CINÉTICA QUÍMICA

1

DRA. NELLY JORGE

2015

Contenidos

1.- Velocidad de reacción (estudio cualitativo).1.1. Expresión de la velocidad de una reacción química.1.2. Factores que afectan a la velocidad de reacción.

2.-  Ecuación y constante de velocidad. 2.1. Orden de reacción. Forma de determinarlo

3.-  Mecanismos de reacción. Molecularidad.4.-  Factores de los que depende la velocidad

de una reacción.5.-   Utilización de catalizadores en procesos

de interés industrial y biológico.

2

3

E l e s t u d i o c o m p l e t o d e u n a r e a c c i ó n q u í m i c a

c o m p r e n d e

B a l a n c e d e m a s a ( e s t u d i o e s t e q u i o m é t r i c o ) .

B a l a n c e e n e r g é t i c o ( e s t u d i o t e r m o q u í m i c o ) .

V e l o c i d a d d e l a r e a c c i ó n

E l c a m b i o e n l a c o n c e n t r a c i ó n d e r e a c t i v o s o p r o d u c t o s r e s p e c t o a l t i e m p o .

M a g n i t u d e s p e c í fi c a e

i n t e n s i v a .

C i n é t i c a q u í m i c a .

s e d e fi n e c o m o e s u n a l a e s t u d i a l a

q u e e s t u d i a

t a m b i é n

L o s m e c a n i s m o s

d e r e a c c i ó n .e n t o n c e s p o d e m o s

e s c r i b i r p a r a u n a r e a c c i ó n

a A + b B ?

c C + d D

dt

Dd

ddt

Cd

cdt

Bd

bdt

Ad

av

1111

p o r e l l o s u s u n i d a d e s s o n

m o l L - 1 s - 1

Concepto de velocidad de reacción

Cuando se produce una reacción química, las concentraciones de cada reactivo y producto va variando con el tiempo, hasta que se produce el equilibrio químico, en el cual las concentraciones de todas las sustancias permanecen constantes.

“Es la derivada de la concentración de un reactivo o producto con respecto al tiempo tomada siempre como valor positivo.

Es decir el cociente de la variación de la concentración de algún reactivo o producto por unidad de tiempo cuando los intervalos de tiempo tienden a 0”.

t 0

Δ[Sustancia] d[Sustancia]v = lim =

Δt dt

Gráfica de cinética química5

t (s)

[HI]

La velocidad de formación de un producto d[HI]/dt (tangente) va disminuyendo con el tiempo

Expresión de la velocidad de una reacción química

A la hora de definir la velocidad de reacción, la primera cosa que hay que tener clara es su estequiometría, ya que la rapidez con que se consumen los reactivos y se forman los productos se encuentran relacionadas a través de los coeficientes estequiométricos.

Para una reacción química general,

donde

A la hora de definir la velocidad de reacción, la primera cosa que hay que tener clara es su estequiometría, ya que la rapidez con que se consumen los reactivos y se forman los productos se encuentran relacionadas a través de los coeficientes estequiométricos.

Para una reacción química general,

donde

aA bB cC dD

i ii

ν X 0 i

0 si i es productoν

0 si i es reactivo

7

Los moles de reactivos y productos están relacionados con el grado de conversión según

donde es el número de moles iniciales de la especie química i (reactivo o producto) y es el grado de avance de la reacción (magnitud extensiva).

Para la ecuación gral:

Los moles de reactivos y productos están relacionados con el grado de conversión según

donde es el número de moles iniciales de la especie química i (reactivo o producto) y es el grado de avance de la reacción (magnitud extensiva).

Para la ecuación gral:

0i i in n ν ξ

ξ

CA B Dnn n n

a b c d

El valor de es único para cada reacción

aA bB cC dD

0in

8

Derivando el número de moles de uno de los componentes respecto del tiempo se tiene

A la cantidad se le denomina velocidad de conversión (J) y es, al igual que , una magnitud extensiva. Si representamos por J dicha velocidad, a partir de su definición y de la ecuación anterior, se tiene

Derivando el número de moles de uno de los componentes respecto del tiempo se tiene

A la cantidad se le denomina velocidad de conversión (J) y es, al igual que , una magnitud extensiva. Si representamos por J dicha velocidad, a partir de su definición y de la ecuación anterior, se tiene

ii

dn d

dt dt

d

dt

i

i

dndJ

dt dt

1

9

De la ec. anterior se infiere que J, definida de esta forma, siempre es una cantidad positiva y es independiente de la especie química i (reactivo o producto) a la cual esté referida.

