todas las reacciones químicas tienen una velocidad específica, que define la rapidez con la que los reactivos se convierten en productos.
Las reacciones químicas se rigen por dos factores: cinética y termodinámica. Los factores termodinámicos explican si se producirá o no una reacción, y si absorbe o emite energía durante el proceso.
la cinética se refiere a la velocidad de una reacción química, y la rapidez con la que el sistema alcanza el equilibrio., La cinética de una reacción es descrita por la Ley de velocidad cinética, que define la velocidad basada en una constante de velocidad de reacción, la concentración de componentes y el orden de la reacción.
este video presentará la cinética de la reacción usando la ecuación de la Ley de velocidad, y demostrará cómo determinar la Ley de velocidad para una determinada reacción en el laboratorio.
para una reacción general, la velocidad de reacción es igual a la constante de velocidad por las concentraciones de los reactivos, cada uno elevado a un orden de reacción. La constante de velocidad, k, se fija para una reacción a una temperatura dada.,
los órdenes de reacción son independientes de los coeficientes estequiométricos. En cambio, dependen del mecanismo de reacción, e ilustran cómo la velocidad está relacionada con la concentración de reactivos. Por ejemplo, si la velocidad de reacción no cambia cuando la concentración de «A» se duplica, entonces la reacción no depende de la concentración, y el orden es cero.
si la velocidad se duplica cuando la concentración del reactivo «a» se duplica, entonces la reacción es de primer orden con respecto a «A.» El mismo comportamiento es cierto para el Reactivo «B»., El orden general de una reacción es la suma de las órdenes de reacción individuales para cada reactivo.
durante una reacción, la concentración de reactivos cambia con el tiempo. Tenga en cuenta que la ecuación de velocidad básica no incluye el tiempo como variable, y solo puede relacionar la velocidad y la concentración en un punto de tiempo específico. Sin embargo, la velocidad cambia a medida que la reacción avanza y los reactivos se agotan. El uso de una ley de tasa diferencial puede relacionar el cambio en la concentración con el tiempo.,
la Ley de velocidad para una reacción debe determinarse experimentalmente, donde una reacción química se controla cuidadosamente a una temperatura constante, y la concentración de los reactivos o productos se mide a intervalos de tiempo específicos. Dado que las mediciones de concentración se realizan en puntos de tiempo discretos, la Ley de tasa diferencial es difícil de correlacionar con los datos experimentales.
integrar la Ley de tasa diferencial resulta en una ecuación más simple, llamada Ley de tasa integrada. La Ley de velocidad integrada compara las concentraciones de reactivos al inicio de la reacción y en un momento específico.,
la ecuación de la Ley de velocidad integrada varía dependiendo del orden de la reacción. Estas ecuaciones pueden tomar la forma lineal y = mx + b. por lo tanto, una gráfica de concentración vs tiempo produce una gráfica lineal para una ecuación de orden cero, una gráfica del logaritmo natural de concentración vs tiempo produce una gráfica lineal para una ecuación de primer orden, y así sucesivamente. Al ajustar los datos experimentales a estas ecuaciones, el orden de una reacción se puede determinar fácilmente. La constante de velocidad, k, se puede determinar usando la pendiente de la línea. Finalmente, las unidades de k varían dependiendo del orden de la reacción., Para una reacción de orden cero, las unidades son moles por litro por segundo, para una reacción de primer orden, las unidades son segundos inversos y para una reacción de segundo orden las unidades son litros por MOL por segundo.
ahora que se han explicado los fundamentos de las leyes de velocidad cinética, echemos un vistazo a cómo determinar experimentalmente la Ley de velocidad para la descomposición del peróxido de hidrógeno en agua y oxígeno.
en este experimento, se explora la descomposición catalítica del peróxido de hidrógeno sobre un catalizador de platino.
primero, prepare 5 diluciones de peróxido de hidrógeno, como se muestra en la tabla., En este caso, las concentraciones oscilan entre 0,882 y 0,176 M, utilizando una solución madre al 3% o 0,882 M. Deje que las soluciones se equilibren a temperatura ambiente.
a continuación, prepare el recipiente de reacción utilizando un tubo de ensayo. Primero determine el volumen llenando un tubo de ensayo grande hasta la parte superior con agua. Luego, inserte un tapón de goma de 1 orificio hasta que esté apretado y el agua salga del orificio a través de la parte superior.
retire el tapón y vierta el agua en un cilindro graduado para medir el volumen exacto. Este es el volumen del recipiente de reacción.,
a continuación, vierta 50 mL de la primera solución de peróxido de hidrógeno en el tubo de ensayo y, a continuación, coloque el tubo en el baño de agua a 25 °C. Una vez equilibrado, agregue un disco de reacción recubierto de platino y selle el sistema con un tapón conectado a un sensor de presión de gas.
dado que uno de los productos es el gas oxígeno, el aumento de presión en el sistema se utiliza para medir el aumento de oxígeno. Configure el sensor de presión para adquirir datos a 2 Puntos por s, luego ejecute el experimento para 120 S. Las burbujas deben ser visibles a medida que el peróxido se descompone en oxígeno, gas y agua. ,
Cuando el período de reacción haya terminado, suelte la presión y deseche la solución de peróxido. Enjuague el tubo, luego llene el tubo con la siguiente solución de peróxido de hidrógeno. Repita la medición de la presión del gas para todas las soluciones.
