TEMA 4.2: VELOCIDAD DE REACCIÓN: LA ECUACIÓN DE VELOCIDAD

TEMA 4.2:  VELOCIDAD DE REACCIÓN: LA ECUACIÓN DE VELOCIDAD 

Según lo explicado anteriormente, podemos observar que una Reacción química cualquiera puede descomponerse en una serie de etapas o pasos, como por ejemplo:

• La ruptura de los enlaces de los Reactivos,
• La Formación del Complejo activado (el cual es un estado de transición entre Reactivos y Productos), y finalmente,
• la Formación de nuevos enlaces que dan lugar a los Productos.

Cada una de éstas Etapas ocurre a una cierta Velocidad, dependiendo de las condiciones existentes yde la naturaleza de los componentes presentes.

En otras palabras, en una Reacción química, cada etapa puede tener diferentes Velocidades de Reacción.

Para unificar o globalizar la Velocidad general de una Reacción química, se utiliza una expresión matemática que represente y cuantifique la Velocidad de la reacción en forma global y no para una de las etapas.  A ésta expresión matemática se le conoce como Ecuación de Velocidad.

LA ECUACIÓN DE VELOCIDAD 

En 1864, Cato Guldberg y Peter Waage, comprobaron que a Temperatura constante, la Rapidez de una reacción química es directamente proporcional a la concentración (en mol/litro) de los reactantes; cada concentración elevada a una potencia que se determina experimentalmente.

Esta generalización se conoce como "Ley de acción de masas", y es la base para la formulación de la ecuación de velocidad.

La Ecuación de Velocidad es una expresión matemática que relaciona las concentraciones de los Reactivos con la Velocidad de reacción, indicando sus proporcionalidad mediante una constante K, la cual es única para cada Reacción química.

Veamos por ejemplo, una Reacción genérica como la siguiente:

 aA  +  bB  ------------->  cC  +  dD

La Rapidez de desaparición de A o B, ó la Rapidez de formación de C o D, será proporcional a las Concentraciones de A o B o de A y B, cada una elevada a una potencia que serían sus coeficientes estequiométricos.

Podemos expresar Matemáticamente ésta explicación mediante una Ecuación de Velocidad de la siguiente manera:

V  =  K * [A] ͣ  *  [B]ᵇ

Donde:

V  = Es la Velocidad de reacción (global de la Reacción), las cuales se expresan  en las unidades de: (mol/ litro / seg.)

[A] y [B] : Son las concentraciones de los reactivos, las cuales se expresan en las unidades de: (mol/ litro)  

K:  Es la Constante de Proporcionalidad denominada Constante específica de Velocidad, la cual es única para cada reacción y depende de la temperatura, la cual adopta las unidades correspondientes para que la Velocidad quede expresada en mol/ litro/seg.  o simplemente no se le coloca unidades.

a  y  b: Son los Exponentes que representan la magnitud de la proporcionalidad, y normalmente tienen el mismo valor que los coeficientes estequiométricos.  se les denomina Orden de cada reactivo y se determinan experimentalmente.

Se puede deducir claramente que la Velocidad es directamente proporcional a las Concentraciones de los Reactivos.

Por ejemplo, veamos las siguientes reacciones y sus correspondientes Ecuaciones de velocidad:

a)    2 NO2 (g)  +  O2 (g)    --------->  2 NO3 (g)

La Ecuación d Velocidad para esa Reacción sería: V  =  K * [NO2 ]²  *  [O2 ]¹

b)   2 N2O5 (g)  --------->   4 NO2 (g)   +    O2 (g)

La Ecuación d Velocidad para esa Reacción sería: V  =  K * [ N2O5]²  

Como pueden observar, cada Reacción tiene su propia Ecuación de Velocidad la cual es directamente proporcional y depende exclusivamente de la concentración de los Reactivos.

ORDEN DE REACCIÓN

Se denomina Orden de una Reacción a la suma de todos los exponentes a las cuales se encuentran elevadas las concentraciones en la Ecuación de velocidad.

El exponente que tiene cada reactivo en la Ecuación de velocidad recibe el nombre de Orden.  La suma de todos los exponentes nos dará el Orden de la Reacción.

Para las reacciones anteriores,  (a) y (b), Los órdenes de las reacciones serían:

Reacción a: sumamos los exponentes de los reactivos en la Ecuación de velocidad: (2+1 = 3)
El Orden de la Reacción es 3, o podemos decir también que es una reacción de tercer orden.

Reacción b: sumamos los exponentes de los reactivos en la Ecuación de velocidad: (2 = 2)
El Orden de la Reacción es 2, o podemos decir también que es una reacción de segundo.

