Cinética Química ………………………………………………………….pág. ………………………………………………………….pág. 2-7 Reacciones y Ecuaciones Tiempo de Vida Media Cinética Química …………………………………………………………pág. 8 i!e"encias ent"e #"den de Reacci$n y Mo%ecu%a"idad Cinética Química………………………………………………………… Química……………………………………………………………pág. …pág. &-'2 (unciones de% Cata%i)ado" y Cá%cu%os de %a Ea *cidos y +ases ……………………………………………………………pág. ……………………………………………………………pág. ', C%asi!icaci$n Est"uctu"a% *cidos y +ases …………………………………………………………….. …………………………………………………………….. pág. ',-' i!e"encias y eme/an)as ent"e 0as Teo"ías *cidos y +ases …………………………………………………………….. …………………………………………………………….. pág. ' E1p"esiones de Eui%i3"io *cidos y +ases …………………………………………………………….. …………………………………………………………….. pág. '4 Cá%cu%o de% p5 y p#5 +i3%iog"a!ía…………………………………………………………… +i3%iog"a!ía…………………………………………………………………. ……. pág. '7
CINÉTICA QUÍMICA 1
Reacciones y Ecuaciones a) Las Reacciones de Orden Cero
6.
0as "eacciones de o"den ce"o son aue%%as en ue %a e%ocidad no depende de %a concent"aci$n de %os "eactios. o" tanto9 es constante a %o %a"go de% a "eacci$n. a"a una "eacci$n gené"ica: ;
→
+9 %a %ey de e%ocidad se"á:
v = k A " = k Reco"demos ue %a e%ocidad %a podemos e1p"esa"9 tam3ién9 como %a a"iaci$n de %a concent"aci$n en !unci$n de% tiempo9 con signo negatio
. o" tanto:
Esta ecuaci$n9 a=o"a9 %a podemos integ"a":
Cuando se integ"a ent"e %os %ímites
t 1
y
t 2
? y asumiendo ue %a
concent"aci$n de %a sustancia "eaccionante es [ A ] en 0
y pa"a t es [ A ] < ue %a ecuaci$n ueda: 2
t
t 1 t 2
<
t 1
@ A>
@ t> po" %o
e esta !o"ma9 tenemos ya una e1p"esi$n ue nos pe"mite ca%cu%a" %a concent"aci$n de% "eactio ; %uego de un dete"minado tiempo Bt. a"a 2
pode" usa" %a ecuaci$n9 necesi#a$os sa%er &a concen#raci'n inicia& de A( y &a cons#an#e de ve&ocidad <=a%%ada en %a %ey de e%ocidad>. DQué unidades tend"á B k ;na%i)ando %a ecuaci$n: %as concent"aciones siemp"e están dadas en mo%a"idad9 po" tanto9 po" aná%isis dimensiona%: Mo%a"idad @ FconstanteG 1 tiempo po" tanto: cons#an#e! = M#* 0as unidades de %a constante de e%ocidad de una "eacci$n de o"den ce"o:
M#*.
;na%i)ando nueamente %a ecuaci$n:
Esta ecuaci$n se aseme/a a %a de una "ecta: si conside"amos ue %a concent"aci$n de ; está a"iando en e% tiempo < e/e B1C >9 %a pendiente de ta% "ecta se"á %a constante de e%ocidad. Ta% pendiente9 de3ido a% signo9 se"á negatia. H e% punto de co"te de %a "ecta con e% e/e By coincidi"á con e% a%o" de %a concent"aci$n de ; inicia%. En !o"ma g"á!ica:
O%servaci'n Recue"da ue de3emos e1p"esa" %a concent"aci$n mo%a" pa"a pode" uti%i)a" estas ecuaciones. 0as Inicas especies ue pueden tene" concent"aci$n mo%a" son %as #0JC6#KE y 0# L;E. e %a ecuaci$n de% gas idea% podemos deduci" %o siguiente:
3
o" tanto9 conociendo %a p"esi$n pa"cia% de un gas y %a tempe"atu"a a %a ue se encuent"a9 podemos estima" su mo%a"idad.
