son catalizadas. Las reacciones influidas por la luz se denominan  fotoquímicas, y se encuentran muy estimuladas cuando la luz de frecuencia apropiada pasa por la mezcla reaccionante. Cinéticamente las reacciones se clasifican en                                                      terogénea.  terogénea. Factores que Influyen en la Velocidad de una

Reacción

Química 

La velocidad de una reacción química depende fundamentalmente de las concentraciones de los reaccionantes y de la temperatura, además de la naturaleza y del estado de subdivisión de los reaccionantes Concentración de los r eac cio cionantes

Un aumento en la concentración de los reaccionantes aumenta la velocidad de reacción debido al mayor número de moléculas en un volumen determinado que hace que el número total de choques por unidad de tiempo aumente.

 

 

Temperatura de la r eacc ión ión  Un aumento de temperatura aumenta la velocidad de una reacción debido al aumento en la energía de los reaccionantes, lo que hace que aumente el número de choques eficaces facilitando la disgregación y reorganización de las partículas. Aproximadamente, se cumple que la velocidad de una reacción se duplica con un aumento de temperatura de 10°C Naturaleza de los r eaccionantes 

Es característico de las reacciones entre compuestos de naturaleza inorgánica el desarrollarse muy rápidamente, mientras mientras que las reacciones entre compuestos de naturaleza orgánica son lentas. Estado de subdi visión visión 

Las velocidades de reacciones entre sustancias en diferentes estados materiales se ven favorecidas con un aumento en la superficie de contacto entre ellas.. Al reaccionar un sólido y un un gas o un líquido, aumenta la velocidad al pulverizar el sólido, es decir, la superficie de contacto. Las reacciones entre sustancias en estado gaseoso son más rápidas que entre sustancias en estado líquido y mucho más si las sustancias se encuentran en estado sólido.

Ley de velocidad de reacción  Es la ecuación que relaciona la velocidad de una reacción con las concentraciones de reaccionantes. Se expresa como "la velocidad de una reacción química es directamente proporcional al producto de las concentraciones de los reaccionantes, elevadas a los exponentes correspondientes". La ecuación de velocidad de una reacción se determina experimentalmente y los exponentes son independientes de los coeficientes de la reacción balanceada. Para una reacción irreversible del tipo sustrato, S, se transforma en producto, P, como S → P La ecuación de velocidad de reacción, r, es de la forma: r = K [S] n  Siendo [S] la concentración de sustrato, K la constante específica de velocidad de reacción y, n el exponente correspondiente. La constante específica de velocidad de reacción se determina experimentalmente y es una característica cinética para cada reacción; su valor depende de la temperatura de la reacción y se puede definir como la velocidad de reacción cuando la concentración del sustrato sea igual a 1 M.

 

 

Ecuación de Arrhenius La ecuación de Arrhenius expresa que entre la constante específica de velocidad y la temperatura de una reacción existe una relación exponencial de la forma: 

        

 

Siendo K0 una constante específica para cada reacción, denominada factor de frecuencia, Ea la energía de activación, R la constante universal de los gases ideales en unidades energéticas y T la temperatura absoluta de la reacción. La ecuación de Arrhenius es de naturaleza empírica, lo cual implica que dicha relación se determina experimentalmente. Al aplicar logaritmos a ambos miembros de la ecuación, se transformación a una expresión lineal de la forma:  forma:  

   

   

Siendo ln K la variable dependiente, 1/T la variable independiente, -Ea/RT la pendiente de la línea y ln K0 el término independiente o intercepto de la línea con el eje de las ordenadas en una representación gráfica. Esta linearización permite la determinación de la energía de activación y el factor de frecuencia de una reacción a partir de un conjunto de datos de constantes de velocidad de reacción a diferentes temperaturas.

Temperatura Por norma general, la rapidez de reacción aumenta con la temperatura porque al aumentarla incrementa la energía cinética de las moléculas. Con mayor energía cinética, las moléculas se mueven más rápido y chocan con más frecuencia y con más energía. El comportamiento de la constante de velocidad o coeficiente cinético frente a la temperatura =   ⁄ esta ecuación linealizada es muy útil a puede ser 



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

descrito a través de la Ecuación de Arrhenius     donde K es la constante de la velocidad, A es el factor de frecuencia, EA es la energía de activación necesaria y T es la temperatura, al linealizarla se tiene que el logaritmo neperiano de la constante de  velocidad es inversamente proporcional a la temperatura, como sigue:  la hora de 

calcular la energía de activación experimentalmente, ya que la pendiente de la recta obtenida al graficar la mencionada ley es: -EA/R, haciendo un simple despeje se obtiene fácilmente esta energía de activación, tomando en cuenta que el valor de la constante universal de los gases es 1.987cal/K mol. Para un buen número de reacciones químicas la velocidad se duplica aproximadamente cada diez grados centígrados.