EJERCICIO PLANTEADO -4:  (resolverlo y anexarlo a la ACTIVIDAD-5 que será entregada el lunes 05 de mayo con todos los problemas que vayamos planteando durante todas las clases)

A partir de las siguientes Reacciones químicas, halle las respectivas Ecuaciones de Velocidad y el Orden de cada Reacción:

1)      2 H2(g)  +  O2(g)  ---------> 2H2O (g)

2)      2 NO2 (g)  +  2 H2(g)   -------->  N2 (g)    +   2H2O (g)





Ejercicios de cálculo de Velocidad de reacción.

1)  En el Laboratorio, trabajando a  325 °C, se determina la Constante específica de velocidad para la descomposición del anhídrido pernítrico ( N2O5  ) cuyo valor fué: K = 5 x 10⁻⁴  . Si la Ecuación de descomposición es la siguiente:  2 N2O5 (g)  --------->   4 NO2 (g)   +    O2 (g)  Halle:  a) la Velocidad de la reacción, sabiendo que inicialmente se tenían  6,5 x 10⁻⁴ mol/litro del reactivo.  y b) El Orden de la reacción.

SOLUCIÓN

Para solucionar éste tipo de problemas donde tengo que hallar la Vr (global), debo Plantear primeramente la expresión de la Ecuación de velocidad, revisamos los datos y si los tenemos todos, simplemente sustituimos en la Ecuación y calculamos.

Datos 

[ N2O5] = 6,5 x 10⁻⁴ mol/litro         
K = 5 x 10⁻⁴
V = ?                                       


Reacción:  2 N2O5 (g)  --------->   4 NO2 (g)   +    O2 (g) 

La Ecuación d Velocidad para esa Reacción sería: V  =  K * [ N2O5]²            

a)  tenemos todos los datos, entonces sustituimos:

V  =  5 x 10⁻⁴   * [ 6,5 x 10⁻⁴]²
V  =  5 x 10⁻⁴   * 42,25 x 10⁻⁸
V =  2,11 x 10⁻¹°  mol/litro/seg

b) Para hallar el orden de la Reacción, sumamos los órdenes de los reactivos:
        Orden de reacción = 2     Es una reacción d segundo orden.

Ok   Ok... vieron que la resolución de éste ejercicio es muy sencilla... vamos a Plantear ahora un tipo de ejercicio más complejo donde deben hallar los datos paso a paso para poder hacer los  cálculos...

Ejercicio 2

En una reacción química en equilibrio que ocurre entre 2 sustancias: Sustancia A y Sustancia B, a una Temperatura de 25 °C, se obtienen los siguientes Datos experimentales:

Experimento     [A] (moll/litro)      [B] (moll/litro)   VR (moll/litro/seg)  

         1                  6,0 x 10⁻³              1,0 x 10⁻³           0,012

         2                  6,0 x 10⁻³              2,0 x 10⁻³           0,024

         3                  2,0 x 10⁻³              1,5 x 10⁻³           0,0020

         4                  4,0 x 10⁻³              1,5 x 10⁻³           0,0080

Determine:

a)  El Orden con respecto al Reactivo A

b)  El Orden con respecto al Reactivo B

c)  Plantee la Ecuación de Velocidad

d)  El Orden dela Reacción

e)  El valor de la Constante específica de Velocidad (K)

f)  El valor de la Velocidad cuando los reactivos tienen la misma concentración igual 

a  3,0 x 10⁻³ (mol/litro) 

Análisis: Me están dando los datos experimentales que se obtuvieron el el laboratorio para 4 experimentos donde se midieron las concentraciones en equilibrio de los reactivos y las velocidades de reacción.  Podemos observar que en los experimentos 1 y 2 la concentración de A se mantuvo constante; y en los experimentos 3 y 4 la concentración de B se mantuvo constante.  Pues bien ésto no es coincidencia, ya que para el estudio de las concentraciones de los reactivos generalmente se usa una metodología que consiste en mantener constantes todas las condiciones de la reacción y se modifica la concentración de uno de los reactivos involucrados.  Se mide la velocidad del proceso y se analiza la modificación encontrada de tal modo que se obtiene la proporcionalidad o el Orden de cada reactivo, que sumándolos nos darán el orden de la Reacción.

Modo de resolver el problema:

a)  Determine el Orden con respecto al Reactivo A

Para estudiar al Reactivo A, debo usar los datos donde el Reactivo B permanece constante, de esa forma puedo determinar la variación de A.  En este caso, los experimentos donde B permanece constantes son el 3 y el 4.

El Orden del reactivo lo obtengo con una Relación de Proporcionalidad (X) la cual es la relación que existe entre la variación de las velocidades de reacción con respecto a la variación de las concentraciones.  de la siguiente manera:

Orden ó Relación de Proporcionalidad  =    Relación de proporcionalidad entre las velocidades      

                                                                    Relación de proporcionalidad ente las concentraciones

Orden del Reactivo A  =    Vmayor / Vmenor      

                                          [  ] mayor / [  ]menor

(Relación de proporcionalidad entre las velocidades)A   =   ( Vmayor / Vmenor )A 

(Relación de proporcionalidad entre las velocidades)A   =  0,0080   = 4

                                                                                             0,0020

(Relación de proporcionalidad ente las concentraciones)A  =  [  ] mayor / [  ]menor

(Relación de proporcionalidad ente las concentraciones)A  =  4,0 x 10⁻³  / 2,0 x 10⁻³    =  2

Orden del Reactivo   =    Vmayor / Vmenor      =    4  /  2   =  2

                                       [  ] mayor / [  ]menor

a) El Orden del Reactivo A es 2

(Es decir, la concentración de A en la Ecuación de Velocidad estará elevada a la 2)

ok....

