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Resumen Cinética Química

La cinética química es una rama de la química que estudia la velocidad de las reacciones químicas y cómo se ven afectadas por distintos factores. ¿Alguna vez te has preguntado por qué algunas reacciones ocurren más rápido que otras? Aquí, exploraremos los conceptos clave y las teorías fundamentales en este resumen de cinética química.

Factores que afectan la velocidad de las reacciones químicas

Concentración de los reactantes

La concentración de los reactantes es uno de los factores más importantes que afectan la velocidad de una reacción. A mayor concentración, hay más partículas de reactantes en un área determinada, lo que incrementa la probabilidad de que ocurran colisiones exitosas y, por ende, la velocidad de la reacción.

Temperatura

La temperatura también influye en la velocidad de las reacciones. Al aumentar la temperatura, las partículas de los reactantes ganan energía cinética y se mueven más rápido. Esto conduce a más colisiones y, en consecuencia, a una mayor velocidad de la reacción.

Presión

En las reacciones que involucran gases, la presión es otro factor que afecta la velocidad. A mayor presión, las partículas de gas están más cerca unas de otras, lo que incrementa la probabilidad de colisiones y, por tanto, la velocidad de la reacción.

Área superficial

Cuando los reactantes son sólidos, el área superficial disponible para las colisiones es crucial. Un sólido con un área superficial mayor proporciona más sitios para que las colisiones ocurran, aumentando la velocidad de la reacción.

Presencia de catalizadores

Los catalizadores son sustancias que aumentan la velocidad de una reacción química sin ser consumidas en el proceso. Actúan reduciendo la energía de activación necesaria para que las reacciones ocurran, lo que facilita las colisiones exitosas entre las partículas de los reactantes.

Ley de velocidad y orden de reacción

Ley de velocidad

La ley de velocidad es una ecuación matemática que relaciona la velocidad de una reacción química con la concentración de los reactantes. Permite determinar cómo cambia la velocidad de la reacción a medida que varía la concentración de los reactantes.

Orden de reacción

El orden de reacción es un número que indica cómo afecta la concentración de un reactante a la velocidad de la reacción. Puede ser un número entero (como 0, 1, 2) o fraccionario. La suma de los exponentes de las concentraciones de los reactantes en la ley de velocidad es igual al orden global de la reacción.

Constante de velocidad

La constante de velocidad, representada por la letra k, es un factor de proporcionalidad en la ley de velocidad. Es una medida de la rapidez con la que ocurre una reacción en condiciones específicas y es única para cada reacción química.

Determinación experimental del orden de reacción

Método gráfico

El método gráfico implica trazar la concentración de un reactante frente al tiempo y analizar la pendiente de la gráfica resultante. Dependiendo de la forma de la gráfica, es posible determinar el orden de la reacción.

Método de la vida media

La vida media de una reacción química es el tiempo que tarda en consumirse la mitad de la concentración inicial de un reactante. Este método permite determinar el orden de reacción analizando cómo varía la vida media con la concentración inicial de los reactantes.

Ecuaciones de las reacciones de primer y segundo orden

Reacciones de primer orden

Las reacciones de primer orden son aquellas en las que la velocidad de la reacción es directamente proporcional a la concentración de un único reactante. La ecuación para una reacción de primer orden es:

v = k[A]

Donde v es la velocidad de la reacción, k es la constante de velocidad y [A] es la concentración del reactante A.

Reacciones de segundo orden

Las reacciones de segundo orden son aquellas en las que la velocidad de la reacción es proporcional al cuadrado de la concentración de un reactante o al producto de las concentraciones de dos reactantes. La ecuación general para una reacción de segundo orden es:

v = k[A]^2 o v = k[A][B]

Teoría de colisiones

Energía de activación

La energía de activación es la cantidad mínima de energía necesaria para que las partículas de los reactantes colisionen exitosamente y formen productos. Cuanto menor sea la energía de activación, más fácil será que ocurran las colisiones y, por tanto, más rápida será la reacción.

Modelo de colisiones

El modelo de colisiones explica cómo las partículas de los reactantes deben colisionar con una orientación adecuada y con suficiente energía para que se produzca la reacción química. Según esta teoría, la velocidad de una reacción depende de la frecuencia y la energía de las colisiones entre las partículas de los reactantes.

Catálisis

Catalizadores homogéneos

Los catalizadores homogéneos son aquellos que se encuentran en la misma fase que los reactantes. Por ejemplo, si todos los componentes de la reacción están en fase líquida, un catalizador homogéneo también será líquido. Estos catalizadores aceleran las reacciones al formar intermediarios químicos con menor energía de activación.

