Cinética Química: Velocidad y Mecanismos de Reacción

Cinética Química

Introducción

La cinética química es una rama de la fisicoquímica que estudia la velocidad de las reacciones químicas y sus mecanismos.

Velocidad de Reacción

La velocidad de reacción se define como la cantidad de sustancia que reacciona por unidad de tiempo.

Factores que afectan la velocidad de reacción:

• Presión
• Temperatura
• Concentración
• Solvente
• Orden de reacción
• Catalizador
• Luz

Ley de Acción de Masas

La Ley de Acción de Masas (en caso de reacciones lentas) establece que la velocidad de una reacción es directamente proporcional a la concentración de los reactivos elevada a su coeficiente estequiométrico.

LAM = V (escribir flecha hacia arriba en forma de L) [R]^n --> V = K*C^n

Donde:

• V: Velocidad de reacción
• K: Constante de velocidad
• C: Concentración
• n: Orden de reacción

La ecuación representa el número de moléculas y moles que están presentes en dicha reacción.

V = dc/dt = k*c^n

Clasificación de las Reacciones según su Orden

La cinética química, para mejorar el estudio de la velocidad de las reacciones, las clasifica según su orden:

Reacciones de Orden Cero

En una reacción de orden cero, la ecuación diferencial de velocidad es:

v = -d[A]/dt = k

Integrando:

∫[A]₀^[A] d[A] = -k ∫₀^t dt

Tenemos:

[A] - [A]₀ = -kt

La representación de [A] frente a t da una recta de pendiente -k y ordenada en el origen [A]₀.

Estas reacciones se dan en el caso de reacciones heterogéneas en las que la velocidad de reacción es independiente de la concentración de reactivos.

Reacciones de Primer Orden

Es aquella cuya cinética se rige por una ley de rapidez de una reacción en la que el orden es 1; es decir:

-d[A]/dt = k*[A]¹

Reacciones de Segundo Orden

Pueden darse dos casos, dependiendo de que la ecuación de velocidad sea función de la concentración de un solo reactivo o de dos. El primer caso corresponde a una reacción elemental del tipo:

2A --> P

Que podrá describirse mediante la ecuación de velocidad de segundo orden siguiente:

d[A]/dt = -k[A]²

Reacciones de Tercer Orden

Se conocen muy pocas reacciones gaseosas de tercer orden. En principio, pueden dar lugar a reacciones de tercer orden los procesos elementales del tipo:

• 3A --> P
• 2A + B --> P
• A + B + C --> P

Que con las condiciones y notación utilizadas para los procesos de segundo orden se traducen en las ecuaciones diferenciales:

dx/dt = k(a-x)³

Determinación Experimental del Orden de una Reacción Química

Pasos:

1. Graficar en papel milimetrado la concentración vs tiempo.
2. Si la gráfica nos da una línea recta de pendiente negativa, estamos en presencia de una cinética de orden 0. Si, por el contrario, la gráfica nos da una forma de hipérbola, estamos en presencia de una cinética de orden 1.
3. Si al final la línea de la gráfica no coincide con lo antes mencionado, haremos un segundo intento, pero esta vez graficando el inverso de la concentración vs tiempo (1/[concentración] vs tiempo). Si nos da una línea recta de pendiente positiva que no pasa por el origen, estamos en presencia de una cinética de segundo orden.

Periodo de Vida Media

El periodo de vida media (T_1/2, T_0,5, T_50%) es el tiempo que necesita una sustancia o una droga para alcanzar la mitad de su concentración inicial.

Ejemplo:

T_1/2 = 0,693/k

Ecuaciones

• m = (Y₂ - Y₁) / (X₂ - X₁)
• -m = k
• T_1/2 = [A₀] / 2k

Termodinámica

La termodinámica es la parte de la física que estudia la acción mecánica del calor y las restantes formas de energía.

"La concepción heredada pretendía tener una caracterización general de las teorías científicas más desarrolladas, como la mecánica, la termodinámica, el electromagnetismo, etc."

La termodinámica considera únicamente las variaciones de energía entre reactivos y productos de una reacción, sin intentar señalar las etapas de paso ni la rapidez con que se alcance el equilibrio. La cinética complementa a la termodinámica al proporcionar información sobre el mecanismo de transformación de reactivos en productos.

Reacciones Iónicas

Las reacciones iónicas no se pueden estudiar mediante cinética química convencional, ya que proceden con tanta rapidez que parecen instantáneas, al igual que las explosiones y otros tipos similares, que reaccionan tan rápido que es imposible determinar su velocidad o se requieren procedimientos especiales. En otros casos, hay reacciones tan lentas que hay que esperar meses o incluso años para observar cambios significativos.