Ahora hallaremos

b)  El Orden con respecto al Reactivo B

Para estudiar al Reactivo B, debo usar los datos donde el Reactivo A permanece constante, de esa forma puedo determinar la variación de B.  En este caso, los experimentos donde A permanece constantes son el 1 y el 2.

Orden ó Relación de Proporcionalidad  =    Relación de proporcionalidad entre las velocidades      

                                                                    Relación de proporcionalidad ente las concentraciones

Orden del Reactivo   =    Vmayor / Vmenor      

                                       [  ] mayor / [  ]menor

(Relación de proporcionalidad entre las velocidades)B   =   ( Vmayor / Vmenor )A 

(Relación de proporcionalidad entre las velocidades)B   =  0,024   = 2

                                                                                             0,012

(Relación de proporcionalidad ente las concentraciones)B  =  [  ] mayor / [  ]menor

(Relación de proporcionalidad ente las concentraciones)B  =  2,0 x 10⁻³  /  1,0 x 10⁻³   =  2

Orden del Reactivo b  =    Vmayor / Vmenor      =  2  /  2   =  1

                                          [  ] mayor / [  ]menor

a) El Orden del Reactivo B es 1

(Es decir, la concentración de B en la Ecuación de Velocidad estará elevada a la 1)

c)  Plantee la Ecuación de Velocidad

Como ya hallamos los Órdenes de los reactivos, entonces ahora sí podemos plantear la Ecuación de Velocidad, de la  siguiente manera:

c)  Ecuación de Velocidad:   V  = K  X [ A ]²   X   [ B ]¹

d)  Determine el Orden dela Reacción

El Orden de la Reacción se halla sumando los órdenes de los Reactivos.

Oreden de Reacción  = ( 2  +  1 )  = 3

d) Orden dela Reacción = 3.  Es una reacción de tercer orden

e)  El valor de la Constante específica de Velocidad (K)

Para hallar el valor de la constante de velocidad despejamos K de la Ecuación de Velocidad y podemos utilizar  los Datos Experimentales de  cualquiera de los experimentos, Sustituímos datos y calculamos:

 Despejemos K:                     V  = K  X [ A ]²   X   [ B ]¹

                                               K  =               V            

                                                          [ A ]²   X   [ B ]¹            

Elijamos los datos de cualquiera de los Experimentos,  En este caso yo voy a elegir el experimento 3

Experimento     [A] (moll/litro)      [B] (moll/litro)   VR (moll/litro/seg)  

         3                  2,0 x 10⁻³              1,5 x 10⁻³           0,0020

Sustituímos los datos en la Ecuación despejada:

K  =                     0,0020                   =               0,0020                  =      0,0020    

           (2,0 x 10⁻³)² x (1,5 x 10⁻³)¹       4,0 x 10⁻⁶ x  1,5 x 10⁻³       6 x 10⁻⁹

K  =   2 x 10⁻³    =  3,33 x 10⁵ 

          6 x 10⁻⁹

e)  El valor de la Constante específica de Velocidad (K) = 3,33 x 10⁵

f)  Hallar el valor de la Velocidad cuando los reactivos cuando los reactivos tienen la misma concentración igual a  3,0 x 10⁻³ (moll/litro) 

En éste caso me piden hallar el valor de la velocidad para una concentración específica de los reactivos que no aparece en la tabla, entonces lo único que tengo que hacer es sustituir los valores de las concentraciones en la Ecuación de Velocidad y uso el valor de K que lo acabamos de hallar en el paso anterior

Ecuación:    V  = K  X [ A ]²   X   [ B ]¹

Datos:

K = 3,33 x 10⁵

[ A ] =  [ B ] =  3,0 x 10⁻³ (moll/litro) 

Sustitución de datos en la ecuación:

V  =  0,333 x 10⁵ X  ( 3,0 x 10⁻³ )²  X  ( 3,0 x 10⁻³ )¹

V  =  0,333 x 10⁵ X  9,0 x 10⁻⁶ X  ( 3,0 x 10⁻³)

V  =  0,333 x 10⁵ X  27 x 10⁻⁹

V  =  89,91 x 10⁻⁴

V  =  8,991 x 10⁻⁵ mol / litro / seg.

Muy Bien!!!!!!

Traten de analizar paso a paso y entender la secuencia de operaciones.... aquí les dejo uno propuesto para que ustedes lo resuelvan....

