CINETICA QUIMICA
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CINETICA QUIMICA CINETICA QUIMICA Document Transcript

  • UNIVERSIDAD NACIONAL FEDERICO VILLARREAL CINÉTICA QUIMICA OBJETIVOS Conocer, comprender e interpretar la definición de velocidad de reacción química. Diferenciar la velocidad media de la velocidad instantánea. Analizar los diferentes factores que modifican la velocidad de reacción según la teoría de colisiones. Comprender la importancia de conocer el orden de una reacción para establecer su posible mecanismo. Analizar cómo actúan los catalizadores y cuál es su importancia en los procesos químicos. 1. DEFINICIÓN Es una parte de la química que estudia la velocidad o rapidez con la que se llevan a cabo las reacciones químicas. Los factores que las alteran y el mecanismo de la reacción (cómo los reactantes se transforman en productos). Mediante el estudio de la cinética química es que realiza el diseño de un reactor para un conjunto de reacciones que se realizan dentro de él. Un punto que se debe visualizar es que la cinética también es aplicable a cambios físicos y/o alotrópicos de la materia. En este sentido y haciendo referencia al párrafo anterior se puede dar como ejemplo el caso del carbono. Dos posibles estructuras alotrópicas del carbono (hay otras), son el carbono grafito y el diamante. Sin embargo en condiciones normales, la termodinámica predice que solo debe existir el carbono grafito. La pregunta que es interesante es por qué motivo existe la joya del diamante, la cual tiene sentido a altas presiones según la termodinámica pero no a bajas. La respuesta se encuentra en la velocidad de transformación de diamante a grafito. Esta transformación es tan lenta en condiciones normales que QUIMICA EXPERIMENTAL Página 1
  • UNIVERSIDAD NACIONAL FEDERICO VILLARREAL puede demorar miles de años y si bien la termodinámica predice que el sistema bien debe evolucionar a la formación de grafito en estas condiciones, esto en la práctica no es apreciable. 2. VELOCIDAD DE REACCIÓN QUÍMICA La velocidad de una reacción química es la medida de la rapidez con la que se consumen los reactantes o se forman los productos. Dicha rapidez nos indica la nsumen variación de la concentración de reactantes o productos por unidad de tiempo. Matemáticamente se expresa así: ߥൌ ‫ݏ݋ݐܿݑ݀݋ݎ݌ ݋ ݏ݁ݐ݊ܽݐܿܽ݁ݎ ݁݀ ݊݋݅ܿܽݎݐ݊݁ܿ݊݋ܿ ݁݀ ݊݋݅ܿܽ݅ݎܽݒ‬ ‫݊݋݅ܿܽ݅ݎܽݒ‬ ‫ݏ݋ݐܿݑ݀݋ݎ݌‬ ‫݋݌݉݁݅ݐ ݁݀ ݀ܽ݀݅݊ݑ‬ Cuando los reactantes se consumen con el transcurrir del tiempo, la variación de concentraciones es de disminución, mas cuando los productos se forman con el tiempo, variación de concentración es de aumento. entración aA → bB a) Velocidad Media (νmedia) Es la medida de la variación de concentración de un reactante o un producto en cierto intervalo de tiempo. aA +bB → cC +dD QUIMICA EXPERIMENTAL Página 2
  • UNIVERSIDAD NACIONAL FEDERICO VILLARREAL ߥ௠௘ௗ௜௔ ൌ െ ሾ ሿ 1 ᇞ ሾ‫ܣ‬ሿ 1 ᇞ ሾ‫ܤ‬ሿ 1 ᇞ ሾ‫ܥ‬ሿ 1 ᇞ ሾ‫ܦ‬ሿ ൌെ ൌ ൌ ܽ ᇞ‫ݐ‬ ܾ ᇞ‫ݐ‬ ܿ ᇞ‫ݐ‬ ݀ ᇞ‫ݐ‬ ߥ௠௘ௗ௜௔ ൌ െ ߥ௔ ߥ௕ ߥ௖ ߥௗ ൌെ ൌ ൌ ܽ ܾ ܿ ݀ En el caso de los gases se puede usar el siguiente ejemplo: 2‫ܪ‬ଶ ܱଶ → 2‫ܪ‬ଶ ܱ ൅ ܱଶ ሺ↑ሻ De la ecuación de los gases ideales: ܸܲ ൌ ܴܶ݊ ܲൌ ݊ ܴܶ ൌ ሾܱଶ ሿܴܶ ܸ ሾܱଶ ሿ ൌ ܲ ܴܶ Definimos la velocidad como: ‫ݒ‬ൌ ᇞ ሾܱଶ ሿ ᇞ ܲሺைమ ሻ 1 ൌ ൈ ᇞ‫ݐ‬ ᇞ‫ݐ‬ ܴܶ Donde la presión se expresa en atmosferas y el tiempo en segundos. b) Velocidad Instantánea (νi) La velocidad instantánea es la medida de rapidez con la que se consume un reactante o se forma un producto en determinado instante, es decir, en un tiempo específico. QUIMICA EXPERIMENTAL Página 3
