Cinética Química Esencial: Velocidad de Reacción, Entalpía y Factores Determinantes

Fundamentos de Cinética Química y Termodinámica

Conceptos Clave en Reacciones Químicas

• Intercambio de calor entre productos y reactivos: Se describe mediante la entalpía de reacción (endotérmica o exotérmica) o la entalpía de formación.
• Velocidad de reacción: Factores que la afectan incluyen la naturaleza de las sustancias, la temperatura, la presencia de un catalizador, la presión y la concentración de los reactivos.
• Desarrollo sustentable: (Este punto se mantiene como parte de los conceptos generales, aunque no es un "tipo" de reacción química en el sentido termodinámico o cinético).

Definiciones Fundamentales

• Catalizador: Sustancia que acelera la velocidad de una reacción química sin consumirse en el proceso.
• Termoquímica: Rama de la química que estudia los cambios de energía asociados a las reacciones químicas.

Entalpía (H)

• Es la cantidad de energía calorífica almacenada por una sustancia a presión constante.
• Se representa con el símbolo H.

Tipos de Entalpía

Entalpía de Reacción (ΔH_reacción)

• Representa el calor absorbido o desprendido durante una reacción química que se lleva a cabo a presión constante.
• Para una reacción irreversible:
  • Si ΔH < 0: La reacción es exotérmica, lo que significa que se expulsa energía (calor) al entorno.
  • Si ΔH > 0: La reacción es endotérmica, lo que significa que se absorbe energía (calor) del entorno. Un ejemplo clásico es la fotosíntesis.

Entalpía de Formación (ΔH_f°)

• Es la variación de energía calorífica necesaria para formar un mol de una sustancia a partir de sus elementos en su estado estándar.
• Las condiciones estándar son: 298 K (25 °C) y 100 kPa (aproximadamente 1 atm).

Velocidad de Reacción

• La velocidad de reacción se define como la relación del cambio en la concentración molar de los reactivos o productos por unidad de tiempo.
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• Es una variable fundamental en el estudio de las reacciones químicas.
• Se ve afectada por los siguientes factores clave:
  • Naturaleza de los reactivos: Incluye el tamaño de la partícula y la variedad de sustancias involucradas.
  • Temperatura: Un incremento en la temperatura generalmente acelera la reacción.
  • Catalizadores: Son sustancias que aumentan la velocidad de las reacciones sin consumirse.
  • Concentración de los reactivos: Un incremento en la concentración de un reactivo suele aumentar la velocidad de reacción.
• Para que los átomos, moléculas o iones reaccionen eficazmente, se deben cumplir dos condiciones principales:
  • Suministro de Energía de Activación: Deben poseer o recibir una cantidad mínima de energía, conocida como energía de activación (Ea).
  • Colisiones Efectivas: Deben colisionar con la orientación adecuada y la energía suficiente para debilitar los enlaces existentes y formar nuevos.

Cinética Química

• La Cinética Química es la rama de la química que se dedica al estudio de la rapidez con la que ocurren las reacciones químicas y los mecanismos a través de los cuales se desarrollan.

Teoría del Complejo Activado y Colisiones

• Según la Teoría de Colisiones, para que una reacción ocurra, las partículas de los reactivos deben chocar. Sin embargo, no todas las colisiones son efectivas.
• Una colisión efectiva debe cumplir con dos criterios fundamentales:
  • Energía Suficiente: Las moléculas deben colisionar con una energía cinética igual o superior a la energía de activación (Ea). Si la energía es insuficiente, las moléculas simplemente rebotarán sin formar productos.
  • Orientación Adecuada: Las moléculas deben chocar con la orientación espacial correcta para que los enlaces puedan romperse y formarse eficazmente.
• Por lo tanto, no todas las colisiones entre reactivos resultan en la formación de productos.
• El Complejo Activado es una estructura transitoria de alta energía que se forma durante una colisión efectiva entre las moléculas de los reactivos. Esta estructura es inestable y puede descomponerse para formar los productos o volver a los reactivos originales.
• La velocidad de reacción se relaciona con el cambio en la concentración de un reactivo o producto con respecto al tiempo.
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• Expresiones de velocidad:

Estequiometría y Velocidad de Reacción

• Los coeficientes estequiométricos en una ecuación química balanceada son cruciales para relacionar las velocidades de consumo de reactivos y formación de productos. Estos coeficientes se utilizan en la expresión de la velocidad de una reacción.

Relación Estequiométrica

Ley de Velocidad

• La Ley de Velocidad (o ecuación de velocidad) es una expresión matemática que permite calcular la velocidad de una reacción química a partir de las concentraciones iniciales de los reactivos.

• Donde:
  • k: Es la constante de velocidad, un valor específico para cada reacción a una temperatura dada.
  • m y n: Son los órdenes parciales de reacción con respecto a los reactivos A y B, respectivamente. Estos valores se determinan experimentalmente y no necesariamente coinciden con los coeficientes estequiométricos. La suma de m + n representa el orden total de la reacción.

Teoría Cinético-Molecular y Ecuación de Arrhenius

• Según la Teoría Cinético-Molecular, un aumento en la temperatura incrementa la energía cinética promedio de las moléculas. Esto, a su vez, provoca un mayor número de colisiones por unidad de tiempo y un mayor porcentaje de colisiones con la energía suficiente para reaccionar.

Ecuación de Arrhenius

• La Ecuación de Arrhenius describe la dependencia de la constante de velocidad (k) con la temperatura y la energía de activación.

• Donde:
  • k: Es la constante de velocidad de la reacción.
  • A: Es el factor de frecuencia (o factor preexponencial), que representa la frecuencia de las colisiones con la orientación adecuada.
  • Ea: Es la energía de activación de la reacción.
  • R: Es la constante de los gases ideales (8.314 J/(mol·K)).
  • T: Es la temperatura absoluta en Kelvin (K).

Método de las Velocidades Iniciales

• El Método de las Velocidades Iniciales es una técnica experimental utilizada para determinar los órdenes parciales de reacción (m y n) y, consecuentemente, la ley de velocidad de una reacción.
• Los valores de m y n (los exponentes en la ley de velocidad) se obtienen comparando las velocidades iniciales de la reacción en diferentes experimentos donde se varían sistemáticamente las concentraciones de los reactivos.
• Estos datos experimentales se utilizan para establecer la ecuación de velocidad.
• La ley de velocidad nos indica cómo la velocidad de una reacción depende de las concentraciones de los reactivos. Es importante destacar que existen casos de reacciones de orden cero, donde la velocidad es independiente de la concentración de uno o más reactivos, es decir, la velocidad permanece constante a pesar de los cambios en la cantidad de dicho reactivo.