De acuerdo con la definición de concentración molar:

llevando esta última expresión a la ec. de J se tiene

De la ec. anterior se infiere que J, definida de esta forma, siempre es una cantidad positiva y es independiente de la especie química i (reactivo o producto) a la cual esté referida.

De acuerdo con la definición de concentración molar:

llevando esta última expresión a la ec. de J se tiene

ii i i

nc n c V

V

i i i

i i i

d c V dc cV dVJ

dt dt dt

1

10Dividiendo la expresión anterior por el volumen obtenemos una velocidad de conversión específica (velocidad por unidad de volumen) que es lo que consideramos velocidad de reacción v:

Dividiendo la expresión anterior por el volumen obtenemos una velocidad de conversión específica (velocidad por unidad de volumen) que es lo que consideramos velocidad de reacción v:

i i

i i

dc cJ dVv

V dt V dt

1 1

Si el volumen del sistema reactivo permanece constante, la velocidad de reacción queda reducida a,

Si el volumen del sistema reactivo permanece constante, la velocidad de reacción queda reducida a,

i

i

dcv

dt

1

11

Para la reacción química general,Para la reacción química general,

aA bB cC dD

d A d B d C d D

a dt b dt c dt d dt

1 1 1 1

Unidades: mol m-3 s-1mol L s-1 molécula cm-3 s-1

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La velocidad de una reacción elemental es proporcional a la concentración de los reactantes:

La velocidad de una reacción elemental es proporcional a la concentración de los reactantes:

k

kA B

eq

v k A B kv v K

A kv k B

k

i i j jkA B

i j

jjeq

v k A B kv v K

kAv k B

CA B Dvv v v

a b c d

Ejemplo de velocidad de reacción

Br2 (ac) + HCOOH (ac) 2 HBr (ac) + CO2 (g)

Tiempo (s) [Br2 (mol/l) vel. media

0 0’0120 3’8 · 10–5

50 0’0101 3’4 · 10–5

100 0’0084 2’6 · 10–5

150 0’0071 2’4 · 10–5

200 0’0059

13

Br2 (ac) + HCOOH (ac) 2 HBr (ac) + CO2 (g)

La velocidad puede expresarse como: d[Br2] d[HCOOH ] d[CO2]

d[HBr]v = – ——— = – ————— = ——— = ———

dt dt dt 2 · dt

Parece claro que la velocidad de aparición de HBr será el doble que la de aparición de CO2 por lo que en este caso la velocidad habrá que definirla como la mitad de la derivada de [HBr] con respecto al tiempo.

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Ejemplo:Ejemplo: Expresar la velocidad de la siguiente reacción química en función de la concentración de cada una de las especies implicadas en la reacción:

4 NH3 (g) + 3 O2 (g) 2 N2 (g) + 6 H2O (g)

d[NH3] d[O2] d[N2] d[H2O] v = – ——— = – ——— = ——— = ——— 4 · dt 3 · dt 2 · dt 6 · dt

Ecuación de velocidad

En general, la velocidad depende de las concentraciones de los reactivos siguiendo una expresión similar a la siguiente para la reacción estándar: aA +bB cC +dD

Es importante señalar que “m” y “n” no tienen porqué coincidir con los coeficientes estequiométricos “a” y “b”, sino que se determinan experimentalmente.

[ ] [ ] n mv k A B

Ecuación de velocidad (cont).

A la constante “k” se le denomina constante de velocidad (No confundir con KC o KP)

Ejemplos: H2 (g) + I2 (g) 2 HI (g)

v = k · [H2 · [I2 H2 (g) + Br2 (g) 2 HBr (g)

v = k · [H2 · [Br21/2

Nota: El valor de “k” depende de cada reacción.

Orden de reacción

En la expresión: v = k · [An · [Bm se denomina orden de reacción ...

...al valor suma de los exponentes “n + m”.

