CINÉTICA QUÍMICA

RESUMEN

El presente trabajo está orientado al estudio de las variables que afectan la cinética de la reacción de maltosa con acido clorhídrico, donde se produce glucosa, en un reactor de tanque continuamente agitado, cuyas siglas en inglés son CSTR (Continuous Stirred Tank Reactor), mediante los datos de variación de la concentración de HCl y con la temperatura de operación se determina el orden y la constante de reacción, además se establecera una relacion entre el índice de reacción y la concentración de los productos.

Objetivo General: Evaluar la cinética de la reacción HCl y Maltosa en un sistema de tres reactores CSTR en serie a escala de laboratorio.

Objetivos Específicos:

Determinar el orden de la reacción con datos obtenidos de la conversión con respecto al tiempo a una temperatura determinada.

Evaluar el índice de refracción como variable de respuesta que relaciona la concentración de los productos.

MARCO TEORICO

En el estudio de una reacción química, hay dos aspectos fundamentales a tener en cuenta, uno estático y otro dinámico. Del primero se ocupa la Termodinámica y del segundo la Cinética.

La Termodinámica nos informa en qué condiciones se produce una reacción de forma espontánea; mientras que la cinética estudia la velocidad con que se produce un proceso químico y los factores que afectan al mismo.

Así, la Termodinámica sólo se interesa por los estados inicial y final del sistema. Estudia la dirección y la extensión con que se produce la reacción, e informa sobre si una reacción es o no posible.

La Cinética Química se ocupa de la velocidad con que sucede una reacción y de las variables que la afectan (concentración, temperatura, presión, etc.). Por lo tanto, la Cinética informa del tiempo necesario para que se alcance el equilibrio.

A partir de este estudio se puede conocer el camino por el que transcurre la reacción, el mecanismo de la reacción.

CINÉTICA QUÍMICA

La Termodinámica nos informa en que condiciones se produce una reacción de forma espontánea; mientras que la cinética estudia la velocidad con que se produce un proceso químico y los factores que afectan al mismo.

Velocidad de la reacción

La velocidad de una reacción se define como la cantidad de reactivo que se transforma por unidad de tiempo; o bien la cantidad de producto que se forma por unidad de tiempo. Por tanto la velocidad se define como el cambio en la concentración de los reactivos o productos con respecto al tiempo en dicho proceso.

Sea la reacción: a A + b B → c C + d D

Los reactivos llevan signo – porque su concentración va disminuyendo a medida que transcurre la reacción; mientras que los productos llevan signo +, pues su concentración aumenta a medida que transcurre la reacción. La velocidad no depende de la especie que consideremos.

Ecuaciones cinéticas

Son las que relacionan la velocidad de una reacción, con las variables que influyen en ella. Esta ecuación relaciona la velocidad con las concentraciones de uno o varios de los reactivos, elevados a potencias distintas, e incluyendo una constante de velocidad especifica.

Sea la reacción: a A + b B → Productos.

La ecuación cinética sería:

donde k es la constante de velocidad y, m y n son los órdenes parciales de la reacción; que no tienen por qué coincidir con los coeficientes estequiométricos a y b.

El orden total de la reacción es m + n, es decir la suma de los ordenes parciales.

El cálculo del orden y la velocidad de una determinada reacción, se obtiene a partir de datos experimentales.

Para determinar el orden parcial respecto de un reactivo, se emplean métodos de tanteo, que consisten en mantener constante la concentración de uno de los reactivos, y estudiar como varía la velocidad si duplicamos la concentración del otro reactivo.

Así si al duplicar la concentración de dicho reactivo, la velocidad se duplica, el orden parcial sería 1; si se hace 4 veces mayor el orden es 2, etc.

Relación entre la concentración de los reactivos y el tiempo

Supongamos que la reacción estudiada fuese de orden cero (0)

Se llama periodo de semidesintegración al tiempo que ha transcurrido, hasta que la concentración de un reactivo se ha reducido a la mitad. Así:

Para cinéticas de orden uno (1)

Mecanismos de reacción y molecularidad

Cuando los órdenes parciales de una reacción coinciden con sus coeficientes estequiométricos, hablamos de reacciones elementales, y se producen en una sola etapa. En estas reacciones se llama molecularidad al número de moléculas que intervienen en el proceso.

