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Cinética química I: velocidad de reacción

GUÍA PRÁCTICANº

Ejercicios PSU

1. La velocidad de una reacción química está considerada como

I) una fórmula que expresa los mol de productos obtenidos por segundo. II) una fórmula que expresa los mol de reactantes consumidos por segundo.III) la rapidez con que los reactantes se transforman en productos.

Es (son) correcta(s)

A) solo I. D) solo I y III.B) solo II. E) I, II y III.C) solo III.

2. Con respecto a la energía de activación de una reacción, ¿cuál de las siguientes alternativas es correcta?

A) Es la cantidad mínima de energía necesaria para que se inicie una reacción química.B) Es la cantidad máxima de energía necesaria para que se inicie una reacción química.C) Corresponde a la energía total de la reacción.D) Corresponde a la barrera energética que deben atravesar los productos.E) Es la energía cinética de las moléculas de los productos.

3. De una reacción química entre dos reactivos A y B se han obtenido los siguientes datos:

Experiencia [A]0 (mol/L) [B]0 (mol/L) v0 (M/s)1 0,10 0,20 322 0,10 0,10 83 0,30 0,10 24

La expresión matemática de la ecuación de la velocidad directa de reacción es

A) v = k [A] [B] D) v = k [A] [B]2

B) v = k [A]2 [B] E) v = k [A]3 [B]C) v = k [A]3 [B]2

4. De una reacción química entre dos reactivos C y D se tienen los siguientes datos:

Experiencia [C]0 (mol/L) [D]0 (mol/L) v0 (M/s)1 0,20 0,20 2,70 • 10−3

2 0,40 0,20 5,40 • 10−3

3 0,40 0,40 1,08 • 10−2

¿Cuál es la expresión matemática de la ecuación de la velocidad directa de reacción?

A) v = k [C]2 [D] D) v = k [C] [D]2

B) v = k [C] [D]1/2 E) v = k [C]3 [D]C) v = k [C] [D]

5. La velocidad de una reacción química depende

I) de la concentración de los reactantes. II) del grado de división de los reactantes.III) del uso de un catalizador.

Es (son) correcta(s)

A) solo I. D) solo I y III.B) solo II. E) I, II y III.C) solo III.

6. La etapa limitante de una reacción química está impuesta por la energía

A) de los productos. B) total de la reacción. C) de activación. D) de los catalizadores. E) inversa de la reacción.

Ciencias Básicas Electivo Química

Cpech2

7. Si se disminuye la concentración de los reactantes en una reacción química, se consigue

A) aumentar la velocidad de la reacción. B) aumentar los choques entre las moléculas de reactantes. C) aumentar los choques entre las moléculas de productos. D) disminuir la velocidad de la reacción. E) reestablecer el equilibrio químico.

8. En la siguiente reacción química de orden uno en todos sus constituyentes

A + B C + D

la velocidad indirecta de la reacción es

A) v = k [A] [B]

B) v = k [C] + [D]

C) v = k [C] [D]

D) v = k [A] + [B]

E) v = k [C] [D][A] [B]

9. La ley de velocidad para la reacción

F2 (g) + 2 ClO2 (g) → 2 FClO2 (g)

es v = k [F2] [ClO2]

¿Cuál es el orden de reacción total?

A) 1 D) 4B) 2 E) 5C) 3

GUIA PRÁCTICA

Cpech 3

10. Los tipos de catalizadores utilizados en las reacciones químicas se conocen como

I) activadores o positivos. II) inhibidores. III) enzimáticos.

Es (son) correcta(s)

A) solo I. D) solo I y III.B) solo II. E) I, II y III.

C) solo III.

11. Una de las características más importantes de un catalizador es que

A) influyeenelequilibriodeunareacciónquímica. B) sufre transformación durante la reacción química. C) nomodificalavelocidaddelareacciónquímica. D) noinfluyeenelequilibriodeunareacciónquímica. E) no se puede recuperar luego de la reacción.

12. La función de las enzimas en el organismo es

I) acelerar la velocidad de las reacciones químicas. II) disminuir la energía de activación. III) aumentar la energía de activación.

Es (son) correcta(s)

A) solo I. D) solo I y II.B) solo II. E) solo I y III.C) solo III.

