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Cinética

AP Química · Tema 5

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8:00

Cinética

Mira dentro del tubo de escape de un automóvil. Este panal cerámico es un convertidor catalítico. Los gases que pasan rápidamente por él son tóxicos. Si se dejaran solos, tardarían años…

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5.1

Qué tan rápido ocurre una reacción

Syllabus

Objetivo de Aprendizaje 5.1.A: Explicar la relación entre la velocidad de una reacción química y los parámetros experimentales.

  • 5.1.A.1 La cinética de una reacción química se define como la tasa a la que una cantidad de reactivos se convierte en productos por unidad de tiempo.
  • 5.1.A.2 Las tasas de cambio de las concentraciones de reactivos y productos están determinadas por la estequiometría en la ecuación química balanceada.
  • 5.1.A.3 La velocidad de una reacción se ve influenciada por las concentraciones de los reactivos, la temperatura, el área superficial, los catalizadores y otros factores ambientales.

Fuente: College Board AP Course and Exam Description

Un convertidor catalítico: los catalizadores aceleran las tasas reduciendo la energía de activación sin consumirse
Un convertidor catalítico: los catalizadores aumentan las velocidades al reducir la energía de activación sin consumirse
La distribución de Maxwell–Boltzmann

Cinética estudia la velocidad de reacción – qué tan rápido se convierten los reactivos en productos. La velocidad es el cambio en la concentración por unidad de tiempo y, por lo general, disminuye a medida que se consumen los reactivos. La velocidad aumenta con mayor concentración, mayor temperatura, mayor área superficial y un catalizador.

Más partículas en el mismo volumen chocan con mayor frecuencia, por lo que la velocidad aumenta
Más partículas en el mismo volumen chocan con mayor frecuencia, por lo que la velocidad aumenta
Una jeringa de gas: medir el volumen de gas con el tiempo da la tasa de reacción a partir de la pendiente
Una jeringa de gas: medir el volumen de gas a lo largo del tiempo permite obtener la velocidad de reacción a partir de la pendiente
Explorar

Cambiar condiciones y observar la velocidad

La velocidad de reacción aumenta con la temperatura, la concentración y un catalizador: cada uno produce colisiones más frecuentes o más exitosas. Cambie cada uno y observe cómo acelera la reacción.

Vocabulario Entrenar
Inglés Chino Pinyin
Kinetics/kɪˈnetɪks/ 动力学 dòng lì xué
reaction rate/rɪˈækʃn reɪt/ 反应速率 fǎn yìng sù lǜ
rate law/reɪt lɔː/ 速率方程 sù lǜ fāng chéng
rate constant/reɪt ˈkɒnstənt/ 速率常数 sù lǜ cháng shù
orders/ˈɔːdəz/ 级数 jí shù
catalyst/ˈkætəlɪst/ 催化剂 cuī huà jì
5.2

Escribir la ley de velocidad

Syllabus

Objetivo de Aprendizaje 5.2.A: Representar datos experimentales mediante una expresión de ley de velocidad consistente.

  • 5.2.A.1 Los métodos experimentales pueden utilizarse para monitorear las cantidades de reactivos y/o productos de una reacción a lo largo del tiempo y para determinar la velocidad de la reacción.
  • 5.2.A.2 La ley de velocidad expresa la velocidad de una reacción como proporcional a la concentración de cada reactivo elevado a una potencia.
  • 5.2.A.3 La potencia de cada reactivo en la ley de velocidad es el orden de la reacción con respecto a ese reactivo. La suma de las potencias de las concentraciones de los reactivos en la ley de velocidad es el orden total de la reacción.
  • 5.2.A.4 La constante de proporcionalidad en la ley de velocidad se llama constante de velocidad. El valor de esta constante depende de la temperatura y sus unidades reflejan el orden total de la reacción.
  • 5.2.A.5 Comparar las velocidades iniciales de una reacción es un método para determinar el orden con respecto a cada reactivo.

