viernes, 2 de julio de 2010

Cinética Química



Cinética Química
Una reacción química tiene dos características generales de primordial importancia


La posición del equilibrio y la velocidad de reacción o sea la rapidez con que se alcanza el estado de equilibrio
 
Velocidad de reacción
 
Se entiende por velocidad de reacción química la cantidad de materia que se consume o se produce por unidad de tiempo y describe que tan rápido cambian con el tiempo las concentraciones de los reaccionantes o los productos. Generalmente se expresan en las unidades MOL/LITRO-SEGUNDO.
 

Efectos de la concentración y leyes de la velocidad
Diferentes reacciones químicas proceden a velocidades diferentes; algunas son tan rápidas que aparecen instantáneas como la neutralización de un acido por una base, mientras que otras son tan lentas que no aparece signo de reacción de varios meses y aun en años.



La Ley de velocidad para una reacción tal como
aA+ bB+ cC=  Dd+ eE
Velocidad = R [A]x x [B] y x [C]2
donde k es una consonante llamada constante de velocidad especifica de la reacción y los términos dentro de los paréntesis cuadrados [A] [B] [C] representan las concentraciones molares (MOLES/LITRO) de los reaccionantes A, B, C.
 
Problemas de  Cinética Química

1. El H2 y el Br2 reaccionan para formar el HBr a una velocidad de 5,0 x 10-4 mol HBr/ seg en un recipiente de 2 litros. Calcule la velocidad específica de la reacción
2 litrosVelocidad específica de reacción = Velocidad de reacción
Volumen
V.E.R.= 5,0 x 10-4 mol HBr/ seg = 2,5 x 10-4 mol HBr/ litros


 2. Se ha encontrado experimentalmente que la velocidad de una reacción es de 5,0 x 10-3 mol HBr/ litro – seg. Calcular la velocidad en las unidades mol/litro - minuto
Velocidad = Cambio de concentración = 5,0 x 10-3 mol/litro
Unidad de tiempo 1 s
Como 1 s= 1/60 minuto
V= 5,0 x 10-3 mol/ litro = 0,3 mol / litro
1/60 min
3. Para la reacción química A → B, se encontró que el cambio en concentración de A en 50 segundos es 0,0050 mol/litro. Calcular la velocidad de la reacción
Velocidad = Cambio de concentración Intervalo de tiempo
V= 5,0 x 10-3 mol/ litro = 1,0 x 10-4 mol / litro
50 s segundo

 
4. Para la reacción química C → D, la concentración inicial de C es 5,0 mol/litro y su concentración después de 30 minutos es 3,0 mol/litro ¿Cuál es la velocidad promedio de esta reacción?
  ambio en concentración = (5,0 – 3,0) mol7litro = 2,0 mol/litro
Intervalo de tiempo = 30 min x 60 s/ min = 1800 s
Velocidad promedio= 2,0 mol/ litro = 1,1 x 10-4 mol / litro
1800 s segundo

5. Se encontró que para la reacción química 2A + B → C la velocidad de formación de C es 0,40 mol/litro-hora ¿Cuál es la velocidad de transformación de A y B?


Velocidad de transformación de A = (-2) x (0,40 mol/litro-hora) = 0,80


Velocidad de transformación de B = -0,40 mol/litro - hora

6. Si la constante de velocidad específica de reacción K, para la reacción 2NO + Cl2 → 2 NOCl es 2,1 x 10-3 calcular la velocidad específica de formación de NOCl cuando (NO) = 2,0 mol/litro y (Cl2) = 0,8 mol/litro. Experimentalmente la reacción es de segundo orden en NO y de primer orden en Cl2
Velocidad específica= k (NO)2 x (Cl2)


Velocidad específica= 2,1 x 10-3 X (2)2 X 0,8 = 6,72 x 10-3 mol/litros - s

7. La velocidad inicial de una reacción de segundo orden es 8,0 x 10-5 mol/litro-s y la concentración inicial de la sustancia reaccionante es 0,50 mol/litro ¿cuál es la constante de velocidad en mol/litro?
Velocidad = k (A)2

8,0 x 10-5 mol/ litro - s = k (0,5 mol/litro)-2
k = 8,0 x 10-5 mol/ litro – s = 3,2 x 10-4 litro/mol - s
0,25 mol2/litro2

8. Para la reacción química A → C, se encontró que la velocidad de la reacción aumentó en un factor de 8 cuando se dobló la concentración. ¿Cuál es el orden de la reacción?