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Cpech4

13. Las enzimas son catalizadores biológicos que aceleran las reacciones químicas, disminuyendo la energía de activación de las reacciones. Cuando una enzima pierde su estructura tridimensional por cambios bruscos de temperatura o pH, se produce una pérdida de su actividad. Este proceso se denomina desnaturalización.

Acontinuaciónsemuestraungráficoconlaactividaddedosenzimasenfuncióndelatemperatura.

0 20 40 60 80 100

Temperatura (ºC)

Act

ivid

ad E

nzim

átic

a

Temperatura óptima de una enzima humana típica

Temperatura óptima de una enzimadebacteriatermófila(resistente al calor)

Apartirdelgráfico,podemosinferirque

I) a 50°C las reacciones en el cuerpo humano se vuelven más lentas. II) a 70°C ambas enzimas se encuentran desnaturalizadas.III) distintas enzimas pueden presentar su máxima actividad a diferentes temperaturas.

A) Solo I. D) Solo I y III.B) Solo II. E) I, II y III.C) Solo I y II.

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Cpech 5

14. En las reacciones heterogéneas, la velocidad de reacción depende principalmente de la

I) superficiedecontactoentreambasfases. II) temperatura. III) presión.

Es (son) correcta(s)

A) solo I. D) solo I y II.B) solo II. E) I, II y III.C) solo III.

15. Una reacción directa es una reacción que ocurre

A) de derecha a izquierda de la ecuación química.B) de izquierda a derecha de la ecuación química.C) para recuperar los reactantes.D) cuando desaparecen los productos.E) en el equilibrio.

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Tabla de corrección

Ítem Alternativa Habilidad

1 Comprensión

2 Reconocimiento

3 ASE

4 ASE

5 Reconocimiento

6 Comprensión

7 Comprensión

8 Aplicación

9 Aplicación

10 Reconocimiento

11 Reconocimiento

12 Reconocimiento

13 ASE

14 Reconocimiento

15 Comprensión

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Cpech 7

Resumen de contenidos

Velocidad de reacción

Cuando algunas sustancias reaccionan, los cambios producidos pueden ser observados según la mayor o menor rapidez con que ocurren. Hay reacciones espontáneas que tardan mucho tiempo en completarse. Por ejemplo, el carbono y el oxígeno pueden estar en contacto a temperatura ambiente indefinidamentesinquereaccionen,apesardeserespontánealareacciónaesatemperatura.Esdecir,son termodinámicamente espontáneas, pero cinéticamente muy lentas.

El objeto de la cinética química es el estudio de las velocidades de las reacciones químicas y de los factores de que dependen dichas velocidades. De este estudio se pueden extraer conclusiones sobre el mecanismo íntimo de la reacción.

La velocidad de reacción es la variación en el transcurso del tiempo de la concentración de una de las sustancias que intervienen en dicha reacción. Se suele medir en (M/s).

Dada una reacción:

a A + b B c C + d D Las distintas velocidades de reacción referidas a cada uno de los componentes son:

vA = − ; vB = − ; vC = ; vD =∆[A]∆t

∆[B]∆t

∆[C]∆t

∆[D]∆t

Según la teoría de colisiones, basada en la teoría cinética, para que se produzca la reacción entre dos moléculas o reactantes, estas tienen que chocar con una energía determinada y orientación adecuada. Lavelocidaddeunareacciónserámayorcuantomayorseaelnúmerodechoqueseficaces.Así,losfactores que favorezcan el contacto íntimo entre los reactantes, aumenten la energía de los mismos y el número de choques, lograrán aumentar la velocidad de reacción.

Ecuación cinética

La relación entre la velocidad de reacción y las concentraciones de los reactivos viene dada por la ecuación cinética o ley diferencial de velocidad, que se determina experimentalmente para cada reacción. En general, las ecuaciones cinéticas son de la forma:

v = k [A]m [B]n

Enestaecuación,keslaconstantedevelocidadovelocidadespecífica,quedependedelanaturalezade la reacción y de la temperatura a la que se lleva a cabo; [A] y [B], son las concentraciones de los reactantes; m y n, son números que se determinan experimentalmente y que se denominan órdenes parciales de reacción.