EJERCICIO PLANTEADO -5:  (resolverlo y anexarlo a la ACTIVIDAD-5 que será entregada el lunes 05 de mayo con todos los problemas que vayamos planteando durante todas las clases)

Se hace un estudio experimental de la Velocidad de la siguiente reacción: A -------->  B   y se obtuvieron los siguientes datos:

Experimento     [A] (moll/litro)       VR (moll/litro/seg)  

         1                      0,8                         0,04

         2                      0,6                         0,03

         3                      0,4                         0,02

         4                      0,2                         0,01

Determine:

a)  El Orden con respecto al Reactivo A

b)  Plantee la Ecuación de Velocidad

c)  El Orden dela Reacción

e)  El valor de la Constante específica de Velocidad (K)

f)  El valor de la Velocidad cuando el reactivo tiene la concentración igual a 0,20 mol/litro 

Hasta la Próxima semana muchachos...  Este viernes 01 de mayo no tendremos clases...

Allí tienen suficiente material para que se diviertan...

No quiero despedirme sin antes felicitarlos por los resultados obtenidos en la Evaluación Online de la semana pasada.. La gran mayoría salió muy bien!!! con muy pocas excepciones.... Espero que para éste tema le pongan el mismo empeño y logren subir sus promedios en este lapso.  Vayan pasando todas éstas clases a sus cuadernos para que no se los acumule ya que la Actividad N°4 consiste en la evaluación del cuaderno con el tema 4 completo.  También me encantaron los Estados que publicaron en sus Whatsapps.. muy creativos, geniales y con el mensaje exigido.   Aún no he evaluado los trípticos...

Un abrazo mis muchachos, Que Dios los bendiga, Cuídense mucho y aprovechen el tiempo..

Un abrazo y hasta la próxima clase...

MECANISMOS DE REACCIÓN

MECANISMOS DE REACCIÓN

La mayoría de las Reacciones químicas no ocurren de forma inmediata, sino por el contrario, ocurren a través de una serie de etapas que van a estar íntimamente relacionadas con la composición de las sustancias que intervienen en la reacción , así como también de las Energías involucradas en la misma.


El Mecanismo de Reacción es la Descripción detallada y específica de las diferentes etapas en las que se realiza una Reacción Química, basada en el comportamiento de los átomos o moléculas.

Esto significa que las reacciones químicas se pueden explicar paso a paso basándose en la Teoría de las Colisiones, es decir, es posible que sepamos cómo ocurre la secuencia de Etapas de una reacción Química.

Mecanismo de Reacción basado en la Teoría de las colisiones

Los cambios de energía en las reacciones químicas se pueden representar claramente en los diagramas de reacción graficando la energía en función del avance de la reacción. En estos diagramas es fácil representar conceptos como la Energía de Activación.

Veamos la siguiente reacción para la obtención del agua:    O2  + 2 H2 -----> 2 H2O 

donde el Oxígeno son las bolitas azules y los Hidrógenos son las negras.
      

                                                                              

En la gráfica se muestra la Descripción gráfica del Mecanismo de reacción para ésta reacción, donde se está graficando la Energía de las sustancias participantes en la reacción vs el tiempo (avance de la reacción) 

Primera Etapa: Los Reactivos inicialmente tiene una Energía característica de sus naturalezas químicas. De acuerdo a la Teoría cinético-molecular, las moléculas se encuentran en constante movimiento originando que la Energía de las partículas vaya incrementándose con el tiempo.

Segunda Etapa: Los reactivos logran vencer La Energía necesaria para que ocurra el Choque Efectivo.  Para que ésto ocurra, el nivel de energía de las moléculas de O2  e  H2  deben ser igual o superior a la Ea y además debe cumplirse que la orientación de las moléculas en la colisión sea la adecuada.

En el momento que ocurren los Choques efectivos, las moléculas involucradas forman una Sustancia intermedia de alta Energía que se denomina "Complejo Activado".  Este estado de transición es una estructura intermedia entre Reactivos y Productos en la que se encuentran involucrados todas las sustancias.  La formación de éste complejo activado es la que determina la velocidad del proceso.

Tercera Etapa:  Se forman los nuevos enlaces dando lugar a las nuevas especies químicas y va disminuyendo la Energía de las Sustancias formadas hasta la Energía final de los Productos.


Aquí tenemos otro ejemplo:

La Energía de Activación Ea: Es la distancia que hay entre la Energía inicial de lo Reactivos y la Energía máxima alcanzada en el Complejo activado.  Para calcularla se hace como un diferencial de energías ΔH:   

                                                       Ea  =  H(complejo activado) -  H(inicial de los reactivos)

donde  Δ: Variación

           H: contenido calórico  medidos en KiloJoule por mol    ( KJ/mol )

         ΔH: Variación de energía o Entalpía.  