Sea el proceso A + B → Productos , la ecuación cinética es:

el orden total de la reacción, al igual que la molecularidad es 2.

Cuando no coinciden los ordenes con los coeficientes estequiométricos, la reacción transcurre por medio de una serie de reacciones elementales, cuya secuencia explica el mecanismo de la reacción. Cuando una reacción transcurre a través de una serie de etapas, la etapa más lenta es la que determina la velocidad de la reacción, por lo que se llama etapa limitante, y en ella coinciden los ordenes parciales con la estequiometria. El mecanismo de la reacción es la secuencia detallada, de las reacciones simples que se producen a través de moléculas, iones, o radicales. En el mecanismo pueden aparecer sustancias llamadas intermedios de reacción, que no son ni productos ni reactivos, por lo que no aparecen en la reacción global.

Teoría de las reacciones químicas

Teoría de las colisiones

Una reacción química implica la ruptura de enlaces entre los reactivos y la formación de nuevos enlaces en los productos. Para que se produzca la reacción, deben chocar las moléculas de los reactivos con suficiente energía para romper sus enlaces, y con una orientación adecuada para que los choques sean efectivos y conduzcan a la formación de nuevos productos.

Teoría del estado de transición: complejo activado

La reacción transcurre cuando se aporta una determinada cantidad de energía, llamada energía de activación, y se forma un estado intermedio muy inestable, llamado complejo activado, donde aunque no se han roto los enlaces de los reactivos, ya se empiezan a formar nuevos enlaces con los productos. El complejo activado es inestable, ya que corresponde a una situación de elevada energía potencial, por lo que tiende a evolucionar a la formación de los productos, que corresponde a un mínimo de energía potencial.

Se llama energía de activación directa a la diferencia de energía que existe entre la formación del complejo activado y la entalpía de los reactivos.

Factores que influyen en la velocidad de la reacción

Naturaleza y estado físico de los reactivos. Las reacciones entre gases suelen ser más rápidas, que entre líquidos y sólidos. Las condiciones mas favorables para las moléculas son sustancias gaseosas, o bien están disueltas en estado líquido, formando iones.

Concentración de los reactivos. Al aumentar la concentración de los reactivos aumenta el número de choques y la velocidad de reacción. La concentración de los reactivos elevadas a los correspondientes órdenes parciales, interviene de una forma clara y explicita en las ecuaciones cinéticas.

Temperatura. Al aumentar la temperatura aumenta la constante de velocidad k. Según la ecuación de Arrhenius

donde A es el factor de frecuencia; Ea la energía de activación; R la constante de los gases ideales y T la temperatura en Kelvin.

Catalizadores. Son sustancias que modifican la velocidad de una reacción, aunque se liberan al final del proceso. El catalizador disminuye la energía de activación, con lo que facilita la formación del complejo activado, y en consecuencia aumenta la velocidad de la reacción. Los catalizadores no afectan en absoluto a las variables termodinámicas como la entalpía o la energía libre de Gibbs, por lo que no afecta al equilibrio. La catálisis puede ser homogénea o heterogénea. Catálisis heterogénea es cuando el catalizador es sólido, y absorbe los reactivos que son gases. En la catálisis homogénea, el catalizador y los reactivos están en el mismo estado físico. Los catalizadores negativos o inhibidores son sustancias que aumentan la energía de activación del proceso, y en consecuencia disminuyen la velocidad de reacción.

TERMODINAMICA

El estudio de los cambios energéticos es muy importante dentro del campo de la Química, ya que las reacciones químicas van siempre acompañadas de transferencia de energía.

El estado de un sistema tiene como variables principales la composición química y la concentración de sus componentes. Conocer el estado de un sistema es conocer su composición, situación y energía en un momento determinado así como otras variables como la presión, la temperatura, el volumen, la densidad, etc., que sirven para describirlo.

Las magnitudes que sirven para conocer el estado de un sistema termodinámico se denominan variables termodinámicas o variables de estado (presión, volumen, temperatura, densidad, número de moles). Se pueden dividir en:

Variables intensivas: variables cuyo valor no depende de la cantidad de materia del sistema. Ej: presión, temperatura, densidad, concentración

Variables extensivas: variables cuyo valor depende de la cantidad de materia del

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