  • UNIVERSIDAD NACIONAL FEDERICO VILLARREAL A diferencia de la velocidad media, la velocidad instantánea mide la rapidez de la reacción un cierto intervalo de tiempo. Matemáticamente, para definir la velocidad instantánea se utiliza el concepto de derivada bajo esta frase: “Es la derivada de la concentración de un reactivo o producto con respecto al tiempo tomada siempre como valor positivo, es decir el cociente de la variación de la concentración de algún reactivo o producto por unidad de tiempo cuando los intervalos de tiempo tienden a 0” 0”. A manera de observación se puede decir que la velocidad instantánea disminuye con el transcurrir del tiempo. aA +bB → cC +dD ᇞ ሾ‫ܽ݅ܿ݊ܽݐݏݑݏ‬ሿ ݀ሾ‫ܽ݅ܿ݊ܽݐݏݑݏ‬ሿ ൌ ᇞ௧→଴ ᇞ‫ݐ‬ ݀‫ݐ‬ ‫ݒ‬௧ ൌ lim ‫ݒ‬௧ ൌ െ ሿ 1 ݀ሾ‫ܣ‬ሿ 1 ݀ሾ‫ܤ‬ሿ 1 ݀ሾ‫ܥ‬ሿ 1 ݀ሾ‫ܦ‬ሿ ൌെ ൌ ൌ ܽ ݀‫ݐ‬ ܾ ݀‫ݐ‬ ܿ ݀‫ݐ‬ ݀ ݀‫ݐ‬ En el caso de que los productos son gases: aA +bB → cC +dD(↑) ‫ݒ‬ൌ ݀ܲ஽ 1 ൈ ݀‫ݐ‬ ܴܶ Ejemplo: ା ି ‫ݎܤ‬ଶ ሺ௔௖ሻ ൅ ‫ܪܱܱܥܪ‬ሺ௔௤ሻ → 2‫ݎܤ‬ሺ௔௖ሻ ൅ 2‫ܪ‬ሺ௔௖ሻ ൅ ‫ܱܥ‬ଶ ሺ௚ሻ QUIMICA EXPERIMENTAL Página 4
  • UNIVERSIDAD NACIONAL FEDERICO VILLARREAL c) Constante de Velocidad Específica (k) Se define como la relación entre la velocidad de la reacción y la concentración del reactante en un determinado instante. ݇ ൌ ‫ݒ‬௜ ⟹ ‫ݒ‬௜ ൌ ݇ሾ‫ܣ‬ሿ ሾ‫ܣ‬ሿ Algunas características de la constante de velocidad específica son: Su valor es para una reacción específica, representada por una ecuación ajustada. Sus unidades dependen del orden global de la reacción. Su valor no cambia con las concentraciones tanto de reactivos como de productos. Su valor no cambia con el tiempo. Su valor se refiere a la reacción a una temperatura determinada y cambia si cambiamos la temperatura. Su valor se debe determinar experimentalmente. 3. TEORÍAS SOBRE LAS REACCIONES QUÍMICAS a) Teoría de Colisiones La teoría de colisiones plantea principalmente lo siguiente: Para que una reacción pueda producirse entre átomos, iones o moléculas es necesario que estos experimenten primero colisiones. A mayor concentración de especies se producen mayor número de colisiones por unidad de tiempo. QUIMICA EXPERIMENTAL Página 5
  • UNIVERSIDAD NACIONAL FEDERICO VILLARREAL No todas las colisiones son efectivas (no todas dan como resultado una reacción). Una colisión eficaz es aquella en el que las especies tienen orientaciones adecuadas entre sí, cuando se efectúa una colisión. COLISION EFICAZ COLISION INEFICAZ b) Teoría del Complejo Activado o Estado de Transición Plantea principalmente lo siguiente: En las reacciones químicas se rompen y se forman enlaces químicos a causa de una energía asociada de tipo Potencial. Según la teoría, los reactivos atraviesan un estado intermedio de alta energía y de corta duración llamado "estado de transición" antes de formar los productos. La energía de activa activación (Ea) se define como la energía adicional que los reactivos deben absorber para poder alcanzar el estado de transición o complejo activado. A + B2 → AB + B A + B-B → ABB → AB + B QUIMICA EXPERIMENTAL Página 6
