2. Cinética química

La cinética química es un campo de la química que estudia la velocidad de reacción de los procesos químicos en función de la concentración de las especies que reaccionan, de los productos de reacción, de los catalizadores e inhibidores, de los diferentes medios disolventes, de la temperatura, y de todas las demás variables que pueden afectar a la velocidad de una reacción.

2.1 Molecularidad y orden de reacción.

Orden de reacción: El orden de reacción con respecto a un reactivo es el exponente de su término de concentración de la ley de velocidad. El orden de reacción global es la suma de los exponentes de todos los términos de concentración. 

Mecanismos de reacción: La mayoría de las reacciones transcurren por mecanismos de varias etapas, llamadas reacciones elementales. La ecuación de una reacción elemental indica la molecularidad, (número de partículas que colisionan) de los reactivos implicados en el choque que produce la reacción. 

Problema 1

En ciertas condiciones la velocidad de formación del agua viene dada por la ecuación:

Indicar: a) El orden de la reacción.

Solución:

Orden 2 con respecto al reactivo H2

Orden 1 con respecto a O2

Orden total= 2+1= 3

Problema 2. 

La ecuación de velocidad para la reacción A = B, es de la forma:

Utilizando los siguientes datos:

[A] M                                         Velocidad mol/ls

0.1                                                         0.0006

0.2                                                         0.0024

Encuentra el orden de reacción respecto a A y el orden total. 

Solución:

V1/V2= 0.0006/0.0024

2.2 Reacciones elementales y no elementales

Una reacción química elemental es aquella que consta de una sola etapa, en la que no se observan compuestos intermedios, y los reactivos reaccionan en un solo paso, no se necesita de varias etapas para describir cómo sucede la reacción  molécula a molécula.

Problema 1:

Escribe una ley de velocidad para la siguiente reacción elemental y clasifícala como: unimolecular, bimolecular o termolecular: 

Solución

Unimolecular. 

Problema 2: 

Deduce la ley de velocidad para la reacción entre monóxido de nitrógeno y bromo para la que se ha propuesto:

Solución

2.3 Mecanismo de reacción. 

Problema 1: 

Para la reacción:

                         

se ha propuesto el siguiente mecanismo: 

               

 

 Y la expresión de velocidad observada es:

 Si el mecanismo anterior es correcto, ¿cuál es la etapa determinante del proceso?

Solución:

La primera etapa es la determinante. 

Problema 2: 

Sugiere un mecanismo para la reacción:

en ciertas condiciones en las que soy ley de velocidad es: 

sabiendo que la velocidad cae drásticamente si se adicionan sustancias que eliminen hidrógeno y bromo atómico muy rapidamente. 

Solución:

2.4 Reacciones simples (irreversibles) y reacciones complejas (competitivas, en serie y reversibles).  

Reacciones simple irreversibles:

Reacciones irreversibles competitivas:

Reacciones irreversibles en serie:

Problema 1:Reacciones complejas competitivas. 

Escribe la ecuación de velocidad para el siguiente sistema:

Solución:

2.5 Ley de velocidad. 

La ley de velocidad nos permite calcular la velocidad de reacción una vez sabiendo la concentración de los reactivos. 

k= constante de velocidad

m y n= órdenes parciales de reacción. 

Problema 1: 

Escribe la ley de velocidad de la siguiente reacción:

Tomando en cuenta que experimentalmente, se demostró lo siguiente:

Conc. inicial de H2                   Conc. inicial de NO                 Velocidad inicial (M/s)

0.1                                               0.1                                                   0.1

0.1                                               0.3                                                      0.3
0.2                                              0.1                                                    0.2

Reemplazando estos datos en la ecuación de velocidad:

Ahora dividimos la ecuación 1 entre la ecuación 2: 

0.33= 0.33^n

Por lo tanto n= 1

Ahora dividimos la ecuación 1 entre ecuación 3:

0.5= 0.5^m. Por lo tanto m= 1

De esta forma determinamos los órdenes de reacción. Es de primer orden (m=1) para con respecto al hidrógeno y de primer orden (n=1) con respecto al óxiso nitroso. El orden global de reacción  es 2 y por lo tanto la ecuación de velocidad es:

Problema 2:

Escribe la ecuación de velocidad para la siguiente reacción: 

Si sabemos que es de primer orden con respecto al O2 y de segundo orden con respecto al CO. 

Solución:

2.7 Tiempo de vida media. 
El tiempo de vida media, t1/2, es el tiempo en que la concentración inicial de reactante disminuye a la mitad.

Problema: Reacción de orden 0. 

Expresa el tiempo de vida media para una reacción de orden cero. 

Solución: 

Problema: Reacción de orden 0.

Cálcula el tiempo de vida media para una reacción de orden cero, donde la concentración inicial del reactivos es 0.1M y k= 0.008s^-1

Problema: Reacción de orden 1. 

El etano se descompone en radicales metilo. Esta reacción es de primer orden y su k= 5.36*10^-4 s^-1 a 700°C. Calcule el tiempo de vida media en minutos. 

Solución

Problema 4: Reacción de orden 1.

¿Cuál es la k de descomposición la reacción de descomposición de N2O5, si su t1/2= 20 min.?

Problema: Reacción de orden 2.

La descomposición del compuesto A sigue  una cinética de segundo orden con k=1,0x10-5 M-1s-1. Si se parte de una concentración inicial de A 1,000M, calcula: a) la concentración molar de A al cabo de 12 h de descomposición, b) el tiempo necesario para que la concentración sea 0,200M, c) la vida media.

Problema: Orden 2

2.8 Cálculo de constante cinética y orden ded reacción utilizando método de aislamiento de Ostwald. 

La ecuación de velocidad se puede determinar utilizando el método de aislamiento de Ostwald que consiste en planificar las experiencias de forma que la concentración de un reactivo se mantenga constante mientras que la de otro va cambiando. Esto normalmente se logra haciendo que una de las concentraciones esté en exceso de forma que no varíe al transcurrir la reacción.

Problema. 

Escribe la expresión de la ecuación de velocidad para una reacción A+B= productos. Donde la concentración de B es mucho mayor que la de A.

Solución.

 Por lo tanto, la ecuación de velocidad es:

Problema. 

Para la reacción del problema anterior, escribe la expresión de la constante aparente de velocidad si la concentración de A fuera mucho mayor que la de B.