 

 

Estado Físico de los Reactivos Si en una reacción interactúan reactivos en distintas fases, su área de contacto es menor y su velocidad también es menor. En cambio, si el área de contacto es mayor, la velocidad es mayor. Al encontrarse los reactantes en distintas fases aparecen nuevos factores cinéticos a analizar. La parte de la reacción química, es decir hay que estudiar las velocidades de transporte, pues en la mayoría de los casos estas son mucho más lentas que la velocidad intrínseca de la reacción y son las etapas de transporte las que determinan la cinética del proceso. No cabe duda de que un mayor área de contacto reduce la resistencia al transporte, pero también son muy importantes la difusividad del reactante en el medio, y su solubilidad, dado que esta es el límite de la concentración del reactante, y viene determinada por el equilibrio entre las fases.

Orden de Reacción Para la reacción en consideración, el orden es el exponente correspondiente a la concentración de sustrato en la ecuación de velocidad de reacción. Para reacciones sencillas, el orden es un número entero de poco valor pero para reacciones complejas el orden es un número real cualquiera. El orden de una reacción se determina experimentalmente y es una característica cinética cuyo valor se explica solamente cuando se conoce el mecanismo de la reacción. El orden de una reacción explica como es la variación de su velocidad cuando varía la concentración de sustrato. Reacción de

orden cero 

Para una reacción de orden cero, la velocidad de reacción es independiente de la concentración de sustrato, es decir: r=K Siendo r, la velocidad de reacción y K, la constante específica de velocidad d de e reacción. Entendiendo a la velocidad de una reacción como la rapidez de cambio de la concentración de sustrato entonces, las ecuaciones de velocidad son ecuaciones diferenciales que al integrarlas permiten obtener expresiones que relacionan los valores de la concentración de sustrato con el tiempo de reacción. Para una reacción de orden cero dicha relación es de la forma:

[]  []    Siendo [S]0, la concentración inicial de sustrato y "t", el tiempo de reacción.

 

 

Reacción de

orden un o

Para una reacción de orden uno, la velocidad de reacción es directamente proporcional de la concentración de sustrato, es decir: r = K[S] y la variación de la concentración de sustrato con el tiempo esta dada por la expresión:

[]  []     Para propósitos de determinación de cinéticas de primer orden es importante manejar la expresión exponencial transformada linealmente en una representación semi-logarítmica, lo que corresponde a la siguiente ecuación:

 [[]  [ []    En donde - K es la pendiente de la línea recta y ln[S] 0  es el intercepto de la recta con el eje de las ordenadas. Esta linearización permite la determinación de la constante de velocidad de una reacción de primer orden. Reacción de

orden d os os

Para una reacción de orden dos, la velocidad de reacción es directamente proporcional al cuadrado de la concentración de sustrato, es decir: 2

r = K[S]   Una representación de la cinética de orden dos es la Gráfica 4a y la variación de la concentración de sustrato con el tiempo expresada en forma lineal lineal es:

  []      [] Catalizadores

Los catalizadores son sustancias que añadidas a los reaccionantes de una reacción aumentan su velocidad sin experimentar cambios en su integridad molecular, pudiéndose recuperar entre los productos finales de la reacción. El modo de acción de un catalizador cambia el mecanismo de la reacción de tal forma que mediante una secuencia de etapas diferentes y más rápidas, el catalizador participa como un reaccionante que finalmente es regenerado. En una forma simplificada, este mecanismo se representa como: S + C ↔ SC → P + C

 

 

Siendo S, P y C el sustrato, producto y catalizador respectivamente. De la participación del catalizador como un reaccionante regenerado se desprende que la velocidad de la reacción catalizada dependerá de la concentración de catalizador suministrado. Se considera que un catalizador es una sustancia cuya concentración aparece en la ecuación de velocidad de la reacción catalizada, pero que no está representada en la ecuación estequiometria de la reacción neta, esto es: C S ↔ P Los catalizadores no afectan el calor de reacción debido a que el cambio neto resultante producido es el mismo de la reacción no catalizada; pero en cambio disminuyen la energía de activación requerida porque los catalizadores aumentan la eficacia de los choques entre las moléculas de sustrato, debido a que hacen mas frágiles los enlaces intermoleculares o bien forman un complejo activado que requiere menos o poca energía. Al relacionar las ecuaciones de Arrhenius tanto para la reacción catalizada como para la no catalizada, se obtiene la siguiente ecuación:



        

Donde se puede determinar el aumento en el valor de la constante de velocidad de reacción catalizada con respecto a la no catalizada para una cierta disminución en la energía de activación a una temperatura determinada. Kc y K son las constantes de velocidad de las reacciones catalizadas y no catalizadas y las energías de activación correspondientes son Ea y Eac. Para una temperatura de 37°C, el denominador tiene un valor de 1420 cal/mol, de tal manera que si la diferencia en las energías de activación es de este valor las constantes son iguales; pero si es el doble, la reacción catalizada es 100 veces más rápida y si es el triple la reacción catalizada es 1000 veces más rápida y así sucesivamente.

Concentración de os Reactivos La mayoría de las reacciones son más rápidas cuanto más concentrados se encuentren los reactivos. Cuanta mayor concentración, mayor frecuencia de colisión. La obtención de una ecuación que pueda emplearse para predecir la dependencia de la velocidad de reacción con las concentraciones de reactivos es uno de los objetivos básicos de la cinética química. Esa ecuación, que es determinada de forma empírica, recibe el nombre de ecuación de la velocidad. velocidad.  

 

 

Energía de Activación Energía de activación, energía mínima que deben poseer las entidades químicas (átomos, moléculas, iones o radicales) para producir una reacción química. La energía de activación representa una barrera energética que tiene que ser sobrepasada para que la reacción tenga lugar. La expresión de la ecuación         nos recuerda la forma de la ecuación para la constante de equilibrio e quilibrio de una reacción como: d In K = H0 dT RT2 después de integrar tenemos: In K = − H0 + In K"  RT  RT (&) (&) Donde In K" es K" es la constante de integración. Para una reacción elemental, K = kf / kr  y K"=k"f / k"r  además, H0 = H0P − H0R son las entalpías totales de los productos y de los reactivos, respectivamente. Aplicando estos valores a la ecuación (&) y redondeando tenemos: In kf − H0R = In kr − H0P k"f RT k"r RT   La constante de velocidad para la reacción directa, presumiblemente depende sólo de las propiedades de los reactivos, mientas que la de la reacción inversa depende solo de las propiedades de los productos. El lado izquierdo de la ecuación (1.1) depende en apariencia solo de las propiedades de los reactivos, mientras que el derecho depende solo de los productos. Por tanto, cada lado debe ser igual a una constante, que puede ser −H* / RT; entonces: In kf = k"f e−(H* − H0R)  H0R) /  / RT y In kr = k"r k"r e−(H* − H0P) H0P) / RT   Este argumento puede aclarar la forma de la ecuación de Arrhenius para las constantes de velocidad de cualquier reacción elemental en cualquier dirección. La cantidad H* − H0R es la cantidad de energía que la ecuación de Arrhenius expresa como E*f . Como se observa experimentalmente que E*f  E*f es es positiva, se concluye que H*  − H0R es positiva y que H*  H* > > H0R. un argumento similar demuestras que H*  H* es es también La altura de esta barrera es H* − H0R esta es la energía de activación para la reacción en la dirección directa E*f. Los reactivos que al chocar no tienen la suficiente energía para vencer la barrera, permanecerán como tales. Vista desde el lado del producto, la altura de la barrera es H* − H0P . H0P . Esta es la energía de activación para la reacción inversa E*r . La relación entre las dos energías de activación se obtiene sin mayores complicaciones. Expresamos: H* − H0P = H* − H0R + H0R − H0P = H* − H0R − H0  H0   Por tanto: E*r = E*f − H0  H0  Que es la relación general entre las energías de activación y el cambio de

 

 

energía en la reacción. Si conocemos la energía de activación para la reacción en sentido directo, podemos calcular la de la reacción inversa por medio de la ecuación siempre y cuando H0 sea conocida.

Aplicaciones De La Cinética La cinética se puede aplicar a la optimización de las condiciones de un proceso, por ejemplo en la síntesis en química orgánica, en reacciones analíticas y en la manufactura química. Adicionalmente, otro uso práctico de la cinética es la determinación y control de la estabilidad de los productos comerciales, farmacéuticos, pinturas.