  • UNIVERSIDAD NACIONAL FEDERICO VILLARREAL 4. FACTORES QUE INFLUYEN EN LA VELOCIDAD DE LA REACCIÓN A) Naturaleza de los reactantes Esta teoría principalmente plantea: La velocidad de una reacción depende de las propiedades específicas o inherentes de los reactivos, a mayor reactividad química, mayor será la velocidad de la reacción. Las especies iónicas en estado de disolución reaccionen más rápido que las especies químicas moleculares: Na + O2 →Na2O Reacción instantánea (explosiva). Pt + O2→ PtO Reacción muy lenta (Pt es inerte a la oxidación). B) Grado de división o superficie de contacto Los líquidos y los sólidos al dividirse aumentan la superficie de contacto con los demás reactivos y reaccionan más rápidamente, es decir, a mayor grado de división o mayor superficie de contacto, es mayor la velocidad de la reacción reacción. QUIMICA EXPERIMENTAL Página 7
  • UNIVERSIDAD NACIONAL FEDERICO VILLARREAL C) Temperatura En muchas reacciones químicas y en cierto intervalo de temperatura, por un incremento de temperatura en 10°C (o 10K), la velocidad de reacción velocidad de reacción se duplica y el tiempo se reduce a la mitad. La información anterior se fundamenta en la siguiente relación empí empírica, deducida por el químico holandés Van't Hoff. ‫ݒ‬ଶ ൌ ‫ݒ‬ଵ ൈ 2ᇞ்⁄ଵ଴ D) Temperatura y colisiones Esta teoría sostiene que las reacciones químicas se producen por las colisiones eficaces entre las moléculas de reactivos. La velocidad de la reacción está relacionada con el número de choques. Así se explica que a mayor temperatura, mayor será la velocidad. QUIMICA EXPERIMENTAL Página 8
  • UNIVERSIDAD NACIONAL FEDERICO VILLARREAL Para que un choque sea eficaz, las especies reactantes han de: Poseer una energía mínima para romper enlaces y formar otros nuevos denom denominada energía de activación. Para poder reaccionar, las moléculas de reactivos deben chocar entre sí, con la energía y la orientación apropiadas. A mayor concentración de reactivos hay mayor número de colisiones y mayor formación de producto: mayor velocid de reacción. velocidad A mayor T, las moléculas se mueven más rápido, hay más colisiones de alta energía y por lo tanto se acelera la reacción. Sabemos que: ݇ൌ QUIMICA EXPERIMENTAL ‫ݒ‬௜ ⟹ ‫ݒ‬௜ ൌ ݇ሾ‫ܣ‬ሿ ሾ‫ܣ‬ሿ Página 9
  • UNIVERSIDAD NACIONAL FEDERICO VILLARREAL En 1889, el químico sueco, Svante Arrhenius, al partir de observaciones experimentales demostró que para la gran mayoría de las reacciones químicas existe una relación de la constante de velocidad (k) con la temperatura absoluta (T) y la energía de activación (Ea). Ecuación de Arrhenius Arrhenius: ݇ ൌ ‫ି ݁ܣ‬ாೌ⁄ோ் Donde: A: Factor de frecuencia; está relacionado con la frecuencia de las colisiones de las moléculas y la probabilidad de que las mismas tengan una orientación favorable para la reacción. R: Constante universal de los gases (8.314 Jxmol-1xK-1). е: Base de los logaritmos n naturales o neperianos. Tomando logaritmo natural a la expresión: ln ݇ ൌ െ ‫ܧ‬௔ ൅ ln ‫ܣ‬ ܴܶ Para temperaturas diferentes T1 y T2, con constantes de velocidad k1 y k2 respectivamente, la expresión anterior se transforma fácilmente para obtener la siguiente relación: QUIMICA EXPERIMENTAL Página 10
  • UNIVERSIDAD NACIONAL FEDERICO VILLARREAL ln ݇ଵ ‫ܧ‬௔ 1 1 ݇ଵ ‫ܧ‬௔ 1 1 ൌ െ ൬ െ ൰ Ó log ൌ ൬ ൅ ൰ ݇ଶ ܴ ܶଶ ܶଵ ݇ଶ 2.30ܴ ܶଶ ܶଵ E) Concentración de los reactantes: Ley de la velocidad Las ecuaciones de velocidad o leyes de velocidad muestran cómo varía la concentración de una especie molecular con respecto al tiempo ( (velocidad) como función matemática de una constante de velocidad o constante cinética cinética, representada por la letra k minúscula, y de las concentraciones de cada especie molecular que interviene en la reacción. Sea la reacción: aA +bB → cC +dD Se define la velocidad como: Donde: Reacción de orden x en A. Reacción de orden y en B. (x +y) es el orden total de la reacción. QUIMICA EXPERIMENTAL Página 11