         ΔH = H(final)  -  H(inicial)

 ΔH°  =  Calor liberado o absorbido durante la reacción

 ΔH°  =   H(final)  -  H(inicial)

 ΔH°  =  H(final de los Productos)  -  H(inicial de los reactivos)

ΔH°: Puede ser Positiva (si la Reacción es Endotérmica)  ΔH+

 ó Negativa (si la Reacción es Exotérmica)  ΔH-

Esto se obtiene como resultado del diferencial ΔH = H(final)  -  H(inicial)  que dependerá en ambos casos del tipo de proceso:  Si la Energía final de los Productos es mayor que la Energía inicial de los reactivos, el diferencial de energía  ΔH dará un resultado positivo (Reacción endotérmica); pero si por el contrario, la Energía final de los Productos es menorque la Energía inicial de los reactivos, el diferencial de energía  ΔH dará un resultado negativo (Reacción exotérmica).  Veamos las siguientes gráficas:

Imaginemos los siguientes datos para ambos casos:

Caso 1 (gráfica izquierda)                                       Caso 2 (gráfica derecha)    

H(inicial de los reactivos)  =10 KJ/mol                              H(inicial de los reactivos)  =30 KJ/mol 

H(final de los Productos)   =30 KJ/mol                              H(final de los Productos)   =10 KJ/mol 

ΔH°  =   H(final)  -  H(inicial)                                                            ΔH°  =   H(final)  -  H(inicial)

ΔH°  =   (30 - 10) KJ/mol                                    ΔH°  =   (10 - 30) KJ/mol

ΔH°  =   20 KJ/mol                                              ΔH°  =   -20 KJ/mol

ΔH°  =  + : Reacción Endotérmica                 ΔH°  =   - : Reacción Exotérmica 

(ΔH° = + : Energía absorbida en la reacción)           (ΔH° = - : Energía liberada en la reacción)

Muy bien chicos.... Espero que puedan entender toda ésta información... traté de explicar cada detalle, porque  particularmente en éstos últimos Objetivos se manejan nuevos conceptos que requieren de explicaciones muy precisas...  Cualquier duda, me pueden consultar...

Recuerden siempre el compromiso de investigar, analizar  e interpretar cada información...

Estoy segura que no se les hará difícil porque ya vienen con una buena base en los lapsos anteriores... Mucho ánimo!!! que seguimos avanzando!!!

Recuerden copiar todas las clases en sus cuadernos...

Hasta la próxima clase... feliz fin de semana!!

TEMA 4.1: TEORÍAS QUE EXPLICAN LA RAPIDEZ DELAS REACCIONES QUÍMICAS

TEMA 4.1: TEORÍAS QUE EXPLICAN LA RAPIDEZ DELAS REACCIONES QUÍMICAS

La Rapidez de las Reacciones Químicas pueden ser explicadas por dos Teorías:

1)  La Teoría de las Velocidades absolutas en reacción (Propuesta por Henry Eyring), conocida también como Teoría del Estado de Transición.  y

2)  La Teoría de las colisiones (Propuesta por Gilbert Newton Lewis en 1920) .  Conocida también como Teoría de los Choques Moleculares

TEORÍA DE LAS COLISIONES

Esta Teoría supone que para producirse un cambio químico es necesario que las sustancias reaccionantes se encuentren en forma libre y choquen entre ellas de forma efectiva y así permitir la interacción química necesaria para la transformación.

Esta Teoría está basada en la Teoría Cinético-Molecular de la Materia, la cual dice que "Los átomos y las moléculas de las distintas sustancias se hayan en continuo movimiento, lo que ocasiona choques constantes entre las partículas"

Es decir, La Teoría de las Colisiones se basa en en el hecho de que las partículas están en constante movimiento, permitiendo que hayan interacciones o "choques" entre ellas que les permitan romper los enlaces establecidos entre las sustancias Reaccionantes para que luego ocurra un reordenamiento espacial de los átomos  y finalmente la formación de nuevos enlaces que generan a los Productos.

Para que ésto suceda, las moléculas y los átomos involucrados deben estar en contacto físico y es necesario que "interactúen"o "choquen" entre sí para poder generar el cambio.

Estas particularidades del "proceso de interacción" entre las sustancias químicas a nivel molecular, lo explica la Teoría de las Colisiones, estableciendo que: Para producirse un Cambio Químico, deben cumplirse las siguientes condiciones:

Primero:  Las moléculas tienen que colisionar o chocar para ponerse en contacto. 

 Estos choques son la "chispa" necesaria para que ocurra una Reacción Química.