Se llama orden de reacción parcial a cada uno de los exponentes. Es decir, la reacción anterior es de orden “n” con respecto a A y de orden “m” con respecto a B.

Ejemplo: Determina los órdenes de reacción total y parciales de las reacciones anteriores: H2 (g) + I2 (g) 2 HI (g) v = k · [H2 · [I2 H2 (g) + Br2 (g) 2 HBr (g) v = k · [H2 · [Br21/2

H2 (g) + I2 (g) 2 HI (g) v = k · [H2 · [I2 Reacción de segundo orden (1 + 1) De primer orden respecto al H2 y de primer orden

respecto al I2.

H2 (g) + Br2 (g) 2 HBr (g) v = k · [H2 · [Br2 ½

Reacción de orden 3/2 (1 + ½)

De primer orden respecto al H2 y de orden ½ respecto al Br2.

19

Determinación de la ecuación de velocidad Consiste en medir la velocidad inicial

manteniendo las concentraciones de todos los reactivos constantes excepto la de uno y ver cómo afecta la variación de éste al valor de la velocidad.

Si por ejemplo, al doblar la concentración de un reactivo la velocidad se multiplica por cuatro, podemos deducir que el orden parcial respecto a ese reactivo es “2”.

20

21p a r a u n a r e a c c i ó n d e l t i p o a A + b B P r o d u c t o s e s

BA k v d o n d e

k = c t e . d e l a v e l o c i d a d

= o r d e n d e r e a c c i ó n r e s p e c t o d e A = o r d e n d e r e a c c i ó n r e s p e c t o d e B + = o r d e n g l o b a l

L o s ó r d e n e s d e r e a c c i ó nN o t i e n e n p o r q u é c o i n c i d i r c o n l o s c o e fi c i e n t e s e s t e q u i o m é t r i c o s .

s e c a l c u l a nE x p e r i m e n t a l m e n t e o p o r t a n t e o .

v e a m o s u n e j e m p l o

S e h a m e d i d o l a v e l o c i d a d e n l a r e a c c i ó n : a A + b B c C a 4 5 º C , p a r a l o c u a l s e h a n d i s e ñ a d o c u a t r o e x p e r i m e n t o s e n l o s q u e s e h a n o b t e n i d o l o s s i g u i e n t e s d a t o s :

22

E x p e r i m e n t o [ A 0 ] ( M ) [ B 0 ] ( M ) V 0 ( m o l . L - 1 . s - 1 )

1 0 , 2 0 0 , 2 0 1 , 1 . 1 0 - 6

2 0 , 4 0 0 , 2 0 4 , 4 . 1 0 - 6

3 0 , 2 0 0 , 6 0 3 , 3 . 1 0 - 6

4 0 , 2 0 1 , 2 0 6 , 6 . 1 0 - 6

D e t e r m i n a l a l e y d e v e l o c i d a d p a r a l a r e a c c i ó n y s u c o n s t a n t e d e v e l o c i d a d

BA k v L a l e y d e v e l o c i d a d e s d e l t i p o

e n l a s e x p e r i e n c i a s 1 y 2

S e m a n t i e n e c o n s t a n t e [ B ] y a l d u p l i c a r s e l a [ A ] l a v e l o c i d a d s e i n c r e m e n t a c u a t r o v e c e s .

p o r t a n t o

E s d e s e g u n d o o r d e n r e s p e c t o a A , o s e a = 2 .

e n l a s e x p e r i e n c i a s 3 y 4

[ A ] = c t e , a l d u p l i c a r s e [ B ] s e d u p l i c a v .

l u e g o

E s d e p r i m e r o r d e n r e s p e c t o a B , o s e a = 1 .

e n c o n c l u s i ó n

23l a e c u a c i ó n d e

v e l o c i d a d e sv = k [ A ] 2 [ B ] e l o r d e n

g l o b a l e s2 + 1 = 3

y s u s t i t u y e n d o e n c u a l q u i e r a d e l a s e x p e r i e n c i a s

c a l c u l a m o s k

1224

121

116

2 sLmol10.1,37Lmol0,20Lmol0,20

sLmol10.1,1

BA

vk

M E C A N I S M O S D E R E A C C I Ó N

U n m e c a n i s m o d e r e a c c i ó n e s l a s e c u e n c i a d e e t a p a s q u e e x p l i c a c ó m o l o s r e a c t i v o s s e t r a n s f o r m a n e n p r o d u c t o s .

s e d e n o m i n a

M o l e c u l a r i d a d a l n ú m e r o d e e s p e c i e s ( á t o m o s o m o l é c u l a s ) d e r e a c t i v o q u e i n t e r v i e n e n e n u n a e t a p a e l e m e n t a l d e l m e c a n i s m o d e r e a c c i ó n .

s e e x p l i c a m e d i a n t e

L a t e o r í a d e l a s c o l i s i o n e s .