  • UNIVERSIDAD NACIONAL FEDERICO VILLARREAL v = k [A] Primer orden respecto a A. Orden total 1 v = k [A] [B] Primer orden respecto a A y B. Orden total 2 v = k [A]2 Segundo orden respecto a A. Orden total 2 v = k [A]2 [B] Segundo orden respecto a A y primero respecto a B. Orden total 3 v=k Orden total cero Nota: y, x y k no tienen por qué guardar relación con los coeficientes de la ecuación química ajustada para la reacción global, se determinan experimentalmente. Algunas características de la Ley de la Velocidad son: Las leyes de la velocidad siempre se determinan experimentalmente y a partir de las concentraciones de los reactantes y la velocidad de reacción inicial es posible determinar el orden de la reacción y la constante k. El orden de una reacción se define en función de las concentraciones de los reactivos (no de los reactantes). Se mide los efectos de la concentración en la velocidad al inicio porque luego es muy difícil medir la variación de la concentración porque la reacción puede llegar al equilibrio o invertirse, además las variaciones se hacen cada vez más pequeñas y puede existir error al momento de medirlas. Ejemplo: Determinar el orden de reacción: CH3-Cl (g) + H2O (g) → CH3-OH (g) + HCl (g) usando los datos de la tabla. QUIMICA EXPERIMENTAL Página 12
  • UNIVERSIDAD NACIONAL FEDERICO VILLARREAL v = k · [CH3-Cl ]n · [H2O]m En las experiencias 1 y 2 vemos que no cambia [H2O] luego el cambio de “v” se debe al cambio de [CH3-Cl]. Como al doblar [CH3-Cl] se dobla la velocidad podemos deducir que el orden de reacción respecto del CH3-Cl es “1”. Cl En las experiencias 1 y 3 vemos que no cambia [CH3-Cl] luego el cambio de “v” se debe al cambio de [H2O]. Como al doblar [H2O] se cuadruplica la velocidad podemos deducir que el orden de reacción respecto del H2O es “2”. v = k · [CH3-Cl ] · [H2O]2 Y el orden total de la reacción es “3”. El valor de “k” se calcula a partir de cualquier experiencia y resulta 181’4 mol–2l2s –1. Tiempo de vida media ࢚ቀ૚ቁ : ૛ Es el tiempo que debe transcurrir para que la concentración final sea la mitad de la concentración inicial. F) Reacciones de Orden Cero Sea la reacción elemental: aA → producto Se tiene la ecuación de la velocidad: ‫ ݒ‬ൌ ݇ሾ‫ܣ‬ሿ଴ ൌ ݇ Se deduce que la velocidad no depende de la concentración del reactante. Asimismo se puede obtener una recta a partir de la ecuación anterior: QUIMICA EXPERIMENTAL Página 13
  • UNIVERSIDAD NACIONAL FEDERICO VILLARREAL ሾ஺ሿ ሾ஺ ௧ ݀ሾ‫ܣ‬ሿ ሾ‫ܣ‬ሿ ᇧ ᇧᇤᇧ ൅ ሾ‫ܣ‬ሿ ‫ݒ‬ൌെ ൌ ݇ ⇒ െ න ݀ሾ‫ܣ‬ሿ ൌ න ݇ܽ ݀‫ ⇒ ݐ‬ሾ‫ܣ‬ሿ െ ሾ‫ܣ‬ሿ଴ ൌ ܽ݇‫ ⇒ ݐ‬ሾ‫ ܣ‬ᇧ ᇧ ᇣᇧ ᇣ ൌ െܽ݇‫ݐ‬ᇧ ᇧ ଴ ᇧ ᇧᇥ ܽ ൈ ݀‫ݐ‬ ሾ஺ሿ ሾ஺ బ ଴ ௘௖௨௔௖௜ó௡ ௗ௘ ௟௔ ௥௘௖௧௔ ௘௖௨௔௖௜ ሾ‫ܣ‬ሿ଴ : concentración inicial de reactivo A. [A]: concentración en el tiempo. t: después del comienzo de la reacción. Unidades de k = mol L-1 s-1 Para hallar el tiempo de vida media hacemos: ሾ‫ܣ‬ሿ ൌ ‫ ݐ‬ቀభ ቁ ൌ మ ௖௔௟௢௥ ሾ஺ሿబ ଶ ሾ‫ܣ‬ሿ଴ 2ܽ݇ Ejemplo: ‫ܱܥܽܥ‬ଷሺ௦ሻ ሱۛۛሮ ‫ܱܽܥ‬ሺ௦ሻ ൅ ‫ܱܥ‬ଶሺ௚ሻ ; ‫ ݒ‬ൌ ݇ሾ‫ܱܥܽܥ‬ଷ ሿ଴ ൌ ݇ ሮ G) Reacciones de Primer Orden Sea la reacción elemental: Se tiene la ecuación de la velocidad: aA → producto ‫ ݒ‬ൌ ݇ሾ‫ܣ‬ሿ Se deduce que la velocidad depende de la concentración del reactante en forma lineal. Asimismo se puede obtener una recta a partir de la ecuación anterior: ‫ݒ‬ൌെ ሾ஺ሿ ሾ஺ ௧ ሾ‫ܣ‬ሿ଴ ݀ሾ‫ܣ‬ሿ ݀ሾ‫ܣ‬ሿ ሾ ᇧᇧᇧᇧᇧᇤᇧᇧᇧᇧᇧᇧᇥ ሿ ൌ ݇ሾ‫ܣ‬ሿ ⇒ െ න ൌ න ݇ܽ ݀‫ ⇒ ݐ‬ln ൌ ܽ݇‫ ⇒ ݐ‬ᇣᇧᇧ ൌ െܽ݇‫ ݐ‬൅ lnሾ‫ܣ‬ሿ଴ lnሾ‫ܣ‬ሿ ሾ‫ܣ‬ሿ ܽ ൈ ݀‫ݐ‬ ሾ ሿ ሾ஺ሿబ ሾ‫ܣ‬ሿ ଴ ௘௖௨௔௖௜ó௡ ௗ௘ ௟௔ ௥௘௖௧௔ ௘௖௨௔௖௜ De donde se deduce que las unidades de k = s-1 QUIMICA EXPERIMENTAL Página 14