%) Las Reacciones de Orden Uno Jna "eacci$n de p"ime" o"den es aué%%a en %a ue %a e%ocidad de "eacci$n depende Inicamente de un "eactio. a"a una "eacci$n gené"ica de p"ime" o"den: ; → +9 %a %ey de e%ocidad se"á: v=
0a e%ocidad %a podemos e1p"esa"9 tam3ién9 como %a a"iaci$n de %a concent"aci$n en !unci$n de% tiempo9 con signo negatio . o" tanto:
Esta ecuaci$n9 a=o"a9 %a podemos integ"a". Cuando se integ"a ent"e %os %ímites t 1
y
[ A ]0
t 2
? y asumiendo ue %a concent"aci$n de %a sustancia "eaccionante es t 1
en
<
t 1
@ A> y pa"a
t 2
es [ A ] < t
t 2
@ t> po" %o ue %a
ecuaci$n ueda:
EXPONENCIAL
0as unidades de %a constante de e%ocidad9 en e% caso de "eacciones de p"ime" *
o"den9 es: #
. 4
En este caso9 o3tenemos tam3ién una "ecta a% "e%aciona" %as concent"aciones y e% tiempo. E% Inico cuidado es ue de%e$os +ra,icar e& &o+ari#$o na#ura& de &a concen#raci'n vs e& #ie$-o. ;sí:
c) Las Reacciones de Orden Dos Es una "eacci$n cuya e%ocidad depende de %a concent"aci$n de uno de %os "eactios e%eada a %a segunda potencia. a"a una "eacci$n gené"ica de segundo o"den: ; → +9 %a %ey de e%ocidad se"á:
= 0a e%ocidad %a podemos e1p"esa"9 tam3ién9 como %a a"iaci$n de %a concent"aci$n en !unci$n de% tiempo9 con signo negatio . o" tanto:
5
[ A ] t
∫ [ ] A
0
t = t
1
[ A]
2
[ ] = − k ∫ d t
d A
t =0
;
1
[ A]
2
[ ] = − k dt ;
d A
Esta ecuaci$n9 a=o"a9 %a podemos
integ"a" po" %o ue %a ecuaci$n ueda: −
−
[ ]
d A d t
1
[ A]
+ t
2
= k [ A ] ;
1
[ A] 0
= − k ( t − 0 ) ;
0as unidades de &a cons#an#e de ve&ocidad9 en de "eacciones de segundo o"den9 es: M*#*
e%
caso
i g"a!icamos %a ine"sa de %a concent"aci$n s. e% tiempo9 o3tenemos una "ecta9 pe"o en esta ocasi$n con -endien#e -osi#iva:
#3se"a ue &a -endien#e es -osi#iva: estamos g"a!icando %a inversa de &a concen#raci'n. o" tanto9 con!o"me aan)a %a "eacci$n 9 %a ine"sa de %a concent"aci$n aumenta.
II.
Tie$-o de /ida Media 6
e denomina tiempo de ida media a% tiempo ue t"anscu""e pa"a ue %a concent"aci$n de un "eactio disminuya a %a mitad . e denota po" t'2. Eso uie"e deci" ue es e% tiempo ue t"anscu""e pa"a ue F;G @ F;G A2. 0a e1p"esi$n pa"a %a ida media depende de% o"den de %a "eacci$n9 segIn %a siguiente ta3%a:
7
IM0ORTANTE Ko de3e entende"se como ue en dos tiempos de ida media se te"mina %a "eacci$n: más 3ien9 en un se+undo #ie$-o de vida $edia <2t'2> %a concen#raci'n dis$inuye a &a $i#ad con res-ec#o [ A] a& -er1odo an#erior. Es deci"9 %a concent"aci$n [ A] 0 de% "eactio después de dos tiempos de ida media9 se"á de F;GAN.
t
8
CUADRO RE2UMEN DE REACCIONE2 QUÍMICA2
II. II. II. II. II. II. II. II. II. Di,erencias en#re Orden de Reacci'n y Mo&ecu&aridad E% o"den de una "eacci$n son %os e1ponentes a %os ue apa"ecen e%eadas %as concent"aciones de %os "eactios en %a ecuaci$n de e%ocidad9 mient"as ue mo%ecu%a"idad de una "eacci$n es e% nIme"o de mo%écu%as ue de3en c=oca" pa"a ue %a "eacci$n se %%ee a ca3o. 0a mo%ecu%a"idad de una "eacci$n e%ementa% es e% nIme"o de mo%écu%as ue inte"ienen en %a "eacci$n9 y se =a encont"ado ue puede a%e" uno9 dos y9 en ocasiones9 #3sé"ese ue %a mo%ecu%a"idad se "e!ie"e so%amente a una "eacci$n e%ementa%. ("ecuentemente encont"amos ue %a e%ocidad con ue t"anscu""e una "eacci$n en %a ue inte"ienen %as sustancias ;9 +9…9 puede da"se ap"o1imadamente po" una e1p"esi$n de% tipo siguiente:
9
donde a9 39…9 d no =an de esta" necesa"iamente "e%acionados con %os coe!icientes esteuiomét"icos.
