Velocidad De Una Reaccion Quimica

MARCO TEORICO

Velocidad de Una Reacción Química

La velocidad de un evento se define como el cambio que ocurre en un intervalo de tiempo dado ; siempre que hablamos de velocidad, ésta necesariamente conlleva la notación de tiempo. De forma similar, la rapidez de una reacción química, es decir la velocidad de reacción

, es el cambio en la concentración de los reactivos y productos por unidad de tiempo. Así, las unidades de la velocidad de reacción por lo general son molaridad por segundo ( M /s); es decir, el cambio de la concentración (medida en molaridad) dividida entre un intervalo de tiempo (segundos).

Se establece que la velocidad de una reacción química depende de las concentraciones de sus participantes. Así, para un proceso sencillo expresado por la reacción.

A ↔ B

La velocidad de reacción puede expresarse, ya sea referida a la concentración del reactante o a la concentración del producto de la siguiente forma:

v. reactante = k [A]

v. producto = k [B]

Donde k es una constante de proporcionalidad propia para la reacción química que se estudie. Esta constante se puede determinar experimentalmente y su magnitud está en directa relación con la factibilidad cinética de la reacción. Valores elevados de k corresponden a reacciones rápidas y valores pequeños de k, a reacciones lentas. A k la llamaremos "constante de la velocidad de reacción".

Factores que participan en la velocidad de una reacción química

Concentración

La velocidad de una reacción química es directamente proporcional al producto de las concentraciones de los reactantes. Sea la siguiente reacción:

a A + b B ↔ c C + d D

La velocidad de la reacción se expresa:

v = k [A]a [B]b

Donde [ ] es concentración, a y b indican el orden de la reacción (primera, segunda, etc.). Estos valores se pue­den determinar experimentalmente.

Cuanto mayor sea el producto de las concentraciones, la reacción ocurre en menor tiempo, es decir, la proba­bilidad de que se produzcan choques entre reactantes es mayor y, por ende, la formación de productos es más favorecida. A medida de que aumenta la formación de productos, disminuye la presencia de reactantes.

Temperatura

Está relacionada con la energía cinética de las moléculas, su influencia es directa. Al aumentar la temperatura, aumenta la energía cinética y se harán más efectivos los choques entre los reactantes, lo que llevará a la aparición del producto en un menor tiempo, esto provocará, por otra parte, que la energía de activación sea alcanzada en un menor tiempo, la cual, si no es sobrepasada, no dará paso al producto. El valor de la energía de activación, para una determinada reacción química, orienta respecto a la mayor o menor dificultad con que se verifica, por lo que, determina cuan rápida va a ser. A mayor energía de activación, mayor tiempo de reacción; pues mayor será la barrera energética que los reactantes deben pasar para transformarse en productos. Es como si se quisiera subir un cerro: cuanto más alta sea la cima más costará llegar a ella. Generalmente, esta primera etapa es la que limita una reacción cualquiera. Por esta razón se la llama etapa limitante de la reacción, lo que determina que una reacción sea lenta o rápida.

Catalizadores

Es un compuesto que tiene la particularidad de afectar la velocidad de una reacción. Se pueden distinguir dos tipos: positivo y negativo. El primero aumenta la velocidad de reacción y el segundo la disminuye. Dependiendo del fin de la reacción será el tipo de catalizador que se utilice.

El catalizador participa de la reacción, pero no se consume. Por lo tanto, se recupera íntegramente.

La principal característica de un catalizador es que permite disminuir la energía de activación para la reacción en estudio, lo que hace que el tiempo disminuya.

A continuación, una representación gráfica de una reacción con y sin catalizador

Grado de división de los reactantes

Cuando los reactantes son sólidos, un alto grado de división proporciona una mayor superficie de interacción. Al ser mayor el número de partículas que reaccionan simultáneamente, la reacción es más rápida.

Presión

Para aquellas reacciones donde sus participantes son gases, el efecto de presión se aprecia con mayor propiedad. Ocupando la expresión de gas ideal se deduce lo siguiente:

pV = nRT, de donde, p / RT = n / V

si l/RT= k, se establece que p k = C (*)

Si el proceso ocurre a temperatura constante y, observando la expresión (*), la concentración es proporcional a presión, por lo tanto, el efecto de presión es similar al de concentración.