  • UNIVERSIDAD NACIONAL FEDERICO VILLARREAL Tiempo de vida media media: ‫ ݐ‬ቀభ ቁ ൌ మ Ejemplo: ln 2 0.693 ൌ ܽ݇ ܽ݇ 2ܰଶ ܱହ ହ ሺ௚ሻ → 4ܱܰଶ ൅ ܱଶ ; ‫ ݒ‬ൌ ݇ሾܰଶ ܱହ ሿ H) Reacciones de Segundo Orden Sea la reacción elemental: aA → producto Se tiene la ecuación de la velocidad: ‫ ݒ‬ൌ ݇ሾ‫ܣ‬ሿଶ Se deduce que la velocidad depende de la concentración del reactante en forma lineal. Asimismo se puede obtener una recta a partir de la ecuación anterior: ‫ݒ‬ൌെ ሾ஺ሿ ௧ ݀ሾ‫ܣ‬ሿ ݀ሾ‫ܣ‬ሿ 1 1 ሿ ൌ ݇ሾ‫ܣ‬ሿଶ ⇒ െ න ൌ න ݇ܽ ݀‫ ⇒ ݐ‬െ ൌ ܽ݇‫ݐ‬ ଶ ‫ ܣ‬ሾ‫ܣ‬ሿ଴ ܽ ൈ ݀‫ݐ‬ ሾ஺ሿబ ሾ‫ܣ‬ሿ ଴ ⇒ lnሾ‫ܣ‬ሿ ൌ െܽ݇‫ ݐ‬൅ lnሾ‫ܣ‬ሿ଴ ᇣᇧᇧᇧᇧᇧᇧᇤᇧᇧᇧᇧᇧᇧᇥ ௘௖௨௔௖௜ó௡ ௗ௘ ௟௔ ௥௘௖௧௔ De donde se deduce que las unidades de k = L mol-1 s-1 QUIMICA EXPERIMENTAL Página 15
  • UNIVERSIDAD NACIONAL FEDERICO VILLARREAL Tiempo de vida media: ‫ ݐ‬ቀభ ቁ ൌ మ 1 ܽ݇ሾ‫ܣ‬ሿ଴ NOTA: Las reacciones de tipo aA +bB → cC +dD pertenecen a un análisis más complejo y por eso no se verán en el presente trabajo. 5. MECANISMOS DE REACCIÓ REACCIÓN La mayoría de las reacciones que se observan en la vida cotidiana no se dan en un solo paso; es por eso que los químicos intentan describir las reacciones en varios pasos, creándose así los mecanismos de una reacción. Un mecanismo de reacción es una descripción de un camino o secuencia de etapas elementales por las que transcurre la reacción a nivel molecular. La expresión de la velocidad y, por tanto, el orden de la reacción depende del tanto, mecanismo por el que tiene lugar la reacción. El mecanismo de reacción debe ser consistente con la estequiometria total de la reacción y con la ley de velocidad determinada experimentalmente. QUIMICA EXPERIMENTAL Página 16
  • UNIVERSIDAD NACIONAL FEDERICO VILLARREAL Un proceso elemental es una transformación molecular que modifica de forma importante la energía o geometría de una molécula o produce una o más nuevas moléculas. 2NO(g) + O2 (g) → 2NO2(g) Se ha detectado la presencia de N2O2 durante la reacción: Reacción elemental 1: NO + NO → N2O2 Reacción elemental 2: N2O2 + O2 → 2NO2 Reacción global: 2NO + O2 → 2NO2 En función del número de moléculas que reaccionan en una reacción elemental, tenemos procesos: Unimoleculares: A →Productos Bimoleculares: A + B →Productos v= k[A][B] 2 A → Productos Trimoleculares: v= k[A] v= k[A]2 A + B + C → Productos v= k[A][B][C] A + 2B → Productos v= k[A][B]2 Los procesos elementales tienen una serie de características: En general podemos decir que la velocidad de una etapa elemental es igual a la constante de velocidad, k, multiplicada por la concentración de cada molécula de reactivo. El orden de reacción de la ley de velocidad y los coeficientes estequiométricas para una reacción elemental coinciden. Los procesos elementales son reversibles. Las especies que aparecen en un proceso elemental y se consumen en otro se conocen como intermedios de reacción. No aparecen en la reacción global. QUIMICA EXPERIMENTAL Página 17