Fuente: College Board AP Course and Exam Description

La ley de velocidad relaciona la velocidad con las concentraciones de los reactivos:

$$\text{rate}=k[\text{A}]^m[\text{B}]^n,$$
donde $k$ es la constante de velocidad y $m,n$ son los órdenes. Los órdenes se determinan experimentalmente (no a partir de los coeficientes estequiométricos) observando cómo cambia la velocidad cuando se modifica una concentración a la vez.

Tasa contra concentración para reacciones de orden cero, primer orden y segundo orden
Velocidad frente a concentración para reacciones de orden cero, primero y segundo

Ejemplo resuelto. En los experimentos, duplicar $[\text{A}]$ hace que la velocidad sea cuatro veces mayor, mientras que duplicar $[\text{B}]$ deja la velocidad sin cambios. Por lo tanto, la reacción es de segundo orden respecto a A ($2^2=4$) y de orden cero respecto a B, lo que da $\text{rate}=k[\text{A}]^2$. El orden global es $2+0=2$. Nunca se deben leer los órdenes a partir de los coeficientes estequiométricos balanceados; solo el experimento proporciona estos valores.

5.3

Concentración en función del tiempo

Syllabus

Objetivo de Aprendizaje 5.3.A: Identificar la expresión de la ley de velocidad de una reacción química utilizando datos que muestran cómo cambian las concentraciones de las especies reactivas a lo largo del tiempo.

  • 5.3.A.1 El orden de una reacción puede inferirse a partir de un gráfico de concentración del reactivo frente al tiempo.
  • 5.3.A.2 Si una reacción es de primer orden con respecto a un reactivo que se está monitoreando, un gráfico del logaritmo natural (ln) de la concentración del reactivo en función del tiempo será lineal.
  • 5.3.A.3 Si una reacción es de segundo orden con respecto a un reactivo que se está monitoreando, un gráfico del recíproco de la concentración de ese reactivo frente al tiempo será lineal.
  • 5.3.A.4 Las pendientes de los datos de concentración frente al tiempo para reacciones de orden cero, primero y segundo pueden utilizarse para determinar la constante de velocidad de la reacción.
    • Orden cero:
    • Ecuación: $[\mathrm{A}]_t - [\mathrm{A}]_0 = -kt$
    • Primer orden:
    • Ecuación: $\ln[\mathrm{A}]_t - \ln[\mathrm{A}]_0 = -kt$
    • Segundo orden:
    • Ecuación: $1/[\mathrm{A}]_t - 1/[\mathrm{A}]_0 = kt$
  • 5.3.A.5 La semivida es un parámetro crítico para las reacciones de primer orden porque la semivida es constante y está relacionada con la constante de velocidad de la reacción mediante la ecuación:
    • Ecuación: $t_{1/2} = 0.693/k.$
  • 5.3.A.6 Los procesos de desintegración radiactiva proporcionan una ilustración importante de la cinética de primer orden.

Fuente: College Board AP Course and Exam Description

Las leyes de velocidad integradas describen cómo disminuye la concentración con el tiempo y ofrecen pruebas lineales:

Una reacción de primer orden tiene una vida media constante
Una reacción de primer orden tiene una semivida constante
  • Orden cero: $[\text{A}]$ vs $t$ es lineal.
  • Primer orden: $\ln[\text{A}]$ vs $t$ es lineal; semivida constante 半衰期.
  • Segundo orden: $\dfrac{1}{[\text{A}]}$ vs $t$ es lineal.

El gráfico que resulta recto indica el orden y proporciona $k$ a partir de su pendiente.

Ejemplo resuelto. Una reacción de primer orden tiene una constante de velocidad $k=0.030\ \text{s}^{-1}$. Su vida media es

$$t_{1/2}=\frac{0.693}{k}=\frac{0.693}{0.030}=23\ \text{s},$$
y, al ser de primer orden, esa vida media permanece constante sin importar cuánto reactivo quede – por lo que después de $46\ \text{s}$ ($2$ vidas medias) queda un cuarto.