Trace los datos de presión versus tiempo para cada solución. La presión del oxígeno evolucionado es directamente proporcional a los moles de oxígeno formados de acuerdo con la ley del gas ideal. Después de la reacción química, los moles de oxígeno formado se pueden utilizar para calcular los moles de peróxido de hidrógeno descompuesto., En primer lugar, supongamos que la concentración de peróxido de hidrógeno no cambió significativamente durante la corta duración del experimento. Por lo tanto, los datos trazados representan solo la región inicial del experimento cinético.
Determinar la pendiente de cada conjunto de datos utilizando una regresión lineal. La pendiente es igual a la velocidad de reacción inicial en unidades de presión de oxígeno por segundo.
a continuación, gráfica del logaritmo natural de la velocidad de reacción inicial frente al logaritmo natural de la concentración inicial de peróxido. La pendiente es igual al orden de reacción, m, y es aproximadamente igual a uno., Por lo tanto, la reacción es de primer orden.
la tasa para cada ensayo es en unidades de presión en Torr, por segundo. Para determinar la constante de velocidad, primero convierta la velocidad en unidades de atmósferas por segundo. Debido a que las burbujas evolucionaron en la solución acuosa, reste la presión de vapor del agua de la presión del sistema para cada ensayo. La nueva velocidad solo refleja la presión debida a la evolución del oxígeno.
Aplicar la Ley de gas ideal para convertir la tasa de atmósferas per se a moles per s para cada ensayo., Dos veces los moles de oxígeno producidos son iguales a los moles de peróxido de hidrógeno descompuestos, según la estequiometría de reacción química. Luego, use el volumen de reacción para convertir las unidades de la velocidad a molaridad por segundo.
Determine las constantes de velocidad para cada ensayo dividiendo la velocidad en molaridad por s por la concentración inicial. En este experimento, la constante de velocidad promedio, k, es de Aproximadamente 1.48 x 10-4 por S. La reacción es de primer orden, conocida a partir de la gráfica de logaritmo natural – logaritmo natural mostrada anteriormente. Por lo tanto, la Ley de tarifas se puede escribir como se muestra.,
ahora que ha visto cómo determinar la Ley de velocidad para una reacción química, veamos algunas áreas donde se aplica este concepto.
Las reacciones químicas se utilizan en la síntesis de compuestos y materiales utilizados en una amplia gama de aplicaciones científicas. Es importante entender la velocidad de reacción en estos pasos de síntesis, con el fin de controlar el progreso de una reacción.
Por ejemplo, la síntesis de seleniuro de cadmio nanocristales y nanorods procede a través de una serie de reacciones químicas., Cada reacción tiene su propia velocidad de reacción discreta, y por lo tanto el paso de síntesis se controla cuidadosamente en función de la velocidad de conocimiento de la reacción; algunos lentos y otros muy rápidos.
la Ley de velocidad de reacción también se puede utilizar para describir la desintegración radiactiva y determinar la vida media del material radiactivo. La vida media se refiere a la cantidad de tiempo necesario para que la concentración de un material caiga a la mitad de su concentración inicial.,
la radiactividad sigue una cinética de primer orden, lo que significa que el tiempo necesario para que el material radiactivo se descomponga a un nivel seguro puede caracterizarse muy bien, lo que permite el transporte y almacenamiento adecuados de material radiactivo y desechos radiactivos.
Al igual que los materiales radiactivos, los medicamentos también tienen una vida media y se degradan en el cuerpo. Por ejemplo, algunos medicamentos tienen constantes de alta tasa, lo que significa que se degradan rápidamente y deben tomarse con frecuencia. El conocimiento de esta tasa de degradación permite determinar la dosis, el uso y el método de administración adecuados.,
acabas de ver la introducción de JoVE a las tasas de reacción. Ahora debe comprender los diferentes órdenes de reacciones químicas, cómo se relacionan con las tasas de reacción química y cómo determinar la Ley de velocidad para una reacción química dada en el laboratorio.
Gracias por mirar!