Fundamentos de la Cinética Química
Mapa conceptual
La cinética química estudia la velocidad de las reacciones y cómo factores como la concentración, temperatura y catalizadores influyen en ella. Se analiza la determinación de órdenes de reacción y el cálculo del tiempo de vida media, así como el impacto de la naturaleza química y el estado físico de los reactivos. Además, se abordan los diferentes tipos de catálisis: homogénea, heterogénea y enzimática, y su rol en la aceleración de procesos químicos.
Resumen
Esquema
Fundamentos de la Cinética Química
La cinética química es una disciplina de la química que se ocupa del estudio de las velocidades de las reacciones químicas y de los factores que las influencian. La velocidad de una reacción se mide por el cambio en la concentración de un reactante o producto por unidad de tiempo, y se describe matemáticamente mediante la ley de velocidad. Esta ley establece que la velocidad de reacción es proporcional a las concentraciones de los reactantes elevadas a sus respectivos órdenes de reacción, que son exponentes determinados experimentalmente y que pueden diferir de los coeficientes estequiométricos. La constante de velocidad, denotada como k, es un parámetro específico para cada reacción a una temperatura dada y es esencial para predecir la rapidez con la que ocurre una reacción.Determinación de los Órdenes de Reacción
El orden de reacción refleja cómo la velocidad de reacción depende de la concentración de los reactivos. En una reacción de primer orden, la velocidad es directamente proporcional a la concentración de un único reactivo. En una reacción de segundo orden, la velocidad puede ser proporcional al cuadrado de la concentración de un reactivo o al producto de las concentraciones de dos reactivos distintos. El orden total de la reacción es la suma de los órdenes individuales de los reactivos. Determinar el orden de reacción es crucial para entender la cinética de una reacción y para predecir cómo variará la velocidad de reacción bajo diferentes condiciones.Cálculo del Tiempo de Vida Media
El tiempo de vida media, representado por t1/2, es el tiempo requerido para que la concentración de un reactivo se reduzca a la mitad de su valor inicial. Este concepto es particularmente útil para describir reacciones de primer orden y de orden cero. En las reacciones de primer orden, t1/2 es constante y no depende de la concentración inicial, calculándose como t1/2 = ln(2)/k. Para las reacciones de orden cero, t1/2 varía con la concentración inicial y se calcula mediante la fórmula t1/2 = [A]0/2k, donde [A]0 es la concentración inicial del reactivo.Factores que Afectan la Velocidad de Reacción
La velocidad de reacción es influenciada por múltiples factores. La concentración de los reactivos es uno de ellos, ya que un incremento en la concentración aumenta la probabilidad de colisiones efectivas entre las moléculas, acelerando la reacción. La temperatura también es determinante, pues al elevarse, las moléculas adquieren mayor energía cinética, lo que incrementa la frecuencia de colisiones con energía suficiente para superar la barrera de energía de activación. Los catalizadores son otro factor importante, ya que pueden ofrecer un camino alternativo para la reacción con una energía de activación menor, modificando así la velocidad de reacción.Influencia de la Naturaleza Química y el Estado Físico
La naturaleza química de los reactivos es un factor clave en la determinación de la velocidad de reacción. Las reacciones que involucran pocos o ningún reajuste de enlaces tienden a ser más rápidas que aquellas que requieren la ruptura y formación de enlaces múltiples o fuertes. El estado físico de los reactivos también influye; las reacciones en fases homogéneas, como gases o soluciones, suelen ser más rápidas que las reacciones heterogéneas, donde la superficie de contacto y el tamaño de las partículas del sólido pueden ser limitantes.Tipos de Catálisis: Homogénea, Heterogénea y Enzimática
Los catalizadores son sustancias que incrementan la velocidad de las reacciones químicas sin consumirse permanentemente. En la catálisis homogénea, catalizador y reactivos están en la misma fase, facilitando las interacciones. En la catálisis heterogénea, el catalizador está en una fase distinta a la de los reactivos, y su acción se basa en la adsorción de los reactivos en sitios activos de su superficie. Las enzimas son catalizadores biológicos que aceleran las reacciones bioquímicas con alta especificidad para sus sustratos, operando mediante un mecanismo de ajuste inducido que estabiliza el estado de transición, facilitando la conversión del sustrato en producto.
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Velocidad de reacción
Ley de velocidad
La velocidad de una reacción se describe matemáticamente mediante la ley de velocidad, que establece que es proporcional a las concentraciones de los reactantes elevadas a sus respectivos órdenes de reacción
Órdenes de reacción
Reacción de primer orden
En una reacción de primer orden, la velocidad es directamente proporcional a la concentración de un único reactivo
Reacción de segundo orden
En una reacción de segundo orden, la velocidad puede ser proporcional al cuadrado de la concentración de un reactivo o al producto de las concentraciones de dos reactivos distintos
Orden total de la reacción
El orden total de la reacción es la suma de los órdenes individuales de los reactivos
Tiempo de vida media
El tiempo de vida media es el tiempo requerido para que la concentración de un reactivo se reduzca a la mitad de su valor inicial y se calcula mediante fórmulas específicas para reacciones de primer orden y de orden cero
Factores que afectan la velocidad de reacción
Concentración de los reactivos
La concentración de los reactivos influye en la velocidad de reacción, ya que un aumento en la concentración aumenta la probabilidad de colisiones efectivas entre las moléculas
Temperatura
La temperatura es un factor determinante en la velocidad de reacción, ya que al aumentarla, las moléculas adquieren mayor energía cinética, lo que incrementa la frecuencia de colisiones con energía suficiente para superar la barrera de energía de activación
Catalizadores
Los catalizadores pueden acelerar la velocidad de reacción al ofrecer un camino alternativo con una energía de activación menor
Influencia de la naturaleza química y el estado físico
Naturaleza química de los reactivos
La naturaleza química de los reactivos es un factor clave en la determinación de la velocidad de reacción, ya que las reacciones que involucran pocos o ningún reajuste de enlaces tienden a ser más rápidas
Estado físico de los reactivos
El estado físico de los reactivos también influye en la velocidad de reacción, siendo las reacciones en fases homogéneas más rápidas que las reacciones heterogéneas
Tipos de catálisis
Catálisis homogénea
En la catálisis homogénea, el catalizador y los reactivos están en la misma fase, facilitando las interacciones
Catálisis heterogénea
En la catálisis heterogénea, el catalizador y los reactivos están en fases distintas y su acción se basa en la adsorción de los reactivos en sitios activos de su superficie
Catálisis enzimática
Las enzimas son catalizadores biológicos que aceleran reacciones bioquímicas mediante un mecanismo de ajuste inducido que estabiliza el estado de transición, facilitando la conversión del sustrato en producto
Fundamentos de la Cinética Química
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La ley de ______ indica que la velocidad de una reacción es directamente proporcional a las ______ de los reactantes elevadas a sus órdenes de ______.
velocidad
concentraciones
reacción
01
La constante de ______ se simboliza con la letra 'k' y varía con la ______ para una reacción específica.
velocidad
temperatura
02
Los órdenes de reacción se determinan ______ y pueden no coincidir con los coeficientes ______.
experimentalmente
estequiométricos