E% o"den de "eacci$n es e% e1ponente a ue están e%eadas %as concent"aciones. ;sí9 %a "eacci$n es de: #"den a con "especto a ; #"den 3 con "especto a + #"den g%o3a% n Como e% o"den se "e!ie"e a e1p"esiones cinéticas dete"minadas e1pe"imenta%mente9 no tiene po" ué se" un nIme"o ente"o9 mient"as ue %a mo%ecu%a"idad de una "eacci$n =a de e1p"esa"se po" un nIme"o ente"o9 ya ue se "e!ie"e a% mecanismo de "eacci$n y puede ap%ica"se so%amente a una "eacci$n e%ementa%. #t"a di!e"encia ent"e mo%ecu%a"idad y o"den es ue %a mo%ecu%a"idad so%amente puede toma" a%o"es ente"os como A9'929 mient"as ue e% o"den se dete"mina e1pe"imenta%mente y puede no toma" a%o"es ente"os9 negatios9 !"acciona"ios9 positios9 etc.
III.
3unciones de& Ca#a&i4ador y C5&cu&os de &a Ea
Los ca#a&i4adores •
•
6nte"iene en e% mecanismo de %a "eacci$n9 pe"o no se consume. Esto uie"e deci" ue e% cata%i)ado" pa"ticipa en a%guna etapa de %a "eacci$n9 pe"o %uego se "egene"a. o" tanto9 si en un "eacci$n dete"minada co%ocamos ' g" de cata%i)ado"9 a% !ina% de %a "eacci$n "ecupe"a"emos ' g" de %a sustancia intacta? no !ue consumido. Jn cata%i)ado" no a%te"a e% "endimiento de %a "eacci$n. i un "eacci$n sin cata%i)ado" tiene un "endimiento de% 7AO9 a% usa" un cata%i)ado" e% 10
•
"endimiento se mantiene <7AO>. 0o Inico ue consigue es ue %a "eacci$n sea más "ápida. E% cata%i)ado" aumenta %a e%ocidad de %a "eacci$n a% disminui" %a ene"gía de actiaci$n de %a "eacci$n. o" e/emp%o pa"a %a "eacci$n e1oté"mica ; +9 %os pe"!i%es de ene"gía de %a "eacci$n no cata%i)ada y cata%i)ada se"ián:
El valor de ΔE depende únicamente del estado de reactivos y
ueden se": a> 0osi#ivos6 =acen ue B7 aumente9 pues consiguen ue E ; disminuya. 3> Ne+a#ivos6 =acen ue B7 disminuya9 pues consiguen ue E ; aumente. E1isten t"es tipos de catá%isis: •
7o$o+8nea: e% cata%i)ado" está p"esente en %a misma !ase ue %as especies ue "eaccionan: todos gases9 todos en so%uci$n acuosa9 etc. E/emp%o: escomposici$n de%
Paso 1, lento: Paso 2, rápido:
H 2 O2
cata%i)ada con
−¿ ¿
I
H 2O2
+ I → OI + H 2O v = k [ H
H 2 O2
+ OI → H
−
−
1
−
2
O + O2
1
+ I
−
2
O2
] I Paso −
determinante 11
Al ser el PE2 más rápido, en cuanto desaparece I en el PE1, aparece inmediatamente − 2 H 2O2 → 2 H 2O + O2 k1 I = k
v = v1
= k [ H 2O2 ]
En este caso9 %a "eacci$n cata%i)ada con 6 - es de p"ime" o"den9 como %a no cata%i)ada9 pe"o %a constante de e%ocidad es muc=o mayo". ;demás9 %a de %a cata%i)ada aumenta con %a concent"aci$n de cata%i)ado"9 en este caso. •
7e#ero+8nea: e% cata%i)ado" y %os "eactios están en !ase distinta: po" e/emp%o9 e% cata%i)ado" está en !ase s$%ida mient"as ue %os "eactios son gases. E/emp%o: o1idaci$n de C# a C# 2 y "educci$n de K# a K2 so3"e R=
2CO + 2 NO→
Rh
2+ CO2
N2
12
•
En4i$5#ica6 ocu""e s$%o en se"es ios9 y en estos casos %os cata%i)ado"es se %%aman en)imas: mac"omo%écu%as !o"madas de aminoácidos.