Explorar

Rastrear la concentración mientras transcurre la reacción

A medida que se consumen los reactivos, la velocidad disminuye, por lo que una curva de concentración-tiempo es empinada al principio y se aplana. Elevar la temperatura o añadir un catalizador la hace más empinada.

Vocabulario Entrenar
Inglés Chino Pinyin
half-life/hɑːf laɪf/ 半衰期 bàn shuāi qī
reaction mechanism/rɪˈækʃn ˈmekənɪzəm/ 反应机理 fǎn yìng jī lǐ
elementary steps/ˌelɪˈmentəri steps/ 基元反应 jī yuán fǎn yìng
intermediates/ˌɪntəˈmiːdɪəts/ 中间体 zhōng jiān tǐ
5.4

Los pasos que realmente sigue una reacción

Syllabus

Objetivo de Aprendizaje 5.4.A: Representar una reacción elemental como una expresión de ley de velocidad utilizando la estequiometría.

  • 5.4.A.1 La ley de velocidad de una reacción elemental puede deducirse a partir de la estequiometría de las partículas que participan en una colisión.
  • 5.4.A.2 Las reacciones elementales que implican la colisión simultánea de tres o más partículas son raras.

Fuente: College Board AP Course and Exam Description

Un mecanismo de reacción 反应机理 es la secuencia de pasos elementales 基元反应 que ocurren realmente. Su molecularidad (cuántas partículas colisionan en un paso) establece directamente la ley de velocidad de ese paso. Las especies que se producen en un paso y se consumen en otro posterior son intermedios 中间体.

5.5

Por qué las colisiones reaccionan o no

Syllabus

Objetivo de Aprendizaje 5.5.A: Explicar la relación entre la velocidad de una reacción elemental y la frecuencia, energía y orientación de las colisiones de partículas.

  • 5.5.A.1 Para que una reacción elemental produzca productos con éxito, los reactivos deben chocar exitosamente para iniciar eventos de ruptura y formación de enlaces.
  • 5.5.A.2 En la mayoría de las reacciones, solo una pequeña fracción de las colisiones conduce a una reacción. Las colisiones exitosas tienen tanto la energía suficiente para superar los requisitos de energía de activación como orientaciones que permiten que los enlaces se reorganicen de la manera requerida.
  • 5.5.A.3 La curva de distribución de Maxwell-Boltzmann describe la distribución de las energías de las partículas; esta distribución puede utilizarse para obtener una estimación cualitativa de la fracción de colisiones con energía suficiente para dar lugar a una reacción, así como cómo depende esa fracción de la temperatura.

Fuente: College Board AP Course and Exam Description

Teoría de colisiones

Teoría de colisiones: las moléculas deben chocar con suficiente energía (la energía de activación, $E_a$) y la orientación correcta para reaccionar. Una temperatura más alta significa que más moléculas superan $E_a$, por lo que la reacción se acelera rápidamente.

Una colisión solo resulta en reacción si tiene la orientación correcta y suficiente energía
Una colisión solo resulta en reacción si tiene la orientación correcta y suficiente energía
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Qué moléculas superan la energía de activación

Solo las colisiones con energía superior a la energía de activación reaccionan. Calentar desplaza la distribución de velocidades a la derecha, por lo que una fracción mucho mayor de moléculas puede reaccionar.

Vocabulario Entrenar
Inglés Chino Pinyin
Collision theory/kəˈlɪʒn ˈθɪəri/ 碰撞理论 pèng zhuàng lǐ lùn
activation energy/ˌæktɪˈveɪʃn ˈenədʒi/ 活化能 huó huà néng
5.6

Interpretación de un perfil energético

Syllabus

Objetivo de Aprendizaje 5.6.A: Representar la energía de activación y el cambio total de energía en una reacción elemental utilizando un perfil de energía de la reacción.

