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.