Transcript Clase de Cinética

QUIMICA GENERAL
Cinética química
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Cinética química
Termodinámica – ¿Ocurre una reacción?
Cinética – ¿Qué tan rápido ocurre la reacción?
La velocidad de reacción es el cambio de la concentración
de un reactante o un producto por unidad de tiempo (M/s).
A
V=V=
D[A]
Dt
D[B]
Dt
B
D[A] = Cambio de concentración en A
respecto a un periodo de tiempo Dt.
D[B] = Cambio de concentración en B
respecto a un periodo de tiempo ∆t.
Porque [A] decrece con el tiempo, D[A] es
negativo.
A
B
Tiempo
D[A]
V=Dt
D[B]
V=
Dt
Br2 (ac) + HCOOH (ac)
2Br- (ac) + 2H+ (ac) + CO2 (g)
Pendiente de
la tangente
Pendiente
de
Pendiente de
la tangente la tangente
[Br2]final – [Br2]inicial
D[Br2]
Velocidad promedio= =Dt
tfinal - tinicial
Velocidad instantánea =Velocidad en un tiempo específico
Velocidad a [Br2]
Velocidad = k [Br2]
V
=Velocidad cte.
k=
[Br2]
= 3.50 x 10-3 s-1
2H2O2 (ac)
2H2O (l) + O2 (g)
PV = nRT
n
P=
RT = [O2]RT
V
1
[O2] =
P
RT
V
Medir DP respecto al tiempo
D[O2]
1 DP
=
=
RT Dt
Dt
Velocidad de reacción y estequiometría
2A
B
Dos moles de A desaparecen por cada mol de B que se
forme.
1 D[A]
V=2 Dt
aA + bB
D[B]
V =
Dt
cC + dD
1 D[A]
1 D[B]
1 D[C]
1 D[D]
V===
=
a Dt
b Dt
c Dt
d Dt
Escriba la expresión de velocidad para la siguiente
reacción
CH4 (g) + 2O2 (g)
CO2 (g) + 2H2O (g)
D[CH4]
D[CO2]
1 D[O2]
1 D[H2O]
V= =
==
Dt
Dt
Dt
2 Dt
2
Ley de la velocidad
La ley de la velocidad expresa el producto de la concentración
de los reactivos elevados a una potencia llamada orden de
reacción.
aA + bB
cC + dD
V = k [A]x[B]y
La reacción es de orden x respecto a A
La reacción es de orden y respecto a B
La reacción general es de orden (x + y)
F2 (g) + 2ClO2 (g)
2FClO2 (g)
V = k [F2]x[ClO2]y
Duplicando [F2] con [ClO2] constante
La velocidad se duplica.
x=1
Cuadruplicando [ClO2] con [F2]
constante
La velocidad se cuatriplica.
y=1
V = k [F2][ClO2]
Leyes de la velocidad
•
•
•
Las leyes de la velocidad son determinadas
experimentalmente.
El orden de la reacción siempre es definido en
términos de las concentraciones del reactivo (no del
producto)
La orden de un reactivo no está relacionado con el
coeficiente estequiométrico del reactivo en la ecuación
química balanceada.
F2 (g) + 2ClO2 (g)
2FClO2 (g)
V = k [F2][ClO2] 1
Determine la ley de la velocidad y la constante de
velocidad de la siguiente reacción con los siguientes
datos: S2O82- (ac) + 3I- (ac)
2SO42- (ac) + I3- (ac)
Experimental
[S2O82-]
[I-]
Rango inicial
1
0.08
0.034
2.2 x 10-4
2
0.08
0.017
1.1 x 10-4
3
0.16
0.017
2.2 x 10-4
(M/s)
V = k [S2O82-]x[I-]y
y=1
x=1
V = k [S2O82-][I-]
Duplicando [I-], se duplica la velocidad (experimento 1 & 2)
Duplicando [S2O82-], la velocidad se duplica (experimento 2 & 3)
2.2 x 10-4 M/s
V
k=
=
= 0.08/M•s
2[S2O8 ][I ] (0.08 M)(0.034 M)
Reacciones de orden uno
A
k=
productos
V
M/s
=
= 1/s o s-1
M
[A]
[A] = [A]0exp(-kt)
D[A]
V=Dt
V = k [A]
D[A]
= k [A]
Dt
[A] es la concentración de A en
cualquier momento en moles /litro.
[A]0 es la concentración de A en t=0
ln[A] = ln[A]0 - kt
La reacción 2A
B es de primer orden, la constante de
velocidad es de 2.8 x 10-2 s-1 a 800C. ¿Cuánto tiempo
tomará para que A se reduzca de 0.88 M a 0.14 M ?