  • UNIVERSIDAD NACIONAL FEDERICO VILLARREAL El proceso elemental que transcurre más lentamente controla la velocidad de la reacción global y recibe el nombre de etapa determinante de la velocidad. La ley de velocidad global queda determinada por la ley de velocidad correspondiente al paso más lento. Ejemplo: La reacción NO2 (g) + CO (g) → NO (g) + CO2 (g) sucede en dos etapas: 1ª etapa (lenta): 2NO2 → NO + NO3 2ª etapa (rápida): NO3 + CO → NO2 + CO2 La reacción global es la suma de las dos. Además el NO3 es un intermedio de reacción y en la etapa lenta intervienen dos moléculas de NO2. Luego v = k · [NO2]2 6. CATALIZADORES La catálisis es el proceso por el cual se aumenta o disminuye la velocidad de una reacción química, debido a la participación de una sustancia llamada catalizador. Las sustancias que reducen la velocidad de la reacción son denominados «catalizadores negativos» o «inhibidores». A su vez, las sustancias que aumentan la actividad de los catalizadores son denominados «catalizadores positivos» o «promotores», y las que desactivan la catálisis son denominados «venenos catalíticos». La elaboración de los productos químicos industriales más importantes implica a la catálisis. Por ejemplo, en la reducción del etino a eteno, el catalizador paladio (Pd) es "envenenado" parcialmente con acetato de plomo (II), Pb(CH3COO)2. Sin la QUIMICA EXPERIMENTAL Página 18
  • UNIVERSIDAD NACIONAL FEDERICO VILLARREAL desactivación del catalizador, el eteno producido se reduciría posteriormente a etano. CARACTERÍSTICAS La característica general de la catálisis es que la reacción catalítica tiene un menor cambio de energía libre de la etapa limitante hasta el estado que la reacción no catalizada correspondiente, resultando en una mayor velocidad de reacción a la misma temperatura. Sin embargo, el origen mecánico de la catálisis es complejo. Los catalizadores pueden afectar favorablemente al entorno de reacción, por ejemplo, los catalizadores ácidos para las reacciones de los compuestos carbonílicos forman compuestos intermedios específicos que no se producen naturalmente, tales como los ésteres de Osmio en la dihidroxilación de alquenos catalizadas por el tetróxido de osmio, o hacer la ruptura de los reactivos a formas reactivas, como el hidrógeno en la hidrogenación catalítica. PRINCIPIOS GENERALES DE LA CATÁLISIS 1. Mecanismo típico Los catalizadores generalmente reaccionan con uno o más de los reactivos para formar productos intermedios que, posteriormente, conducen al producto final QUIMICA EXPERIMENTAL Página 19
  • UNIVERSIDAD NACIONAL FEDERICO VILLARREAL de reacción. En el proceso se regenera el catalizador. El siguiente esquema es típico de una reacción catalítica, donde C representa el catalizador, X e Y son reactivos, y Z es el producto de la reacción de X e Y. 2. Catálisis y energética de la reacción Diagrama genérico de energía potencial mostrando el efecto de un catalizador en una hipotética reacción química exotérmica X + Y para producir Z. La presencia del catalizador abre un camino de reacción diferente (mostrado en rojo) con una energía de activación menor. El resultado final y la termodinámica global son la misma. TIPOS DE CATÁLISIS Los catalizadores pueden ser homogéneos o heterogéneos, dependiendo de si existe un catalizador en la misma fase que el sustrato. Los biocatalizadores son vistos a menudo como un grupo separado. Catalizadores heterogéneos: Los catalizadores heterogéneos son aquellos que actúan en una fase diferente que los reactivos. La mayoría de los catalizadores heterogéneos son sólidos que actúan sobre sustratos en una mezcla de reacción líquida o gaseosa. Se conocen diversos mecanismos para las reacciones en superficies, dependiendo de cómo se lleva a cabo la adsorción. Por ejemplo, en el proceso de Haber, el hierro finamente dividido sirve como un catalizador para la síntesis de amoníaco a partir de nitrógeno e hidrógeno. Los gases reactantes se adsorben en los "sitios activos" de las partículas de hierro. Una vez adsorbidos, los enlaces dentro de las moléculas reaccionantes se resienten, y se forman nuevos enlaces entre los fragmentos generados, en parte debido a su proximidad. QUIMICA EXPERIMENTAL Página 20