                        ≈   ⃝   ≈   ⃝⃝  ≈   ⃝ ≈

                                                     ↗                       ↑                     ↖

                                  Molécula roja              Colisión         Molécula negra

                                        (en movimiento)         o Choque        (en movimiento)

Sin embargo, no todos los choques entre las Moléculas conducen a la formación de nuevas sustancias, pues hay choques que no son eficaces y por lo tanto no provocan la Reacción química, debido a que algunos choques son débiles y no logran romper los enlaces de las sustancias; por lo tanto, el segundo Requisito será:

Segundo:  Los choques moleculares deben ser efectivos.

pero... ¿Qué es un choque efectivo?  Pues como su palabra lo dice, un choque será efectivo si se logra romper los enlaces de las moléculas que colisionan.  Para que un choque sea efectivo debe reunir los siguientes requisitos:

     a) Las moléculas deben poseer la suficiente Energía para poder vencer las fuerzas de repulsión que actúan entre ellas y así romper los enlaces entre los átomos; de no ser así, dichas partículas se volverán a unir.  (imagínense dos carros chocando:  si ambos no poseen la suficiente energía o velocidad al chocar, no pasará nada... solo se golpearán suavemente y rebotan sin que se origine ningún cambio en sus estructuras.)

Les explico:  Cada Partícula posee una cantidad mínima de energía asociada a ella llamada Energía mínima o valor crítico.  Cuando ocurre el choque entre partículas, la Energía con la que se mueven las partículas debe ser mayor a esa Energía mínima que posee cada partícula para poder vencerla y pueda ocurrir un choque efectivo.  (imagínense ahora los dos carros chocando:  si ambos poseen  suficiente energía o alta velocidad al chocar, la colisión será terrible y . se origina ningún cambio en sus estructuras.)

Entonces podemos decir que las Partículas deben poseer una Energía superior a la Energía mínima, para que el choque sea efectivo:

Eparticula  > Emínima  → Choque Efectivo  →  Ocurre la Reacción

    Eparticula           Choque          Eparticula

( > Emínima )         efectivo        ( > Emínima ) 

≈   ⃝   →   ⃝⃝  ←   ⃝ ≈

            (venció la Emínima )   

                             ↓   

                           ⃝⃝

                          Producto

La Energía mínima que deben vencer los Reactivos para que ocurra la reacción se llama Energía de Activación (Ea)

La Energía de activación

Svante Arrhenius en 1888 llamó a éste valor mínimo de energía:  Energía de activación, la cual se representa por Ea y es característica para cada reacción.  Por consiguiente, los Reactivos no pasan directamente a Productos, sino que primero deben adquirir suficiente Energía para sobrepasar la barrera de la Energía de activación.

En el caso de que las 2 partículas, o por lo menos una de ellas posea suficiente energía antes de la colisión, permitirá vencer la fuerza repulsiva y se penetran mutuamente con una reorganización electrónica que produce una especie química nueva.

La Energía de activación (Ea ): Es la cantidad mínima de energía que deben vencer los reactivos para que ocurra un choque efectivo y lograr la ruptura y formación de enlaces que originen a los Productos.  Es característica de cada reacción química y depende de las clases de enlaces que se tengan que romper durante el proceso.   

La otra condición para que un Choque sea efectivo es:

     b) Que el choque se realice con la orientación espacial adecuada que permita una reorganización electrónica que produce una especie química nueva. Es decir, que la posición y dirección de las moléculas deben ser las correctas para permitir el nuevo enlace químico debido a las complejas estructuras electrónicas que poseen los átomos.

Las moléculas suelen tener una compleja estructura tridimensional alrededor de la cual se distribuyen las nubes electrónicas;  Cuando 2 partículas se acercan, sus nubes electrónicas tienden a un repulsión por encontrarse con la misma carga; por lo  tanto deberán tener la orientación espacial adecuada, en otras palabras, la posición y dirección correcta que les permita una reorganización de los electrones y así poder formar nuevas especies químicas.

Veamos la siguiente Reacción entre el Iodo molecular I2 y el Hidrógeno molecular H2 para formar Ácido Iodhídrico HI, de la siguiente forma:

                         I2   +   H2  -------->  2 HI

Aquí podemos observar como pueden haber dos tipos de choques: uno efectivo, es decir con la suficiente energía y con la orientación espacial adecuada, donde la colisión da como resultado la formación del producto: HI; y otro no eficaz donde los reactivos no logran  separarse, por lo tanto no se forma el Producto, sino que permanecen los reactivos.

Por último, la Teoría de las Colisiones también asocia la Velocidad de la Reacción con los choques intermoleculares en su tercer requisito:

Tercero:  A medida que aumentan los choques entre las moléculas, ocurrirán mas choques efectivos por unidad de tiempo entre las partículas de los Reactantes y por lo tanto mayor será la probabilidad de que ocurra una Reacción Química y por ende mayor será su Velocidad.

Es decir, la Velocidad de una reacción Química es directamente proporcional al número de choques efectivos por segundo que ocurren entre las moléculas de los reactivos.

CAPÍTULO 4: CINÉTICA QUÍMICA

CINÉTICA QUÍMICA

En la naturaleza se presentan numerosas Reacciones Químicas como la Oxidación de metales, la Combustión de compuestos orgánicos, la Neutralización de ácidos y bases, y otras esenciales para la vida como La Respiración y la Digestión;algunas ocurren muy rápidas, pero otras  son bastante lentas.  

