Cinetica Quimica

Introducción

La cinética química es el estudio de la velocidad y del mecanismo por medio de los cuales una especie química se transforma en otra. La velocidad es la masa, en moles, de un producto formado o de un reactante consumido por unidad de tiempo y el mecanismo es la secuencia de eventos químicos individuales cuyo resultado global produce la reacción observada.

La determinación de un mecanismo de reacción es un problema mucho más complejo que la obtención de una expresión de velocidad adecuada, y el Ingeniero Químico debe tener un conocimiento de ello y una apreciación sobre algunas técnicas usadas en tales estudios.

Por lo tanto, debemos definir qué es eso de la rapidez con que transcurre una reacción y aprender a medirla, así como descubrir qué relaciones existen entre la rapidez de las reacciones y el equilibrio químico. Pero sobre todo, debemos saber cómo tienen lugar las reacciones y cuáles son los procesos microscópicos que corresponden a los cambios en las especies químicas. Dado que la mayoría de las reacciones se producen a través de colisiones moleculares de algún tipo, es importante también estudiar la naturaleza de estas colisiones y la cinética química participa en dicho estudio.

Velocidad de Reacción

La velocidad de reacción se define como la cantidad de sustancia que se transforma en una determinada reacción por unidad de volumen y tiempo. Por ejemplo, la oxidación del hierro bajo condiciones atmosféricas es una reacción lenta que puede tardar muchos años, pero la combustión del butano en un fuego es una reacción que sucede en fracciones de segundo

La cinética química es la parte de la fisicoquímica que estudia las velocidades de reacción, la dinámica química estudia los orígenes de las diferentes velocidades de las reacciones. El concepto de cinética química se aplica en muchas disciplinas, tales como la Ingeniería Química, Enzimología e Ingeniería Ambiental

La velocidad de reacción no es constante. Al principio, cuando la concentración de reactivos es mayor, también es mayor la probabilidad de que se den choques entre las moléculas de reactivo, y la velocidad es mayor. A medida que la reacción avanza, al ir disminuyendo la concentración de los reactivos, disminuye la probabilidad de choques y con ella la velocidad de la reacción. La medida de la velocidad de reacción implica la medida de la concentración de uno de los reactivos o productos a lo largo del tiempo, esto es, para medir la velocidad de una reacción necesitamos medir, bien la cantidad de reactivo que desaparece por unidad de tiempo, bien la cantidad de producto que aparece por unidad de tiempo. La velocidad de reacción se mide en unidades de concentración/tiempo, esto es, en moles/s.

La velocidad de reacción se define como:

r = k [A]a [B]b

Constante Específica de Velocidad

En cinética química, la constante k que aparece en las ecuaciones de velocidad es función de T y P, y recibe el nombre de constante de velocidad o coeficiente de velocidad. Algunos científicos emplean el primer término cuando se cree que la reacción es elemental y el último cuando se sabe que la reacción ocurre en más de una etapa.

Las unidades de la constante de velocidad o el coeficiente de velocidad varían con el orden de la reacción. Supóngase, por ejemplo, que una reacción es de primer orden, es decir:

En este caso la constante cinética tendría como unidad el s-1

 Constante de velocidad: Es una constante de proporcionalidad entre la velocidad de reacción y la concentración de los reactivos.

La relación matemática que indica la dependencia de la velocidad respecto a las concentraciones de los reactivos se llama ecuación de velocidad y es una expresión que debe determinarse experimentalmente. Para la siguiente reacción:

2 NO (g) + Cl2 (g) ® 2 NOCl (g)

La ecuación de velocidad hallada experimentalmente es:

 Velocidad = k [NO]2[Cl2]

La velocidad de reacción es directamente proporcional a la concentración de Cl2 y al cuadrado de la concentración de NO. Por ello, la reacción es de primer orden respecto al cloro y de segundo orden respecto al monóxido de nitrógeno.

En una reacción, el exponente al que se encuentra elevada la concentración de un reactivo en la ecuación de velocidad se llama orden parcial respecto a ese reactivo. La suma de los órdenes parciales, esto es, la suma de todos los exponentes de la ecuación de velocidad, es el orden total de la reacción. En el ejemplo, el orden total es 3.

En general, para una reacción química del tipo:

aA + bB ® cC + dD

La expresión de la ecuación de velocidad es:

Velocidad = k [A]n[B]m

Donde n y m se obtienen experimentalmente y representan el orden parcial de la reacción respecto al reactivo A y al reactivo B. La suma m + n determina el orden total de la reacción.

La constante de proporcionalidad se designa con la letra k y se denomina constante de velocidad. Formalmente, es la velocidad de la reacción cuando las concentraciones de todos los reactivos son la unidad.

La constante de velocidad es específica para cada reacción química y depende de la temperatura.

Las unidades de k vienen determinadas por el orden de la reacción y deben adaptarse a la condición de que la velocidad debe expresarse en las unidades mol/l × s (variación de la concentración por unidad de tiempo).

Orden de reacción

Para cada reacción se puede formular una ecuación, la cual describe cuantas partículas del reactivo reaccionan entre ellas, para formar una cantidad de partículas del producto.

Para una reacción de la forma:

2A + B + C + D E

Esto significa, que dos partículas A colisionan con una partícula B, una partícula C y una partícula D para formar el producto E.

Sin embargo, la probabilidad de que cinco partículas colisionen al mismo tiempo y con energía suficiente,

...