  • UNIVERSIDAD NACIONAL FEDERICO VILLARREAL Catalizadores homogéneos: Normalmente los catalizadores homogéneos están disueltos en un disolvente con los sustratos. Un ejemplo de catálisis homogénea implica la influencia de H+ en la esterificación de los ésteres, por ejemplo, acetato de metilo a partir del ácido acético y el metanol.9 Para los químicos inorgánicos, la catálisis homogénea es a menudo sinónimo de catalizadores organometálicos. Electrocatalizadores: En el contexto de la electroquímica, específicamente en la ingeniería de las pilas de combustible, que contienen varios metales los catalizadores se utilizan para mejorar las velocidades de las semirreacciones que conforman la pila de combustible. Un tipo común de electrocatalizador de pila de combustible se basa en nanopartículas de platino que están soportadas en partículas un poco mayores de carbón. Cuando este electrocatalizador de platino está en contacto con uno de los electrodos en una pila de combustible, aumenta la velocidad de reducción del oxígeno a agua (o hidróxido o peróxido de hidrógeno). Organocatálisis: Mientras que los metales de transición a veces atraen más la atención en el estudio de la catálisis, las moléculas orgánicas que no contengan metales también pueden poseer propiedades catalíticas. Normalmente, los catalizadores orgánicos requieren una mayor carga (o cantidad de catalizador por unidad de cantidad de reactivo) IMPORTANCIA DE LA CATÁLISIS Se estima que el 90% de todos los productos químicos producidos comercialmente involucran catalizadores en alguna etapa del proceso de su fabricación.11 En 2005, los procesos catalíticos generaron cerca de 900.000 millones de dólares en productos de todo el mundo. La catálisis es tan penetrante que las subáreas no son QUIMICA EXPERIMENTAL Página 21
  • UNIVERSIDAD NACIONAL FEDERICO VILLARREAL fácilmente clasificables. Algunas áreas de particular concentración se estudian más adelante 1. En el medio ambiente: La catálisis tiene un impacto en el medio ambiente mediante el aumento de la eficiencia de los procesos industriales, pero la catálisis también juega un papel directo en el medio ambiente. Un ejemplo notable es el papel catalítico de los radicales libres del en la destrucción del ozono. Estos radicales se forman por la acción de la radiación ultravioleta sobre los clorofluorocarburos (CFCs) Cl- + O3 → ClO- + O2 ClO- + O- → Cl- + O2 QUIMICA EXPERIMENTAL Página 22
  • UNIVERSIDAD NACIONAL FEDERICO VILLARREAL LA CINÉTICA QUÍMICA EN RELACIÓN CON EL MEDIO AMBIENTE 1. Una de las tantas aplicaciones se encuentra en medio ambiente, el modo en que las aguas naturales adquieren su composición está controlado por principios termodinámicos del equilibrio químico y de la cinética. Al cabo del tiempo, en su trayectoria subterránea, el control lo ejerce en la cinética química. En muchos trabajos relacionados con la calidad de las aguas naturales, no se considera el papel que juega el factor tiempo en el proceso de disolución de los minerales, limitándose solo a estudiar dicha calidad en condiciones de equilibrio. Sin embargo, el tiempo de reacción junto a la temperatura y el contenido de CO2, son los tres principales elementos que determinan el proceso de adquisición de la composición química a través de las distintas fases presentes: gas, líquido y sólido. En las condiciones naturales, en un momento dado, el contenido de ‫ܱܥ‬ଶ libre y de ‫ܱܥ‬ଶ combinado es el resultado de la acción del tiempo. 