Cinetica quimica

QFII – 2do. cuatr. 2002 – FI – UBA – Guía de laboratorio – p.1/11

GUIA DE LABORATORIO

CINETICA QUIMICA Para una reacción química, el conocimiento de la velocidad de reacción, es decir, de la variación de la concentración de un reactivo o producto en función del tiempo, es de gran interés práctico pues permite calcular bajo qué condiciones la reacción evoluciona rápidamente para producir unaelevada cantidad de producto útil, y el tiempo necesario para alcanzar un determinado rendimiento. Se denomina reacción elemental la que se efectúa en un solo paso. La relación entre la velocidad de reacción y la concentración de los diferentes reactivos y productos aporta información útil para deducir las reacciones elementales que suceden a nivel molecular, así como la secuencia de dichasreacciones llamada “mecanismo de reacción”. La cinética química estudia y postula mecanismos de reacción basándose en valores experimentales de concentración de reactivos y/o productos, tiempo, temperatura, concentración de catalizador, de electrolitos, etc. La velocidad de una reacción química se considera siempre como una cantidad positiva. Dada la reacción: aA + bB → cC + dD (1) la velocidad v sedefine, a temperatura constante, como la variación de la concentración de cualquiera de las sustancias intervinientes en función del tiempo: − 1 dC A − 1 dCB 1 dCC 1 dCD v= = = = (2) a dt b dt c dt d dt siendo CA, CB, CC, CD las concentraciones molares de las sustancias respectivas y a, b, c y d los coeficientes estequiométricos de la reacción. La velocidad de reacción es función de lasconcentraciones de los reactivos y productos y puede expresarse según la siguiente ecuación: − 1 dC A β γ v= = kCα CB CC Cδ (3) A D a dt siendo k la constante de velocidad de reacción y α,β,γ y δ los órdenes de reacción con respecto a A, B, C y D respectivamente. El orden general de la reacción (n) es la suma de los órdenes parciales de cada reactivo: n=α +β +γ+δ La ecuación de velocidad de reacción se puededeterminar únicamente con medidas experimentales y no puede deducirse de la molecularidad de la ecuación química. Reacciones de primer orden: Se llaman reacciones de primer orden a aquellas cuya ecuación cinética tiene la expresión: − 1 dC A v= = kCA (4) a dt siendo A uno de los reactivos. Reordenando e integrando: dCA = −kdt ln C A = kt + cte (5) CA Para el instante inicial, t = 0, laconcentración de A es C0A y la ecuación (5) se puede escribir como: 1 C C A = ae − kt k = − ln A (6) t a

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La concentración de la sustancia A disminuye exponencialmente con el tiempo. Si se representan los datos experimentales según la gráfica ln(CA/ C0A) vs. t y se obtiene una recta, puede considerarse que la reacción es de primerorden y la constante de velocidad se calcula de la pendiente de la recta. Las dimensiones de la constante de velocidad son tiempo inverso (seg-1, min-1, etc.), resultando independientes de las medidas de concentración. Se define como vida media de una reacción, τ, al tiempo necesario para que la concentración de A alcance la mitad de su valor inicial, es decir que CA = C0A/2 a t = τ. Uno de losmétodos que ayuda a calcular la constante de velocidad es determinar el tiempo de vida media para diferentes valores iniciales de reaccionante. Para una reacción de primer orden resulta ln 2 τ = (7) k Notar que el tiempo de vida media es independiente de la concentración inicia para las reacciones de primer orden. Los siguientes son ejemplos de reacciones de primer orden: ü Descomposición del N2O5(excepto a presiones muy bajas). ü Decaimiento radiactivo de un núcleo inestable. ü Conversión del bromuro de butilo terciario. ü Descomposición térmica en fase gaseosa del peróxido de butilo terciario. Reacciones de segundo orden: Una reacción es de segundo orden si la velocidad es proporcional al cuadrado de la concentración de uno de los reactivos o al producto de las concentraciones de dos...