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Orden de reacción

El orden parcial respecto a un componente particular viene dado por el exponente al que está elevada su concentración en la ecuación cinética. Se determina de forma experimental, y no es necesariamente igualasucoeficienteestequiométrico.Enlaecuaciónanterior,m es el orden de la reacción respecto al reactante A y n es el orden de la reacción respecto al reactante B. Estos coeficientes no sonnecesariamente enteros. El orden de reacción global es la suma de los exponentes a los que se elevan las concentraciones de todos los reactantes que aparecen en la ley de velocidad.

Ecuación cinética de 1erorden→v= − = k [A]∆[A]∆t

Ecuación cinética de 2doorden→ ov= − = k [A]2∆[A]∆t v= − = k [A] [B]

∆[A]∆t

Factores que modifican la velocidad de las reacciones

Factores

Temperatura⋅A ↑ T

↑ velocidad

Grado de división⋅ A ↑ GD (sólido)

↑ velocidad

Concentración⋅ A ↑ [R]

↑ velocidad

Presión⋅ A ↑ P (gas)↑ velocidad

Catalizadores

Catalizadores

Los catalizadores son sustancias que, actuando en pequeñas proporciones, disminuyen la energía de activación de la reacción y/o provocan una correcta orientación al choque de las especies reactantes, deformaqueesteseaeficaz.Asípues,suefectoesaumentarlavelocidaddereacción.

Reacción no catalizada

Curso de la reacción

Ene

rgía

libr

e

Barrera de energía

Reactivos

Productos

ΔG

Ea

Curso de la reacción

Reactivos

Productos

ΔG

Barrera de energía

Reacción catalizada

Ea

Ene

rgía

libr

e

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Cpech 9

Algunas características de los catalizadores son:

- Disminuyen la energía de activación de la reacción.- Existe una enorme desproporción entre la masa de las sustancias que reaccionan y la pequeña

masa de catalizador.- Elcatalizadorseencuentraenlasmismascondicionesalfinaldelprocesoquealcomienzodeél.- Uncatalizadorúnicamentemodificalavelocidaddeunareacciónynoelequilibriodelamisma.- Loscatalizadoressonespecíficosparacadareacciónoparaciertotipodereacciones.- Las sustancias que retardan la velocidad de reacción se denominan inhibidores o catalizadores

negativos.

Catalizadores inorgánicos

Pueden ser de dos tipos.

• Catalizadores de contacto o heterogéneos: no reaccionan químicamente con los reactivos, sinoque losadsorbenensusuperficieconsiguiendomayorconcentraciónyaumentando,porconsiguiente, el número de choques entre ellos para acelerar la reacción. Los más usados son metalesuóxidosdemetalesfinamentedivididos,comoporejemploelhierro(Fe),elplatino(Pt),el níquel (Ni), el trióxido de aluminio (Al2O3), el óxido férrico (Fe2O3) o el pentóxido de vanadio (V2O5).

• Catalizadores de transporte u homogéneos: estos catalizadores actúan interviniendo en la reacción, es decir, se combinan con alguno de los reactivos para formar un intermedio inestable que se combina con más reactivo, dando lugar a la formación de los productos, al mismo tiempo que se regenera el catalizador. Un ejemplo de este tipo de catalizador es el monóxido de nitrógeno (NO).

Enzimas

Otro tipo de catalizadores muy importantes corresponde a los catalizadores biológicos o enzimas, puesto que estas poseen una función esencial en los organismos vivos al acelerar reacciones que de otra forma requerirían temperaturas tan elevadas que podrían destruir la mayoría de la materia orgánica. Algunas intervienen en la digestión, otras liberan energía para la contracción cardíaca, reposición de células sanguíneas y la liberación de energía química para mover los músculos. Porúltimo,cabedestacarquelacinéticadelasreaccionesenzimáticasdifierebastantedelasreacciones inorgánicas simples.

Convertidor catálitico

EntradaCO, hidrocarburos sin quemar (Cx Hy) y NOx

SalidaCO2, agua y nitrógeno

2CO + O2

C9H20 + 14O2

2NOX + 2XCO

COC9H20

NOX

2CO2

9CO2 + 10H2ON2 + 2XCO2

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Mis apuntes

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