Naturaleza de los Reactantes

Este factor se relaciona con la facilidad con que se pueden romper enlaces en los reactantes para, posteriormente, formar productos.

Orden De Reacción

En cinética química, el orden de reacción con respecto a cierto reactivo, es definido como la potencia (exponencial) a la cual su término de concentración en la ecuación de tasa es elevado.

Por ejemplo, dada una reacción química

2A + B — > C

con una ecuación de tasa

r = k [A]2 [B]1

el orden de reacción con respecto a A sería 2 y con respecto a B sería 1, el orden de reacción total sería 2 + 1 = 3. No es necesario que el orden de una reacción sea un número entero; cero

y valores fraccionarios de orden son posibles, pero ellos tienden a ser enteros. Ordenes de reacción pueden ser determinados solamente por experimentos. Su conocimiento conduce a conclusiones sobre el mecanismo de reacción.

El orden de reacción no está necesariamente relacionado a la estequiometria de la reacción, a menos que la reacción sea elemental. Reacciones complejas pueden tener o no órdenes de reacción iguales a sus coeficientes estequiométricos.

Unidades de las constantes de velocidad

Las unidades de la constante de velocidad dependen del orden general de la ecuación de reacción. Por ejemplo, en una reacción de segundo orden general, las unidades de la constante de velocidad deben satisfacer lo siguiente:

Unidades de velocidad =

Por tanto, en nuestras unidades usuales de concentración y tiempo,

Unidades de la

Constante de velocidad = = = m-1S-1.

Reacciones De Primer Orden:

Según la ley de acción de masas la velocidad de cualquier reacción monomolecular

debe ser en cualquier instante t proporcional a la concentración de A, CA, presente en ese momento, es decir,

El factor de proporcionalidad k1 se denomina velocidad específica o constante de velocidad específica de la reacción de primer orden. Al hacer CA=1en la ecuación anterior, se deduce que su significado es la velocidad de la reacción cuando la concentración de “A” es constante e igual a la unidad. Las dimensiones de k1 se deduce de la ecuación.

Que son el reciproco del tiempo, esto es, la frecuencia. Para cualquier reacción de primer orden, k1 debe ser una constante característica de la reacción, independiente de la concentración y función únicamente de la temperatura.

Antes de integrar la ecuación anterior, vamos a designar algunas equivalencias.

a = Concentración inicial de A

x = el decremento de A durante el tiempo t de reacción

entonces:

CA = (a-x)

Con las equivalencias anteriores, la ecuación se convierte en

Que nos da la velocidad de una reacción de primer orden, en función de la concentración inicial y de la cantidad de sustancia que ha reaccionado. Integremos la ecuación anterior, considerando que al comenzar la reacción, t = 0 y x = 0; y que después de un tiempo t,

x = x

Cualquier ecuación de primer orden debe satisfacer la ecuación resultante anterior.

Metodos para conocer si una reacción en particular obedece la ecuación para una reacción de primer orden:

EXISTEN DIVERSOS METODOS:

1.- Si se dispone de la concentración inicial y otras, a ciertos intervalos de tiempo, t del reactivo, a, (a-x), etc., las cuales se reemplazan en la ecuación proporcionando el valor de k1. Si la reacción es de primer orden, se obtienen una serie de valores de k1 que son iguales dentro del margen de error del experimento. Sin embargo, si aquellos valores presentan un alza apreciable, la reacción no es de primer orden y, entonces, deben probarse otras para encontrar la que satisfaga los datos observados.

La ecuación anterior puede comprobarse gráficamente.

ln(a-x) = -k1t + lna lna/ln(a-x) = k1t

Tiempo de Vida Media

Tiempo en el cual se ha descompuesto la mitad de los reactantes.

NOTA: El tiempo de vida media no depende de la concentración de los reactantes, o sea, que es independiente de la concentración inicial.

Reacciones de Segundo Orden

a,b = Concentraciones Iniciales de A y B

(a-x) = Concentración de A en un tiempo t

(b-x) = Concentración de B en un tiempo t

x = Decremento de cada uno de los reaccionantes

...