S→
enzima
P
[ ] [ S ] v= K + [ S ] k E
Exp.:
v
Orden cero
0
v
M
≈
0
[ ] [ S ]
k E v≈
[ ] [ S ] [ S ]
k E
0
K M
Primer orden
[ S ]
13
=
[ ]
k E
0
9CIDO2 : ;A2E2 I. C&asi,icaci'n Es#ruc#ura& 0a c%asi!icaci$n de %os ácidos está en !unci$n de% nIme"o de átomos de =id"$geno ue contienen en su mo%écu%a. 0os ácidos ue contienen so%o un átomo de =id"$geno se %%aman monop"$tidos? %os ue contienen dos átomos de =id"$geno9 dip"$tidos? %os ue contienen t"es o más9 po%ip"$tidos. e modo seme/ante a %os ácidos9 %as 3ases se denominan mono=id"o1i%as9 di=id"o1i%as y po%i=id"o1i%as9 si contienen uno9 dos o t"es g"upos !unciona%es #5? "espectiamente. FUE!A" #E LO" $CI#O" % LA" &A"E"
9cido d8%i&6 una sustancia no se ioni)a con !aci%idad9 =a3iendo 3a/a concent"aci$n de iones =id"onio9 su p5 se"á de 9 "e%atiamente a%to. e/emp%o: 9 ácido acético. 9cido ,uer#e6 una sustancia a% diso%e"se se ioni)a con !aci%idad9 =a3iendo un aumento en %a concent"aci$n de iones =id"onio y su p5 es 3a/a . ;ase d8%i&6 una sustancia9 a% diso%e"se9 no se ioni)a con !aci%idad9 =a3iendo una 3a/a concent"aci$n de iones o1=id"i%o9 su p5 <7.' a ''>9 "e%atiamente a%to. e/emp%o: K5N#5. ;ase ,uer#e6 una sustancia9 a% diso%e"se9 se ioni)a !áci% aumentando %a concent"aci$n de iones o1=id"i%o . e/emp%o: P#59 K;#5. u p5 es de ent"e '2 a 'N. Di,erencias y 2e$e
•
•
II.
Arrhenius
Brönsted - Lowry
Lewis
Teora protónica
Teora electrónica
Definición de ácido
Teora de la disociación o ioni!ación en a"ua #ar iones $% en a"ua
#ador de protones
Definición de base Reacción ácido base
#ar iones O$- en a"ua &ormación de a"ua
Aceptador de protones Trans'erencia protónica
Ecuación Liitaciones
$% % O$- $2O Aplica*le +nicamente a disoluciones acuosas. os
A$ % ) A- % )$% Aplica*le +nicamente a reacciones de
Aceptador par de electrones #ador par de electrones &ormación de un enlace co(alente coordinado A % :) A:) Teora "eneral
Teoría
→
→
→
14
ácidos de*en tener $ las *ases O$
trans'erencia de protones. os ácidos de*en tener $
Co$-araci'n de #eor1as Teor1a de Arrenius de 5cidos y %ases. '. egIn ;""=enius se denominan ácidos a aue%%os e%ect"o%itos ue disue%tos en agua p"oducen iones 5 . o" tanto9 dic=as sustancias9 ácidos9 disue%tos en agua da"ían un ani$n y e% cati$n 5. 5a3itua%mente e% ani$n es un no meta% o un g"upo !o"mado po" no meta% y o1ígeno . E/emp%os de aniones p"ocedentes de %os ácidos en diso%uci$n acuosa:
e %os =id"ácidos: (-9 C%-9 +"-9 6-9 2-9... e %os o1ácidos: #N2-9 K#,-9 #N,-9 i#N2-9 C#,2-9...
E/emp%os de ácidos en diso%uci$n: •
5C%
•
52#N
•
5K#,
C%- 5
→
→
→
#N2- 2 5 K#,- 5
2. egIn ;""=enius se denominan 3ases a aue%%os e%ect"o%itos ue disue%tos en agua p"oducen iones #5 . o" tanto9 dic=as sustancias9 3ases9 disue%tos en agua da"ían un ani$n <#5-> y un cati$n . E/emp%os de 3ases en diso%uci$n: •
Ka#5
•
;%<#5>,
→
Ka #5-
→
;%, , #5-
Teor1a 5cido > %ase de Le?is
*cido: es toda sustancia ue puede acepta" un pa" de e%ect"ones9 pa"a !o"ma" un en%ace coa%ente. +ase es toda sustancia ue puede apo"ta" un pa" de e%ect"ones9 pa"a %a !o"maci$n de un en%ace coa%ente. 15
:K5, +(, → K5,→+(, 3uer4a de 5cidos y %ases o" !ue")a de ácido y 3ase entendemos %a mayo" o meno" !aci%idad de %a sustancia pa"a p"opo"ciona" 5 u #5-. 9cidos y %ases ,uer#es: se"án aue%%as sustancias ue p"esentan una a%ta ioni)aci$n.
