UNIVERSIDAD DE CIENCIAS Y ARTES DE CHIAPAS

FACULTAD DE CIENCIAS BIOLÓGICAS

LICENCIATURA EN BIOLOGÍA

UNIDAD 5: “CINÉTICA DE LAS REACCIONES QUÍMICAS”

FISICOQUÍMICA

MTRA. CLAUDIA GONZÁLEZ ARGÜELLO

AURELIANO ARGÜELLO FIGUEROA

3° “A”

TUXTLA GUTIÉRREZ, CHIAPAS

08 DE NOVIEMBRE DE 2013

ÍNDICE

INTRODUCCIÓN.............................................................................................................................................. 3

CINÉTICA DE LAS REACCIONES QUÍMICAS....................................................................................................... 3

VELOCIDAD DE CONSUMO Y DE FORMACIÓN..................................................................................................4

VELOCIDAD DE REACCIÓN............................................................................................................................... 5

ECUACIÓN DE VELOCIDAD DE REACCIÓN......................................................................................................... 6

CÁLCULO DE LA VELOCIDAD DE REACCIÓN...................................................................................................... 6

TIEMPO DE VIDA DE UNA REACCIÓN............................................................................................................... 7

ECUACIÓN DE ARRHENIUS.............................................................................................................................. 7

CATÁLISIS ENZIMÁTICA................................................................................................................................... 8

CONCLUSIÓN.................................................................................................................................................. 9

BIBLIOGRAFÍA............................................................................................................................................... 10

INTRODUCCIÓN

¿Qué es la Cinética? El estudio de la velocidad de los procesos se llama cinética o

dinámica, la cinética es una de las cuatro ramas de la química física. Un sistema

puede estar fuera del equilibrio porque la materia o la energía, o ambas, están siendo

transportadas entre el sistema y sus alrededores o entre una y otra parte del sistema.

Tales fenómenos son los denominados fenómenos de transporte, y la rama de la

cinética que estudia las velocidades y los mecanismos de los fenómenos de

transporte es la cinética física. Aun cuando ni la materia ni la energía estén siendo

transportadas a través del espacio, un sistema puede estar fuera del equilibrio

porque ciertas especies químicas del sistema están reaccionando para producir otras

especies. La parte de la cinética que estudia las velocidades y los mecanismos de

las reacciones químicas es la cinética química o cinética de reacciones.

CINÉTICA DE LAS REACCIONES QUÍMICAS

La cinética química es aquella rama de la físico-química que estudia la velocidad de

las reacciones y sus mecanismos. Una pregunta de importancia que la

termodinámica no plantea, es: ¿Con qué rapidez y cuál es el mecanismo de una

reacción? La termodinámica considera únicamente las relaciones de energía entre

los reactivos y los productos de una reacción, sin intentar señalar las etapas de

paso, ni la rapidez con que se alcanza el equilibrio. La cinética complementa a la

termodinámica al proporcionar información de la velocidad y mecanismo de

transformación de reactivos en productos.

La velocidad de una reacción depende de la naturaleza de las sustancias,

temperatura, y concentración de los reactivos. Un incremento de temperatura

produce casi invariablemente un aumento de velocidad; en efecto, en muchas

reacciones un ascenso de 10°C duplica dicha velocidad, y a veces el efecto es aún

mayor.

Las velocidades de las reacciones químicas constituyen el campo de estudio

de la cinética química. Por experimentación se encuentra que la velocidad de una

reacción depende de la temperatura, la presión y las concentraciones de las

especies implicadas. La presencia de un catalizador o inhibidor puede cambiar la

velocidad en varias potencias de diez. A partir del estudio de la velocidad de una

reacción y de su dependencia de todos estos factores, se puede aprender mucho

acerca de las etapas detalladas por medio de las que los reactivos se convierten en

productos.

VELOCIDAD DE CONSUMO Y DE FORMACIÓN

La velocidad de consumo y de formación se dan por las siguientes formulas:

La velocidad de consumo de A: 

La velocidad de formación de B: 

VELOCIDAD DE REACCIÓN

Los estudios cinéticos se llevan a cabo a temperatura constante. Se prepara la

mezcla de reacción de composición conocida y se termostatiza, midiédose la

disminución de concentración de los reactivos y aparición de productos en función

del tiempo, por un procedimiento adecuado. A partir de los datos de concentración-

tiempo se deduce el comportamiento del proceso, con ayuda de ciertos principios

que se darán a continuación.