L a t e o r í a d e l e s t a d o d e t r a n s i c i ó n .

12

Determinación experimental de la ecuación de velocidadEjemplo: Determinar el orden de reacción :CH3-Cl (g) + H2O (g) CH3-OH (g) + HCl (g) usando los datos de la tabla.

24

11,350,50,253

5,670,250,502

1 2,830,250,25

Experiencia v (mol·l–1·s–1)[H2O] (mol/l)[CH3-Cl] (mol/l)

Ejemplo: Determinar el orden de reacción :CH3-Cl (g) + H2O (g) CH3-OH (g) + HCl (g) usando los datos de la tabla anterior.

v = k · [CH3-Cl n · [H2Om

En las experiencias 1 y 2 vemos que no cambia [H2O luego el cambio de “v” se debe al cambio de [CH3-Cl . Como al doblar [CH3-Cl se dobla la velocidad podemos deducir que el orden de reacción respecto del CH3-Cl es “1”.

En las experiencias 1 y 3 vemos que no cambia [CH3-Cl luego el cambio de “v” se debe al cambio de [H2O. Como al doblar [H2O se cuadruplica la velocidad podemos deducir que el orden de reacción respecto del H2O es “2”.

v = k · [CH3-Cl · [H2O2Y el orden total de la reacción es “3”. El valor de “k” se

calcula a partir de cualquier experiencia y resulta 181,4 mol–2l2s –1.

25

También puede calcularse usando logaritmos:log v = log k + n · log [CH3-Cl + m · log [H2OAplicamos dicha expresión a cada experimento: (1) log 2,83 = log k + n · log 0,25 M + m · log 0,25 M

(2) log 5,67 = log k + n · log 0,50 M + m · log 0,25 M(3) log 11,35 = log k + n · log 0,25 M + m · log 0,50 M

Si restamos dos ecuaciones en las que se mantenga constante uno de los reactivos, podremos obtener el orden de reacción parcial del otro. Así, al restar (1) – (2) eliminamos “k” y [H2O :

log (2,83/5,67) = n · log (0,25/0,50)Análogamente restando (1) – (3) eliminamos “k” y [CH3-

Cl log (2,83/11,35) = m · log (0,25/0,50) log (2,83/5,67) log (2,83/11,35) n = —————— = 1 ; m =——————— = 2 log (0,25/0,50) log (0,25/0,50)

26

Ejercicio A: En la obtención del ácido nítrico, una de las etapas principales es la oxidación del óxido nítrico a dióxido de nitrógeno: 2 NO(g) + O2(g) 2 NO2(g). Para esta reacción, se ha determinado experimentalmente que su ecuación de velocidad es: v = k [NO]2 ·[O2] y que la constante de velocidad, a 250 ºC, vale: k = 6,5 . 10 -3 mol-2L2s-1. Calcular la velocidad de oxidación del NO, a dicha temperatura, cuando las concentraciones iniciales (mol L-1) de los reactivos son: a)a) [NO] = 0,100 M ; [O2] = 0,210 M b)b) [NO] = 0,200 M; [O2] = 0,420 M

Sustituyendo los datos resulta:

a)a) v = 6,5.10-3 M-2s-1. (0,100 M)2 . 0,210 M = 1,37·10-5 mol L-1s-1

b)b) v = 6,5. 10-3 M-2s-1. (0,200 M)2 . 0,420 M = 1,09·10-4 mol L-1s-1

Como puede comprobarse, en el caso b), en el que ambas concentraciones se han duplicado, la velocidad es 8 veces mayor (22 .2).