2. La temperatura de los insectos sigue las oscilaciones del ambiente. Por ello, la actividad de una abeja es inferior en invierno, porque las reacciones bioquímicas de su organismo son más lentas. 3. El carbón y la gasolina no arden a temperatura ambiente, pero cuando se calienta se produce una rápida combustión. 4. Al encender el carbón para la parrilla, si se aplica aire (oxigeno) con un cartón estamos aumentando la concentración de oxigeno, entonces más rápidamente se encenderá el carbón, por el contrario, si dejamos que el carbón encienda solo, se demorará más tiempo en estar listo para comenzar a cocinar el asado. QUIMICA EXPERIMENTAL Página 23
  • UNIVERSIDAD NACIONAL FEDERICO VILLARREAL Haciendo uso del carbón para cocinar los alimentos QUIMICA EXPERIMENTAL Página 24
  • UNIVERSIDAD NACIONAL FEDERICO VILLARREAL LA CINÉTICA QUÍMICA EN RELACIÓN CON EL HOMBRE 1. Los procesos utilizados en la industrias de alimentos constituyen el factor de mayor importancia en las condiciones de vida y en la búsqueda de soluciones que permitan preservar las características de los alimentos por largos períodos, utilizando procedimientos adecuados en la aplicación de sustancias químicas en los alimentos tales como el enfriamiento, congelación, pasteurización, secado, ahumado, conservación por productos químicos y otros de carácter similares que se les puede aplicar estas sustancias para su conservación y al beneficio humano. 2. La aplicación de la información de la cinética química en la creación de modelos de sistemas de combustión y procesos industriales para traer mejoras en la eficiencia y minimizar las emisiones toxicas. 3. La velocidad de reacción también tiene gran importancia en la industria de síntesis industrial de sustancias, pues son muy importantes las velocidades de reacción y los mecanismos, económicamente hablando pues de esta manera se logra obtener productos de mayor calidad y de forma efectiva. 4. Las cremas anti arrugas las cuales retrasan la reacción de envejecimiento de las células, los distintos tratamientos que existen contra el HIV (sida) que lo que hacen es hacer más lenta la reacción del virus en la sangre, las mismas verduras o frutas que aceleran nuestro proceso de digestión, los antióxidos para los metales que retrasan la reacción de corrosión de los mismos, los distintos aditivos que se agregan a los alimentos que se envasan para retrasar su estado de putrefacción, volviendo al caso de las cremas para la piel, todas ellas son reactivos que retrasan o aceleran las reacciones que se producen en las células de nuestra piel, los desodorantes, los cuales actúan retrasando las reacciones que se producen en las glándulas sudoríparas para liberar el sudor, cuando QUIMICA EXPERIMENTAL Página 25
  • UNIVERSIDAD NACIONAL FEDERICO VILLARREAL tienes por ejemplo jugo en polvo y agua, al juntarlos los agitas para acelerar su reacción entre sí. Utilizando cremas anti arrugas QUIMICA EXPERIMENTAL Página 26