Medio Ambiente Una de las tantas aplicaciones se encuentra en medio ambiente, el modo en que las aguas naturales adquieren su composición está controlado por principios termodinámicos del equilibrio químico y de la cinética. Al cabo del tiempo, en su trayectoria subterránea, el control lo ejerce en la cinética química. En muchos trabajos relacionados con la calidad de las aguas naturales, no se considera el papel que juega el factor tiempo en el proceso de disolución de los minerales, limitándose solo a estudiar dicha calidad en condiciones de equilibrio. Sin embargo, el tiempo de reacción junto a la temperatura y el contenido de CO2, son los tres principales elementos que determinan el proceso de adquisición de la composición química a través de las distintas fases presentes: gas, líquido y sólido. En las condiciones naturales, en un momento dado, el contenido de CO 2 libre y de CO2 combinado es el resultado de la acción del tiempo, así como de las condiciones geológicas anteriores.

Alimentos Los procesos utilizados en la industrias de alimentos constituyen el factor de mayor importancia en las condiciones de vida y en la búsqueda de soluciones que permitan preservar las características de los alimentos por largos períodos, utilizando procedimientos adecuados en la aplicación de sustancias químicas en los alimentos tales como el enfriamiento, congelación, pasteurización, secado, ahumado, conservación por productos químicos y otros de carácter similares que se les puede aplicar estas sustancias para su conservación y al beneficio humano. Las industrias de alimentos como la MERK han desarrollado nuevos productos como flavoides, folatos y ácidos grasos polisaturados (omega 3) para alimentos funcionales y suplementos alimenticios. también ofrece suplementos de vitaminas y minerales de los cuales MERK ha sido internacionalmente reconocido como un proveedor de primera calidad, además todo los productos son enriquecidos con co n enzimas, antioxidantes y preservantes, etc. constituyen importancia el valor de los alimentos procesados, ya queLos sonaditivos empleados a alimentos mas deen 2000 aditivos alimentarios, colorantes

 

 

artificiales, edulcorantes, antimicrobianos, antioxidantes, autorizados para usarse en los alimentos.

Conclusión La vida es catálisis y los seres vivos están llenos de catalizadores, en cualquiera de sus niveles y tamaños. Estos catalizadores dirigen las prodigiosas y cuasiinstantáneas transformaciones que tanto distinguen lo que ocurre dentro de lo que ocurre fuera de los recintos de la vida: la aceleración del tiempo, la incandescencia de la vida y su inteligencia. Estos tipos de procedimientos son de gran ayuda en la química de los procesos, ya que con los métodos de catálisis, les es más fácil a los químicos de hoy, modificar la velocidad de una reacción. Hoy en día ocupan un lugar muy importante en el desarrollo de las industrias del boom económico, principalmente la del petróleo, ya que con las nuevas innovaciones tecnológicas se han permitido el inventar y desarrollar nuevos catalizadores que mejoran las reacciones químicas utilizadas en esta industria.

Opinión Personal Con el contenido que tiene este documento que hoce podemos decir que la cinética química es la rama que estudia la rapidez con la que se llevan a cabo las reacciones químicas a través del concepto de velocidad de reacción, y esto en la vida cotidiana lo podemos encontrar muchos ejemplos en los cuales el hombre haya modificado la velocidad de reacción de ciertas reacciones, ya sea haciéndolas mas lentas o más rápidas según el fin de la mismas. Entre estos ejemplos podemos mencionar: las cremas anti arrugas las cuales retrasan la reacción de envejecimiento de las células, los distintos tratamientos que existen contra el HIV (sida) que lo que hacen es hacer más lenta la reacción del virus en la sangre, las mismas verduras o frutas que aceleran nuestro proceso de digestión, los anti óxidos para los metales que retrasan la reacción de corrosión de los mismos, los distintos aditivos que se agregan a los alimentos que se envasan para retrasar su estado de putrefacción, volviendo al caso de las cremas para la piel, todas ellas son reactivos que retrasan o aceleran las reacciones que se producen en las células de nuestra piel, los desodorantes, los cuales actúan retrasando las reacciones que se producen el las glándulas sudoríparas para liberar el sudor, cuando tienes por ejemplo jugo en polvo y agua, al juntarlos los agitas para acelerar su reacción entre si, etc. incluso al calentar comida. Al final saber un poco mas de la cinética química nos ayuda a comprender mas de nuestro alrededor.  alrededor. 

 

 

Bibliografía          

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