27

Ejercicio B: El oxido nítrico, NO, reacciona con hidrógeno formando óxido nitroso, N2O: 2NO(g) + H2(g) N2O (g) + H2O (g).En una serie de experimentos se han obtenidos los siguientes resultados:Determinar la ecuación de la velocidad y calcularel valor de la constante de velocidad.

Por la simple inspección de los datos se puede ver que, cuando se duplica [H2], manteniendo constante [NO] (exper. 1ª y 2ª), la velocidad se hace también doble, es decir, que “v” es proporcional a [H2]1. En cambio, cuando se mantiene constante [H2] y se duplica [NO] (exper. 1ª y 3ª), la velocidad se multiplica por 4 (=22), es decir, que la “v” es proporcional a [NO]2. Por tanto, la ecuación de velocidad será:

28

2NO(g) + H2(g) N2O (g) + H2O (g).

v = k [NO]v = k [NO]22 [H [H22]]Se trata, pues, de una reacción de primer orden respecto al H2, de segundo orden respecto al NO y de orden total igual a tres.Para calcular el valor de k, basta despejar de la ecuación anterior y sustituir los datos de cualquiera de las experiencias. Por ejemplo, sustituyendo las datos de la primera experiencia, resulta:

v 2,6 .10-2 mol L-1s-1

k —————— = —————————————— = [NO]2 [H2] (0,064 mol L-1)2 . (0,022 mol L-1)

k =k = 2,9 2,9 . . 101022 mol mol-2-2LL22ss-1 -1

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Molecularidad

La reacción: H2 (g) + I2 (g) 2 HI (g) es una reacción elemental (que sucede en una sola etapa) y para que suceda es necesario el choque de dos moléculas (una de H2 y otra de I2). Se dice que es una reacción “bimolecular”

Se llama molecularidad al número de moléculas de reactivos que colisionan simultáneamente para formar el complejo activado en una reacción elemental.

Se trata de un número entero y positivo. Así hablamos de reacciones

unimoleculares, bimoleculares, trimoleculares, etc…

30

Molecularidad

Generalmente, en reacciones elementales, coincide con el orden de reacción.

Sin embargo, existen casos en los que no coinciden, como las reacciones de hidrólisis en los que interviene una molécula de agua ya que al ser [H2O] prácticamente constante la velocidad es independiente de ésta.

Es raro que una reacción intervengan más de tres moléculas pues es muy poco probable que chocan entre sí simultáneamente con la energía y orientación adecuadas.

31

Mecanismos de reacción

En la reacción elemental: H2 (g) + I2 (g) 2 HI (g) vista anteriormente, v = k · [H2 · [I2

Sin embargo, la mayoría de las reacciones suceden en etapas.

El conjunto de estas etapas se conoce como “mecanismo de la reacción”.

Las sustancias que van apareciendo y que no son los productos finales se conocen como “intermedios de reacción”.

La velocidad de la reacción dependerá de las sustancias que reaccionen en la etapa más lenta.

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Ejemplo de mecanismo de reacción La reacción

NO2 (g) + CO (g) NO (g) + CO2 (g)sucede en dos etapas:

1ª etapa (lenta): 2 NO2 NO + NO3

2ª etapa (rápida): NO3 + CO NO2 + CO2

La reacción global es la suma de las dos. NO3 es un intermedio de reacción. En la etapa lenta intervienen dos moléculas de

NO2,, luego v = k · [NO22

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Perfil de una reacción

reactivos

reactivos

productos

productosEnergía de activación

Entalpía de reacción (H)

Entalpía

Complejo activado Complejo activado

Factores que afectan a la velocidad de una reacción. Naturaleza de las sustancias. Estado físico. Superficie de contacto o grado de

pulverización (en el caso de sólidos) Concentración de los reactivos.

Al aumentar aumenta la velocidad. Temperatura.

Al aumentar aumenta la velocidad. Presencia de catalizadores.

Pueden aumentar o disminuir la velocidad.

35

Catalizadores Intervienen en alguna etapa de la reacción pero no

se modifican pues se recuperan al final y no aparece en la ecuación global ajustada.

Modifican el mecanismo y por tanto Ea. Modifican la velocidad directa e inversa pero

no modifican la posición de equilibrio por lo tanto No modifican las constantes de los equilibrios.

Pueden ser: Positivos: hacen que “v” pues consiguen que Ea. Negativos: hacen que “v” pues consiguen que Ea.