Todos los Procesos Químicos presentan  diferentes Velocidades en su desarrollo que pueden variar desde una lentitud imperceptible, la cual solo es posible darse cuenta del cambio mucho tiempo después, como ocurre con la imponente meteorización química de las Rocas, la cual es una transformación que sufre la estructura de las rocas a través del tiempo (pasando de Ígneas a Metamórficas y luego a sedimentarias). Este proceso ocurre tan lento que en apariencia cotidiana permanecen inalterables; hasta una Reacción violenta e instantánea como la que ocurre entre el Sodio (Na) y el agua (H2O) para formar Hidróxido de Sodio (NaOH) la cual se puede visualizar en fracciones de segundos.

La Rama de la Química que estudia la Rapidez de los Procesos Químicos y todos los factores asociados a ellos es la Cinética Química.

La velocidad de las reacciones químicas y el camino a través del que se efectúan son el objeto de estudio de la Cinética Química.

TEMA 4:

VELOCIDAD O RAPIDEZ DE LAS REACCIONES QUÍMICAS

Recordemos que una Reacción Química es un proceso químico mediante el cual una o más sustancias denominadas Reactivos se transforman en otras sustancias con propiedades fisicoquímicas completamente diferentes llamada Productos

Los Reactivos o Reactantes son las sustancias que inician la Reacción y que se consumen en el transcurso de la misma.

Los Productos son las sustancias nuevas que se forman durante la reacción y que resultan de la transformación de los reactivos.

En una Reacción Química, siempre se tiene:     

      

                                      (se transforman)

       Reactivos   ---------------------->  Productos

Consideremos una Reacción cualquiera como la siguiente:

                     A  ---------------------->  B    

                                              

A  : Es el Reactivo e inicia la reacción con concentraciones  iniciales: [A]i  

B:  Es el Producto, el cual al inicio de la Reacción no existe, por lo que su concentración inicial es cero  [B]i = 0

A medida que la reacción ocurre A  se va consumiendo y su concentración van disminuyendo gradualmente a medida que transcurre el tiempo en la reacción; mientras que la concentración del Producto B aumenta en la misma proporción.

La velocidad de una reacción química se determina midiendo cuanto disminuye la Concentración de los reactivos o aumenta la de los productos en una unidad de tiempo.

Velocidad     =    Variación en la concentración de una sustancia (consumida o producida)

de Reacción                                              variación del tiempo

        unidades:   mol/l /seg

ΔC: Variación en la concentración de una sustancia ( mol/l )

Δt :  variación del tiempo ( seg )

Se entiende por Velocidad de Reacción la cantidad de material que se consume o se produce en una unidad de tiempo, en términos de cambio de concentración.

Imagínense que tenemos los siguientes Datos experimentales de las variaciones de las concentraciones de las sustancias A y B en diferentes tiempos:

tiempo t (seg)   [A] (mol/litro )      [B] (mol/litro )     

           0                     0.60                        0

          10                    0.40                       0.18

          20                    0.25                       0.30

          30                    0.15                       0.40

          40                    0.10                       0.48

          50                    0.08                       0.55

Si graficamos éstos datos se obtiene la siguiente gráfica:

Aquí podemos observar claramente como van cambiando las concentraciones de las sustancias:

La concentración de la Sustancia A (Reactivo) inicia con 0,60 mol/l y va disminuyendo a medida que avanza la reacción, y ésto se entiende porque se está consumiendo. A los 70 seg tiene aprox. una concentración de 0.03 mol/l.   Sin embargo, La concentración de la Sustancia B (Producto) inicia con 0,00 mol/l y va aumentando a medida que pasa el tiempo y avanza la reacción, teniendo a los 70 seg la concentración de 0.6 mol/l.

Qué pueden interpretar de las gráficas?

pues muchas cosas.....

Podemos interpretar que al aumentar el tiempo durante la Reacción -química:

1.).-  La Velocidad de Reacción viene dada por la relación ΔC / Δt  , es decir, la VR es la pendiente de la tangente a la curva correspondiente a un tiempo dado:   VR  =  ΔC / Δt

La pendiente de una recta (m) se calcula así:    m= Y2  -  Y1    =  VR

                                                                                  X2  -  X1

Este cálculo es un valor absoluto, es decir, el resultado de esa operación, siempre dará positivo

2.).-  La concentración de los Reactivos disminuye, por lo que la curva tendrá una pendiente negativa

La VR para los Reactivos será   VR  =  Δ[A] / Δt 

si tomamos un intervalo de tiempo entre 10 y 20 segundos

                                                    VR  =  [A]2  [A]1    =   (0.25  -  0.40) mol/l

                                                                  t2  -  t1                     (20   -  10) seg

                                                 VR  = - 0.15 mol/l   =  - 0.015 mol/l /seg

                                                                 10 seg

Para los Reactivos, el valor resultante siempre será negativo, indicando que se consumieron durante la Reacción..  Sin embargo, como mencionamos antes, éste resultado será siempre un valor absoluto, por lo tanto siempre será un valor positivo, por lo tanto:

                                                 VR  =  0.015 mol/l /seg

Pues bien, si queremos calcular la velocidad de la reacción, lo podemos hacer de dos manera:

tomando en cuenta la variación de la concentración de los Reactivos con respecto al tiempo

3.).-  La concentración de los Productos aumenta, por lo que la curva siempre tendrá una pendiente positiva

La VR para los Productos será   VR  =  Δ[B] / Δt 

si tomamos un intervalo de tiempo entre 5 y 10 segundos

                                                    VR  =  [B]2  [B]1    =  (0.30  -  0.18) mol/l

                                                                  t2  -  t1                    (20  -  10) seg

                                                 VR  =  0.12 mol/l   =  0.012 mol/l /seg

                                                                 10 seg

                                                VR  =  0.012 mol/l /seg

Indistintamente, el valor de VR  siempre se expresará en valores positivos, el signo sólo indicará la inclinación de la pendiente, y eso nos dirá sin se trata de la VR de los Reactivos o de los Productos.

También se puede calcular la Velocidad de Reacción instantánea, es decir la velocidad en un momento determinado y no en un intervalo de tiempo.

Por ejemplo, si queremos calcular la VR instantánea a los 40 segundos para el Reactivo A, y para el Producto B, simplemente tomamos los valores puntuales de las concentraciones en ese tiempo.

(VR)A  =  0.10 mol/l   =  0.0025 mol/l /seg

                    40 seg

(VR)B  =  0.48 mol/l   =  0.0012 mol/l /seg

                    40 seg

La velocidad de reacción también se puede calcular a partir de la variación de cantidad de moles consumidos o producidos tanto de los Reactivos como de los Productos;  y también de la variación de sus masas.

Entonces también podemos definir la Velocidad de Reacción como la cantidad de material que se consume o se produce en una unidad de tiempo.

Entonces la expresión para la  Velocidad de Reacción se puede representar también:

Velocidad     =   Número de moles o gramos de sustancia consumida o producida

de Reacción                                              unidad de tiempo

VR  =  n moles       unidades:   mol/seg

             tiempo

 VR  =  masa           unidades: gr/seg

            tiempo

Ejemplo:

Cual será la Velocidad de una reacción donde se consumen 15 moles de Magnesio con ácido clorhídrico, si el tiempo de la reacción es 10 minutos?

Datos

VR  = ?

n moles de Mg = 15 moles

t = 10 min   -------> 10 min * 60 seg/min = 600 seg

VR  =  n moles   =  15 moles    =  0.025 mol/ seg

             tiempo             600 seg

Muy bien... ahora atrabajar....!!!!

EJERCICIO PLANTEADO -1:  (resolverlo y anexarlo a la ACTIVIDAD-5 que será entregada el lunes 05 de mayo con todos los problemas que vayamos planteando durante todas las clases)

Se tienen los siguientes Datos experimentales de las variaciones de concentración de las sustancias con respecto al tiempo, para la siguiente Reacción Química:

                                 A2  + B2  ---------------------->  2 AB  

tiempo t (seg)   [A] (mol/litro )       [AB] (mol/litro )     

           0                       50                          0

           5                       30                         30

          10                      15                         40

          15                      10                         48

          20                       5                          52

a) Grafique los Datos y halle las Curvas de Concentración vs. tiempo para el reactivo A y para el producto AB.

b) Determine la Velocidad de Reacción en el intervalo de tiempo entre 5 y 10 segundos tanto para el reactivo A como para el producto AB.

c) Determine la Velocidad de Reacción en el intervalo de tiempo entre 10 y 20 segundos tanto para el reactivo A como para el producto AB.

d) Compare y analice los resultados obtenidos en (b) y (c) : La Velocidad permanece constante en ambos intervalos ó varía?  Explique.

e) Donde se obtuvo la pendiente negativa? y  Qué interpretación tiene ese resultado?

f) Calcule la velocidad instantánea a los 15 segundos para ambas sustancias

EJERCICIO PLANTEADO -2:  (resolverlo y anexarlo a la ACTIVIDAD-5 que será entregada el lunes 05 de mayo con todos los problemas que vayamos planteando durante todas las clases)

La rapidez de una Reacción es de 0.450 mol/seg.  ¿Cuánto tiempo (en minutos) será necesario para que se consuman completamente 0.323 moles de los reactivos?

EJERCICIO PLANTEADO -3:  (resolverlo y anexarlo a la ACTIVIDAD-5 que será entregada el lunes 05 de mayo con todos los problemas que vayamos planteando durante todas las clases)

Al hacer reaccionar 5 gr de Zinc con H2SO4 al 20%, se observa que la reacción ocurre en 20 seg.  ¿Cuál es la Velocidad de la reacción: a) en mol/seg  y  b) en gr/seg.