Catalizadores heterogéneos

Los catalizadores heterogéneos son aquellos que se encuentran en una fase distinta a la de los reactantes. Por lo general, son sólidos que interactúan con los reactantes líquidos o gaseosos. Estos catalizadores aceleran las reacciones al proporcionar una superficie sobre la cual las partículas de los reactantes pueden colisionar con mayor facilidad.

Conclusión

La cinética química es esencial para comprender cómo y por qué ocurren las reacciones químicas a diferentes velocidades. Los factores que influyen en la velocidad de las reacciones, la ley de velocidad, el orden de reacción, las ecuaciones de las reacciones de primer y segundo orden, la teoría de colisiones y la catálisis son conceptos fundamentales en este campo. Con este conocimiento, podemos predecir y controlar las reacciones químicas en diversas aplicaciones, desde la producción industrial hasta la investigación científica.

Preguntas frecuentes y repaso

¿Qué es la cinética química?

Es la rama de la química que estudia la velocidad de las reacciones químicas y cómo se ven afectadas por distintos factores.

¿Cuáles son los factores que afectan la velocidad de las reacciones químicas?

Los principales factores que afectan la velocidad de las reacciones químicas son la concentración de los reactantes, la temperatura, la presión, el área superficial y la presencia de catalizadores.

¿Qué es el orden de reacción?

Es un número que indica cómo afecta la concentración de un reactante a la velocidad de la reacción.

¿Cuál es la diferencia entre un catalizador homogéneo y uno heterogéneo?

Un catalizador homogéneo se encuentra en la misma fase que los reactantes, mientras que un catalizador heterogéneo se encuentra en una fase distinta a la de los reactantes.

¿Qué es la energía de activación?

Es la cantidad mínima de energía necesaria para que las partículas de los reactantes colisionen exitosamente y formen productos.

Ejercicio de Cinética Química

La reacción 2NO(g) + O2(g) → 2NO2(g) se lleva a cabo en un reactor a 250°C. Se ha medido la velocidad de reacción en función de la concentración de NO y O2, obteniéndose los siguientes datos:

Experimento [NO] (M) [O2] (M) Velocidad de reacción (M/s)
1 0.100 0.100 3.52 x 10^-4
2 0.200 0.100 1.41 x 10^-3
3 0.100 0.200 7.03 x 10^-4

a) ¿Cuál es la ecuación de la ley de velocidad de la reacción?

b) Calcula la constante de velocidad de la reacción.

c) ¿Cuál es la velocidad de reacción si [NO] = 0.150 M y [O2] = 0.150 M?

 

Solución:

a) La ecuación de la ley de velocidad de la reacción se expresa como: velocidad = k[NO]^x[O2]^y

Donde k es la constante de velocidad y x e y son los órdenes de reacción con respecto a cada reactante. Para determinar los órdenes de reacción y la ecuación de la ley de velocidad se pueden usar los datos de los experimentos 1 y 2.

Para el experimento 1: velocidad = k[NO]^x[O2]^y 3.52 x 10^-4 = k(0.100)^x(0.100)^y

Para el experimento 2: velocidad = k[NO]^x[O2]^y 1.41 x 10^-3 = k(0.200)^x(0.100)^y

Dividiendo la ecuación del experimento 2 entre la ecuación del experimento 1, se obtiene:

1.41 x 10^-3 / 3.52 x 10^-4 = (0.200/0.100)^x (0.100/0.100)^y 4 = 2^x x = 2

Sustituyendo x = 2 en la ecuación del experimento 1: 3.52 x 10^-4 = k(0.100)^2(0.100)^y y = 1

Por lo tanto, la ecuación de la ley de velocidad es: velocidad = k[NO]^2[O2]

 

 

b) Para calcular la constante de velocidad de la reacción, se puede usar cualquiera de los tres experimentos. Tomando el experimento 1:

velocidad = k[NO]^2[O2] 3.52 x 10^-4 = k(0.100)^2(0.100) k = 3.52 x 10^-3 M^-2s^-1

Por lo tanto, la constante de velocidad de la reacción es 3.52 x 10^-3 M^-2s^-1.

 

c) Para calcular la velocidad de reacción si [NO] = 0.150 M y [O2] = 0.150 M, se puede usar la ecuación de la ley de velocidad:

velocidad = k[NO]^2[O2]

Sustituyendo los valores conocidos: velocidad = (3.52 x 10^-3 M^-2s^-1)(0.150)^2(0.150) velocidad = 1.58 x 10^-5 M/s

Por lo tanto, la velocidad de reacción es 1.58 x 10^-5 M/s cuando [NO] = 0.150 M y [O2] = 0.150 M.

 

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2 comentarios en «Resumen Cinética Química»

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