La dependencia de la velocidad con la temperatura se obtiene al repetir este

procedimiento con cierto número adecuado de temperaturas.

La forma más conveniente de seguir los cambios de concentración que tienen

lugar en una reacción, es remover muestras de un sistema en distintos intervalos de

tiempo, detener la reacción y analizar las muestras para determinar la concentración

del reactivo y producto. Sin embargo, si es posible, se prefiere seguir los cambios de

concentración en un sistema que reacciona usando alguna propiedad física que varía

con el tiempo, y desde la cual se pueden deducir las concentraciones necesarias. En

las reacciones gaseosas que involucran en cambio de volumen, la propiedad más

comúnmente observada es la variación de presión manteniendo constante el

volumen, o el cambio de éste cuando aquélla es constante. Este último método, que

se utiliza a veces en los sistemas líquidos, se llama dilatometría. Otros métodos

físicos que se emplean en condiciones adecuadas son la conductividad, variación de

índice de refracción, desprendimiento de gas, espectroecopía y colorimetría,

dispersión de luz, polarografía, susceptibilidad magnética, y espectrometría de

masas.

ECUACIÓN DE VELOCIDAD DE REACCIÓN

La velocidad de reacción se define como la cantidad de sustancia que reacciona por

unidad de tiempo. Por ejemplo, la oxidación del hierro bajo condiciones atmosféricas

es una reacción lenta que puede tardar muchos años, pero la combustión del butano

en un fuego es una reacción que sucede en fracciones de segundo. Considérese

una reacción química típica:

aA + bB → pP + qQ

Las letras minúsculas (a, b, p, y q) representan los coeficientes

estequiométricos, mientras que las letras mayúsculas representan a los reactivos (A

y B) y los productos (P y Q). De acuerdo a la definición del Libro Dorado de

la IUPAC la velocidad instantánea de reacción v (también r o R) de una reacción

química que se da en un sistema cerrado bajo condiciones de volumen constante, sin

que haya acumulación de intermediarios de reacción, está definida por:

CÁLCULO DE LA VELOCIDAD DE REACCIÓN

La velocidad de una reacción química es aquélla a la que las concentraciones de las

sustancias reaccionantes varían con el tiempo, es decir, -dC/dt, donde C es la

concentración del reactivo y t el tiempo. El signo menos usado indica que la

concentración disminuye con el tiempo. Esta dependencia de las sustancias que

reaccionan viene dada por la ley de acción de masas, que se expresa de la forma

siguiente: la velocidad de una reacción en cado instante es proporcional a la

concentración de los reactivos con cada concentración elevada a una potencia igual

al número de moléculas de cada especie participe en el proceso.

TIEMPO DE VIDA DE UNA REACCIÓN

La vida media de la reacción, t1/2, es el tiempo necesario para que la concentración

de A alcance la mitad de su valor inicial. Por lo tanto, cuando

Se define tiempo de vida media, t1/2, o periodo de vida media de una reacción

química como el tiempo necesario para que se consuma o se transforme la mitad de

la concentración inicial del reactivo, es decir, a - x = a/2.

ECUACIÓN DE ARRHENIUS

La ecuación de Arrhenius es una expresión matemática que se utiliza para

comprobar la dependencia de la constante de velocidad (o cinética) de una reacción

química con respecto a la temperatura a la que se lleva a cabo esa reacción. La

ecuación fue propuesta primeramente por el químico holandés J. H. van 't Hoff en

1884; cinco años después en 1889 el químico sueco Svante Arrhenius dio una

justificación física y una interpretación para la ecuación. Actualmente, es vista mejor

como una relación empírica. Puede ser usada para modelar la variación de

temperatura de coeficientes de difusión, población de vacancias cristalinas, velocidad

de fluencia, y muchas otras reacciones o procesos inducidos térmicamente.

Dicho de manera breve, la ecuación de Arrhenius da la dependencia de la

constante de velocidad k de reacciones químicas a la temperatura T (en temperatura

absoluta, tales como kelvins o grados Rankine) y la energía de activación Ea", de

acuerdo con la expresión:

donde:

: constante cinética (dependiente de la temperatura)

: factor preexponencial o factor de frecuencia. Indica la frecuencia de las

colisiones.