[A]0 = 0.88 M
ln[A] = ln[A]0 - kt
[A] = 0.14 M
kt = ln[A]0 – ln[A]
ln[A]0 – ln[A]
=
t=
k
ln
[A]0
[A]
k
ln
=
0.88 M
0.14 M
2.8 x
10-2
s-1
= 66 s
Reacciones de orden uno
La vida media, t½, es el tiempo requerido para que la
concentración del reactivo pueda reducirse a la mitad de la
concentración inicial.
t½ = t cuando [A] = [A]0/2
ln
t½ =
[A]0
[A]0/2
k
ln2
0.693
=
=
k
k
¿Cuál es la vida media de descomposición del N2O5 si su
constante de velocidad es de 5.7 x 10-4 s-1?
0.693
t½ = ln2 =
= 1200 s = 20 minutos
-4
-1
k
5.7 x 10 s
¿Cómo sabe usted que la descomposición es orden uno?
Las unidades de k (s-1)
Reacciones de orden dos
A
D[A]
V=Dt
productos
V
M/s
=
= 1/M•s
k=
2
2
M
[A]
1
1
=
+ kt
[A]
[A]0
D[A]
= k [A]2
Dt
[A] es la concentración de A en cualquier
momento en moles / litro.
[A]0 es la concentración de A en t=0
t½ = t cuando [A] = [A]0/2
1
t½ =
k[A]0
V = k [A]2
Reacciones de orden cero
A
productos
D[A]
V=Dt
D[A]
=k
Dt
V
= M/s
k=
0
[A]
[A] = [A]0 - kt
[A] es la concentración de A en cualquier
momento en moles / litro.
[A]0 es la concentración de A en t=0
t½ = t cuando [A] = [A]0/2
[A]0
t½ =
2k
V = k [A]0 = k
Resumen de la cinética de las reacciones de orden
cero, orden uno y orden dos
Orden
0
Ley de velocidad
V=k
1
V = k [A]
2
[A]2
V=k
Tiempo de
concentración
[A] = [A]0 - kt
ln[A] = ln[A]0 - kt
1
1
=
+ kt
[A]
[A]0
Vida media
t½ =
[A]0
2k
t½ = ln2
k
1
t½ =
k[A]0
A+B
Reacción exotérmica
+
AB+
C+D
Reacción endotérmica
La energía de activación (Ea ) es la energía mínima
requerida para iniciar una reacción.
Dependencia de la velocidad de reacción con respecto a la
temperatura
k = A • exp( -Ea / RT )
(Ecuación de Arrhenius)
Ea es la energía de activación (J/mol)
R constante (8.314 J/K•mol)
T es la temperatura absoluta
A es el factor de frecuencia
Ea 1
lnk = + lnA
R T
Ea 1
lnk = + lnA
R T
Leyes de velocidad y pasos elementales
Reacción unimolecular
A
Reacción bimolecular
A+B
Reacción bimolecular
A+A
productos
V = k [A]
productos V = k [A][B]
productos
V = k [A]2
Escribiendo mecanismos posibles de reacción:
•
La suma de las etapas elementales siempre dan la ecuación
general balanceada de la reacción.
•
La etapa de velocidad determinada debe predecir la misma
ley de velocidad que es determinada experimentalmente.
La etapa de velocidad determinada es la etapa más lenta
en la secuencia de etapas que llevan a la formación del
producto.
La ley experimental de la velocidad de la reacción entre
NO2 y CO produce NO y CO2 con velocidad = k[NO2]2.
Se cree que la reacción ocurre por vía de dos pasos:
Paso 1:
NO2 + NO2
NO + NO3
Paso 2:
NO3 + CO
NO2 + CO2
¿Cuál es la ecuación de la reacción?
NO2+ CO
NO + CO2
¿Quién es el intermediario?
NO3
¿Qué puede decir acerca de las velocidades relativas de
los pasos 1 y 2?
V = k[NO2]2 es la ley de velocidad del paso 1, por lo tanto
el paso 1 es más lento que el paso 2.
Un catalizador es una sustancia que incrementa la velocidad
de la reacción química sin que ésta se consuma.
k = A • exp( -Ea / RT )
Ea
Sin catalizador
k
Con catalizador
velocidadcon catalizador > velocidadsin catalizador
Ea‘ < Ea
En una catálisis heterogénea, los reactivos y el catalizador
están en diferentes fases.
•
Síntesis de Haber para el amoniaco
•
Proceso de Ostwald para la producción de
ácido nítrico.
• Convertidores catalíticos
En una catálisis homogénea, los reactivos y el catalizador
están dispersos en una sola fase, por lo regular líquida.
•
Catálisis ácida
•
Catálisis básica o alcalina
Proceso Haber
N2 (g) + 3H2 (g)
Fe/Al2O3/K2O
catalizador
2NH3 (g)
Proceso Ostwald
4NH3 (g) + 5O2 (g)
Pt catalizador
2NO (g) + O2 (g)
2NO2 (g) + H2O (l)
4NO (g) + 6H2O (g)
2NO2 (g)
HNO2 (ac) + HNO3 (ac)
Catalizadores Pt-Rh usados
en el Proceso Ostwald
Alambre caliente Pt
sobre una solución de
NH3