La cinética química es la parte de la química que se encarga del estudio de la rapidez con la que tienen lugar las reacciones. El conocimiento de las velocidades de reacción es importante no sólo por sí mismo, sino también para la industria química, para comprender procesos bioquímicos importantes para la vida y en otros campos de aplicación. Por lo tanto, es importante definir qué es la rapidez con que transcurre una reacción y como medirla. La cinética química estudia como la velocidad de las reacciones químicas es afectada por diversos factores como temperatura, concentración, la naturaleza de las especies y la presencia de catalizadores. ¿Cómo se define la velocidad de reacción? Si tenemos una concentración de reactivo [R] 1 en un tiempo t 1 y después un lapso determinado de tiempo, tenemos una concentración de reactivo [R] 2 en el tiempo t 2, y si [R] 2 > [R]1 podemos definir la velocidad como un cociente de diferencias.
Esto se cumple cuando la velocidad es expresada en términos del reactivo, pero si se quiere expresar en términos de los productos, la velocidad de reacción estaría dada por la ecuación:
Donde [P]2 y [P]1 son las concentraciones de productos en un tiempo t y [P]2 > [P]1, por lo que el cociente queda positivo. Aplicando el concepto de velocidad instantánea d onde ∆t se aproxima a cero, podemos expresar los coeficientes como diferenciales. Tomando en cuenta que la velocidad de consumo de R debe ser igual a la velocidad de formación de P, obtenemos:
-1 -1
Las unidades típicas de este término es mol L s
Ahora si la cinética estudia la velocidad de las reacciones, reacciones, ¿Cómo afecta la estequiometria estequiometria a la expresión de velocidad de reacción? Para una reacción de la forma aA + bB cC + dD las expresiones de velocidad se escriben:
Otro término importante en el estudio de la cinética es el orden de la reacción, el cual relaciona la velocidad de reacción con la concentración de las especies. En cinética química, el orden de reacción con respecto a cierto reactivo, es definido como la potencia a la cual su término de concentración concentración en la ecuación de tasa es elevado.
Por ejemplo, dada una reacción química A + B C con una ecuación de tasa x
y
r = k [A] [B]
Donde x + y es el orden de la reacción, es importante saber que el orden de reacción no es necesariamente igual al coeficiente estequeometrico de la reacción, el orden de la reacción puede ser determinado solamente mediante experimentación. Aquí aparece otro concepto importante k, que se define como la constante de velocidad de la reacción, la cual es particular para cada reacción y las condiciones en las que se lleve a cabo. Para calcular esta constante de velocidad se puede utilizar un método gráfico, con ayuda de hojas de cálculo, sin embargo hay que saber que graficar, por lo general el objetivo es resolver las ecuaciones de velocidad, para llevarlas a una forma lineal y poder graficar. Para las reacciones de orden cero, de primer orden y segundo orden, el método es básicamente igual, con la diferencia en la manera de solucionar la ecuación diferencial. Las ecuaciones diferenciales de velocidad, se resuelven mediante la separación de variables, e integrando ambos lados de la ecuación. Las reacciones de orden cero son muy poco comunes, pero es necesario su estudio. 0
Para una reacción de orden cero, donde [A] = 1
Separando variables
Integrando la expresión anterior con los límites de [A] o a [A] para el lado izquierdo y de 0 a t para el lado derecho se obtiene:
∫ ∫ Acomodando la ecuación anterior a una forma lineal y = mx + b
Ahora podemos graficar nuestros datos donde Y = [A], m = -k 1, b = [A]0 y t = x Donde m es la pendiente de la recta a graficar.
Para una reacción de primer orden, el método es muy similar.
Separando variables e integrando
Integrando la ecuación anterior de [A] o a [A] para el lado izquierdo y de 0 a t para el lado derecho se obtiene:
∫ ∫
Reacomodando a la forma lineal tenemos:
En una gráfica ln [A] vs t y = ln [A], m= -k 1, x= t b= ln [A]0
También es importante mencionar que para las ecuaciones de primer orden la Presión del reactivo A es proporcional a su concentración, por lo que podría usarse P en lugar de [A].