Los catalizadores también pueden clasificarse en: Homogéneos: en la misma fase que los reactivos. Heterogéneos: se encuentra en distinta fase.

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Tipos de catálisisTipos de catálisis Catálisis homogéneaCatálisis homogénea::Todas la especies de la reacción están en

disolución. Catálisis heterogénea:Catálisis heterogénea:El catalizador esta en estado sólidoLos reactivos que se pueden encontrar en estado

gas o disolución son adsorbidos sobre la superficie

Los sitios activos son importantes.

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Ejemplo de catálisis heterogénea

En los catalizadores de los coches hay una mezcla de Pt y Rh sobre las que se producen las siguientes reacciones:

2 CO (g) + O2 (g) 2 CO2 (g)

2 NO (g) + 2 CO (g) N2 (g) + 2 CO2 (g)

2 C2H6 (g) + 7 O2 (g) 4 CO2 (g) + 6 H2O (g) con objeto de eliminar los gases tóxicos CO y NO,

así como hidrocarburos que no se hayan quemado del todo.

38

Gráfica de perfil de la reacción con y sin catalizador

39

H

EA sin catalizador

En

ergí

a

coordenada de reacción

reactivos

productos

EA con catalizador

40

30

Energía de activación

Ene

rgía

po t

enci

al

Transcurso de la reacción

Complejoactivado

Reactivos

H<0

Energía de activación

Transcurso de la reacción

Complejoactivado

Reactivos

H>0Ene

rgía

po t

enci

al

Reacción exotérmica Reacción endotérmica

Productos

Productos

E.A

Los catalizadores cambian la energía de activación de una determinada reacción, y por lo tanto incrementan la velocidad de reacción

Reacción no catalizadaReacción catalizada

41

31

Energía de activación

Ene

rgía

Transcurso de la reacción

Complejoactivado

Reactivos

H<0

Energía de activación

Transcurso de la reacción

Complejoactivado

Reactivos

H>0

Ene

rgía

Reacción exotérmica Reacción endotérmica

Productos

Productos

E.A

E.A

Los catalizadoresnegativos aumentan laenergía de activación

Los catalizadorespositivos disminuyen

la energía de activación

E.A sin catalizadorE.A con catalizador negativoE.A con catalizador positivo

Ejemplo: Teniendo en

cuenta la gráfica adjunta:a)a) Indique si la reacción es exotérmica o endotérmica;b)b) Represente el valor de Hde reacción; c)c) Represente la curva de reacción al añadir un catalizador positivo. d)d) ¿Qué efectos produce el hecho de añadir un catalizador positivo?

a)a) Es exotérmica ya que Eproductos < Ereactivos.

d)d) Disminuye la Eactivación y por tanto existe una mayor cantidad de reactivos con energía suficiente para reaccionar; por tanto aumentará la velocidad.

42

reactivosreactivos

productosproductos

coordenada de reaccióncoordenada de reacción

Ene

rgía

Ene

rgía

HH

Utilización de catalizadores en procesos de interés industrial.

La mayoría de los procesos industriales utilizan catalizadores sólidos.

Estos sólidos, de composición compleja. Poseen tres componentes elementales:

la fase activa el soporte el promotor.

La fase activa es la responsable de la actividad catalítica. Puede ser una sola fase química o un conjunto de ellas. Puede ella sola puede llevar a cabo la reacción en las

condiciones establecidas. Puede tener un costo muy elevado Puede ser muy sensible a la temperatura.

43

Utilización de catalizadores en procesos de interés industrial (cont).

El soporte es la matriz sobre la cual se deposita la fase activa y el que permite optimizar sus propiedades catalíticas. Dispersa, estabilizarla y le proporcionar

buenas propiedades mecánicas a la “fase activa”.

Puede ser poroso y por lo tanto presentar un área superficial por gramo elevada.

El promotor es aquella sustancia que incorporada a la fase activa o al soporte en pequeñas proporciones. Permite mejorar las características de un

catalizador en cualquiera de sus funciones de actividad, selectividad o estabilidad.

44

Catalizador de un coche.

45

Tomado de: http://www.oni.escuelas.edu.ar/olimpi99/autos-y-polucion/cataliza.htm