9cidos y %ases d8%i&es : son aue%%as sustancias ue p"esentan una 3a/a ioni)aci$n. a) 7idr5cidos o 5cidos %inario: so%amente son !ue"tes: 5C%9 5+"9 56. %) O@5cidos o 5cidos #ernarios: de acue"do a su !$"mu%a gene"a% 5m#n9 donde m @ nIme"o de átomos de =id"$geno y n @ nIme"o de átomos de o1ígeno. i. #1ácido !ue"te: es aue%9 donde %a di!e"encia ent"e e% nIme"o de átomos de o1ígeno e =id"$geno es igua% o supe"io" a 29 S 2. ii. #1ácido dé3i%: es aue%9 donde %a di!e"encia ent"e e% nIme"o de átomos de o1ígeno e =id"$geno es igua% o meno" ue '9 '. c) ;ases o idr'@idos6 son !ue"tes: Ka#59 P#59 0i#59 Cs#5. III.
E@-resiones de Eui&i%rio
Eui%i3"io uímico es e% estado a% ue se %%ega a% !ina% de cua%uie" sistema uímico. 0a e1p"esi$n matemática ue "ep"esenta a% Eui%i3"io Químico9 se conoce como 0ey de ;cci$n de Masas y se enuncia como: 0a "e%aci$n de p"oducto de %as actiidades e%eadas %os coe!icientes esteuiomét"icos en %a "eacci$n de p"oductos y "eactios pe"manece constante a% eui%i3"io. a"a cua%uie" "eacci$n:
c
d
[ C ] [ D ] K = a b [ A ] [ B ]
P@ cte. de cada "eacci$n en e% eui%i3"io
16
c
d
[ C ] [ D ] Q= a b [ A ] [ B ]
Q@ a%o" ue disminuye du"ante %a "eacci$n =asta ue pe"manece constante a% eui%i3"io9 "e%aci$n antes de% eui%i3"io.
CA2O26 i. ii. iii.
i P UUU '9 entonces %a "eacci$n es muy "ee"si3%e y se dice ue se encuent"a desp%a)ada a %a i)uie"da. i P @ '9 es una "eacci$n en %a ue se o3tiene AO de "eactios y AO de p"oductos. i P '9 %a "eacci$n tiene un "endimiento a%to y se dice ue esta desp%a)ada a %a de"ec=a.
i se uti%i)a Q se sa3e ue: i. ii. iii.
i Q U P: %a "eacci$n se %%ea a ca3o =acia %os p"oductos 9 y Q a a aumenta" =asta %%ega" a P9 donde se ue%e constante. i Q P: %a "e%aci$n ent"e p"oductos y "eactios es muy g"ande9 entonces %os p"oductos se conie"ten en "eactios y %a "eacci$n se %%ea a ca3o en sentido cont"a"io . i Q @ P: e% sistema se encuent"a en eui%i3"io.
E% eui%i3"io uímico se "ige po" e% p"incipio de 0e C=ate%ie":
0rinci-io de Le Ca#e&ier6 Jn sistema9 sometido a un cam3io9 se a/usta e% sistema de ta% mane"a ue se cance%a pa"cia%mente e% cam3io. I/.
C5&cu&os de -7 y -O7
a"a esta3%ece" cuantitatiamente %a acide) o 3asicidad de una diso%uci$n9 en %uga" de usa" %as concent"aciones de #5 - o 5,# "esu%ta más c$modo usa" su %oga"itmo cam3iado de signo9 %%amado p#5 y p5 "espectiamente.
17
E% cam3io de signo se =ace con e% !in de ue e% p5 sea un nIme"o positio .
I$-or#an#e La su$a de& -7 y e& -O7 es *B . e deduce tomando %oga"itmos y cam3iando de signo en %a e1p"esi$n de% p"oducto i$nico 'A -'N @ F5,#G F#5-G.
-7 = &+ 7HOP!
-O7 = &+ O7!
;I;LIORA3ÍA ##-6???.,a.ua$.es&a%ui-resen#acionesTe$aB.-d, ##-6???.ua.esede
#$&inde@.#$& ##-6,resno.-n#ic.$ec.es,+u#ieKui$icaArcivos7TMLTeoFHF-rinc.#$ ##-6???.$ono+ra,ias.co$#ra%a
18