Velocidad = k (A)2

Se supone que velocidad = 1, cuando (A) = 1 por tanto
1= k (1)n
Cuando se dobla A, o sea, (A)=2, la velocidad se incrementa en un factor de 8 (velocidad = 8)
8 = k (2) n
Para que las dos expresiones sean válidas, n debe ser igual a 3, por tanto,
Velocidad = K (A) 3
Es decir, la reacción es de tercer orden.

9. Al realizar un experimento sobre la velocidad de descomposición del N2O5, N2O5 → N2O4 + ½ O2, se obtuvieron los siguientes datos en los experimentos:

(N2O5) Velocidad de reacción
(mol litro -1) (mol /litro / s)
1,2 x 10-3 2,0 x 10-5
3,6 x 10-3 6,0 x 10-5
Calcular la ley de velocidad
Velocidad = k (N2O5)x

Al comparar el valor de la concentración de N2O5 observamos que aumentó en la relación
3,6 x 10-3 = 3,00
1,2 x 10-3
Al mismo tiempo, la velocidad de la reaccion aumentó
6,0 x 10-5 = 3,00
2 x 10-5
Como el aumento de velocidad está en proporción directa con el aumento de N2O5 el exponente x es 1.
Velocidad = k (N2O5)1

10. Calcular la constante de velocidad específica, k, para la reacción del problema anterior

Velocidad = k (N2O5)2

k = 2,0 x 10-5 mol/ litro – s = 1,67 x 10-2 s -1
1,20 x 10-3 mol/litro

11. A continuación se dan algunas leyes de velocidad ¿Cuál es el orden total de las reacciones y los órdenes con respecto a cada reaccionante? A) 2H2 + 2NO → 2H2O + N2 Velocidad = k (H2 ) x (NO)2 B) 2NO + Cl2 → 2NOCl; velocidad = k (NO)2 x (Cl2)

Orden total de la reacción = 1+2 = 3; la reacción en total es por consiguiente, de tercer orden. Se dice, entonces, que la reacción es de primer orden con respecto al H2 y de segundo orden con respecto al NO

Orden total de la reacción = 2 + 1= 3; la reacción es de tercer orden. La reacción es de segundo orden con respecto al NO y de primer orden con respecto al Cl2
12. La reacción en fase gaseosa Cl2 + Br2 → 2ClBr tiene una velocidad igual a k (Cl2) x (Br2) . Si las concentraciones se expresan en mol/litro, encuentre las unidades de la constante de velocidad k

Velocidad = Cambio de concentración = mol/litro

Intervalo de tiempo seg
Velocidad = k (concentración) (concentración) = k (concentración)2 = k (mol/litro)2
De donde
mol/litro = k (mol /litro) 2 k= mol /litroseg seg(mol/litro) 2
K= 1/s x 1/mol/litro = litro/ mol-s

13. Para la reacción A + B → C se ha encontrado el diagrama de energía potencial que se muestra en la figura. Calcular a partir de la figura ∆H, Ea para la reacción directa y Ea para la reacción inversa
H = Energía desprendidad neta = (-10) – (5) = -15 kcal

∆H = -15 kcal x 4,184 kJ/kcal = -62,8 kJ
La reacción es exotérmica por haber desprendido calor
Ea = Energía de activación = 10 – 5 = 5 kcal = 20,9 kJ
14. La constante de velocidad de una reacción a 20° C es 1,5 mol /litro – s, mientras que a 30° C su constante de velocidad es 2,5 mol /litro –s. Calcular la energía de activación

T1 = 273 + 20 = 293 K T2= 273 + 30 = 303 K

Sustituyendo en la ecuación de Arrhenius
Log k2/k1 = log 2,5/1,5 = Ea /2,303 R (1/293 - 1/303)
Log 1,67 = Ea /2,303 R (1,13 x 10-4)
Ea = 0,22 x 2,303 R = (4,5 x 10-3) x (8.314 J/mol-K) = 3,74 x 10-4 J/mol
1,13 x 10-4

15. Una reacción tiene una energía de activación= 80 kJ/mol. ¿Cuál será el efecto sobre la velocidad al elevar la temperatura de 20° C a 30° C

T1 = 273 + 20 = 293 K T2= 273 + 30 = 303 K

1/T1 - 1/T2 = 1/293 - 1/303 = 1,13 x 10-4
Log k2/k1 = Ea / 2,303 R (1/T1 - 1/T2) = Ea / 2,303 R (1/293 - 1/303)
= Ea / 2,303 R (1,13 x 10-4)
Log k2/k1 = 80 x 103 X 1,13 x 10-4 = 0,496
2,303 x 8,314
K2/k1 = 3,13




E’a = (10) – (-10) = 20 kcal x 4,184 kJ/kcal = 83,68

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