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La cinética es la rama de la química física que estudia la velocidad de las reacciones químicas. Por el contrario, la termodinámica nos dice qué dirección de reacción se favorece, sin revelar su velocidad de reacción. Algunas reacciones pueden verse termodinámicamente favorecidas pero cinéticamente desfavorecidas.
Por ejemplo, en la conversión de diamante en grafito, el grafito tiene una energía libre menor que el diamante, por lo que la conversión se ve favorecida termodinámicamente. Sin embargo, existe una gran barrera de activación para que el diamante rompa y reforme todos los enlaces a la configuración de grafito más estable, por lo que esta reacción es cinéticamente desfavorable y en realidad no ocurrirá.
La velocidad de reacción es una medida de qué tan rápido se forman los productos y se consumen los reactivos, por lo que se puede determinar midiendo el cambio en la concentración de productos o reactivos, durante un período de tiempo. Considere una reacción química general:
aA + bB ———————–> cC + dD
La velocidad de reacción se puede escribir como:
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Por ejemplo, la velocidad de reacción para:
2 NO(g) + 2 H2 (g) ———————> N2(g) + 2 H2O(g)
viene dado por
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Para determinar la velocidad de esta reacción mediante un experimento, puede medir la concentración de H2 en diferentes momentos de la reacción y representarla gráficamente en función del tiempo de la siguiente manera:
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La velocidad media de reacción es una aproximación de la velocidad de reacción en un intervalo de tiempo y se puede denotar como:
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La velocidad instantánea de reacción se define como la velocidad de reacción en algún instante en el tiempo. Es una tasa diferencial y se puede expresar mediante:
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Donde d[H2]/dt es la pendiente de la curva de concentración de H2 versus el tiempo en el momento t.
La velocidad inicial de reacción es la velocidad instantánea al inicio de la reacción, cuando t =0. En este caso, la unidad para la velocidad de reacción promedio, instantánea e inicial es M/s.
En la mayoría de los casos, la velocidad de reacción depende de la concentración de los distintos reactivos en el tiempo t. Por ejemplo, en una concentración más alta de todos los reactivos, los reactivos chocan con más frecuencia y dan como resultado una reacción más rápida. La relación entre la velocidad de reacción ν(t) y las concentraciones se define como la ley de velocidad . Y la ley de velocidad para la reacción química general aA + bB —————> cC + dD es:
Modificado de https://chem.libretexts.org/Bookshelves/Ancillary_Materials/Laboratory_Experiments/Wet_Lab_Experiments/General_Chemistry_Labs/Online_Chemistry_Lab_Manual/Chem_12_Experiments/01%3A_Chemical_Kinetics_-_The_Method_of_Initial_Rates_Experiment
Donde k es la constante de velocidad y la potencia xey es el orden de la reacción con respecto a los reactivos A y B. La ley de velocidad debe determinarse experimentalmente y no puede deducirse únicamente de la estequiometría de una reacción química equilibrada.
La ley de tasas se puede determinar mediante el método de tasas iniciales . En este método, el experimento se realiza varias veces, cambiando solo la concentración de un reactivo para cada ejecución mientras se mantienen constantes otras variables. La velocidad de la reacción se mide en cada ejecución para determinar el orden de cada reactivo en la ley de velocidad.
Por ejemplo, considere los siguientes datos de velocidad inicial para la reacción:
2 NO(g) + 2 H2 (g) ———————> N2(g) + 2 H2O(g)
Adaptado de https://www.chemteam.info/Kinetics/WS-Kinetics-method-of-initial-rates.html
Para los ensayos 1 y 3, la concentración de NO se mantiene constante mientras que la concentración de H2 se duplica. Como resultado, la velocidad de reacción inicial también se duplicó (considérelo como 21), por lo que puede concluir que y =1. Para los ensayos 1 y 2, la concentración de NO se duplica mientras la concentración de H2 permanece constante. El resultado de este cambio es que la tasa inicial se cuadruplicó (piense en ella como 22). Por lo tanto, puedes concluir que x =2.
Por lo tanto, la ley de velocidad para esta reacción es:
Adaptado de https://www.chemteam.info/Kinetics/WS-Kinetics-method-of-initial-rates.html
Y la reacción es de primer orden. en H2 y segundo orden en NO.