: energía de activación, expresada en J/mol.

: constante universal de los gases. Su valor es 8,3143 J·K-1·mol-1

: temperatura absoluta (K)

CATÁLISIS ENZIMÁTICA

Un catalizador es una sustancia que aumenta la velocidad de reacción y puede ser

recobrado, sin cambio químico, al final de la reacción. La velocidad de la reacción

depende de las constantes cinéticas en las etapas elementales que componen el

mecanismo de la reacción. Un catalizador suministra un mecanismo alternativo más

rápido que el que tendría lugar en ausencia del mismo. Además, aunque el

catalizador participe en el mecanismo, debe regenerarse.

La mayoría de las reacciones que ocurren en los organismos vivos están

catalizadas por moléculas denominadas enzimas. La mayoría de las enzimas son

proteínas. (Algunas moléculas de ARN también actúan como enzimas.) Una enzima

es específica en su acción; muchas enzimas catalizan sólo la conversión de un

determinado reactivo en un producto (y la reacción inversa); otras enzimas catalizan

sólo ciertas clases de reacciones (por ejemplo, la hidrólisis de ésteres). Las enzimas

hacen aumentar muy considerablemente las velocidades de reacción, y en su

ausencia, la mayoría de las reacciones bioquímicas tienen lugar con velocidades

despreciables. La molécula sobre la que actúa una enzima se denomina sustrato. El

sustrato se enlaza a un centro activo de la enzima y forma un complejo enzima-

sustrato; mientras está enlazado a la enzima, el sustrato se transforma en producto,

momento en el cual se libera de la enzima. Algunos venenos fisiológicos actúan

enlazándose al centro activo de la enzima, bloqueando (o inhibiendo) la acción de la

enzima. La estructura de un inhibidor puede parecerse a la estructura del sustrato de

la enzima. El cianuro actúa bloqueando la enzima citocromo oxidasa.

CONCLUSIÓN

En relación al tema de la cinética en las reacciones químicas, se puede llegar a

ciertas conclusiones:

Se dice que la cinética estudia las velocidades de los procesos, ahora, si la

cinética se aplica a la química, surge la cinética química, que es la que se encarga

de estudiar la velocidad de los procesos químicos.

En el mundo, existen muchísimas reacciones químicas de todo tipo, nosotros

mismos estamos compuestos por elementos químicos, que reaccionan entre sí,

generando mucho movimiento en nuestro interior. En el mundo de la Biología se dan

infinidad de procesos químicos, desde los procesos internos en nuestro organismo

hasta los externos, como por ejemplo el proceso de la fotosíntesis, un proceso tan

importante para la vida en el cual se dan reacciones químicas.

La velocidad de las reacciones depende mucho de la naturaleza de las

sustancias, de su temperatura y concentración. Para ello, se utilizan ecuaciones para

determinar la velocidad con la que se dan las reacciones químicas.

A veces, para aumentar la velocidad de las reacciones químicas, son

utilizadas sustancias catalizadoras. La mayoría de las reacciones que ocurren en los

organismos vivos están catalizadas por moléculas denominadas enzimas.

Para finalizar, como se vio, es inevitable el no relacionar este tema con la

Biología; la cinética química es de gran ayuda para el maravilloso mundo de la

Biología.

BIBLIOGRAFÍA

1. Castellan, G. W. Fisicoquímica. Segunda edición. Editorial Pearson. México,

D.F. 1998.

2. Cengel, Y. A. et al. Termodinámica. Sexta edición. Editorial McGraw-Hill.

México, D.F. 2008.

3. Levine, I. R. Fisicoquímica: Volumen 2. Quinta edición. Editorial McGraw-Hill.

Madrid, España. 2004.

4. Maron, S. H. y Prutton, C.F. Fundamentos de Fisicoquímica. Editorial Limusa.

México, D.F. 2002.

5. Skoog, D. A. et al. Fundamentos de Química Analítica. Octava edición.

Editorial Thomson. México, D.F. 2005.

6. Wark, K. et al. Termodinámica. Sexta edición. Editorial McGraw-Hill. Madrid,

España. 2001.