  • 5.6.A.1 Las reacciones elementales típicamente implican la ruptura de algunos enlaces y la formación de nuevos.
  • 5.6.A.2 La coordenada de reacción es el eje a lo largo del cual se puede trazar el conjunto complejo de movimientos involucrados en la rearrangulación de los reactivos para formar productos.
  • 5.6.A.3 El perfil de energía proporciona la energía a lo largo de la coordenada de reacción, que típicamente avanza desde los reactivos, pasando por un estado de transición, hasta los productos. La diferencia de energía entre los reactivos y el estado de transición es la energía de activación para la reacción directa.
  • 5.6.A.4 La velocidad de una reacción elemental depende de la temperatura porque la proporción de colisiones de partículas que tienen suficiente energía para alcanzar el estado de transición varía con la temperatura. La ecuación de Arrhenius relaciona la dependencia de la temperatura de la velocidad de una reacción elemental con la energía de activación necesaria para que las colisiones moleculares alcancen el estado de transición.
    • Declaración de exclusión: No se evaluarán cálculos que involucren la ecuación de Arrhenius en el Examen AP.

Fuente: College Board AP Course and Exam Description

Perfil energético de una reacción

Un perfil energético 能量图 representa la energía a lo largo del camino de reacción. El punto máximo es el estado de transición; el ascenso desde los reactivos hasta el pico corresponde a $E_a$; la diferencia entre las energías de los reactivos y los productos es el cambio de entalpía $\Delta H$ (negativo en reacciones exotérmicas).

Las reacciones exotérmicas terminan por debajo de los reactivos; las endotérmicas terminan por encima
Las reacciones exotérmicas terminan a menor energía que los reactivos; las endotérmicas terminan a mayor energía
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Leer la energía de activación a partir del perfil

Un perfil energético grafica la energía a lo largo de la reacción. La protuberancia es la energía de activación; la caída desde los reactivos hasta los productos es $\Delta H$. Un catalizador reduce la protuberancia.

Vocabulario Entrenar
Inglés Chino Pinyin
energy profile/ˈenədʒi ˈprəʊfaɪl/ 能量图 néng liàng tú
transition state/trænˈsɪʃn steɪt/ 过渡态 guò dù tài
5.7

La secuencia de pasos

Syllabus

Objetivo de Aprendizaje 5.7.A: Identificar los componentes de un mecanismo de reacción.

  • 5.7.A.1 Un mecanismo de reacción consiste en una serie de reacciones elementales, o pasos, que ocurren en secuencia. Los componentes pueden incluir reactivos, intermediarios, productos y catalizadores.
  • 5.7.A.2 Al combinar los pasos elementales, estos deben coincidir con la ecuación global balanceada de una reacción química.
  • 5.7.A.3 Un intermediario de reacción es producido por algunos pasos elementales y consumido por otros, de modo que solo está presente mientras ocurre la reacción.
  • 5.7.A.4 La detección experimental de un intermediario de reacción es una forma común de recopilar evidencia para apoyar un mecanismo de reacción sobre otro alternativo.
    • Afirmación de exclusión: La recopilación de datos relacionados con la detección de un intermediario de reacción no será evaluada en el Examen AP.

Fuente: College Board AP Course and Exam Description

En un mecanismo multietapa, los pasos deben sumar la ecuación global balanceada (los intermediarios se cancelan). Cada paso tiene su propia barrera energética; la barrera más alta determina el paso más lento.

El paso lento con la barrera más alta es el determinante de la velocidad
El paso lento con la barrera más alta es el determinante de la velocidad
Vocabulario Entrenar
Inglés Chino Pinyin
rate-determining step/reɪt dɪˈtɜːmɪnɪŋ step/ 决速步骤 jué sù bù zhòu
5.8

Determinación de la ley de velocidad a partir de un mecanismo

Syllabus

Objetivo de Aprendizaje 5.8.A: Identificar la ley de velocidad para una reacción a partir de un mecanismo en el cual el primer paso es limitante de la velocidad.

  • 5.8.A.1 Para mecanismos de reacción en los que cada paso elemental es irreversible, o en los cuales el primer paso es limitante de la velocidad, la ley de velocidad de la reacción está determinada por la molecularidad del paso elemental más lento (es decir, el paso limitante de la velocidad).
    • Afirmación de exclusión: La recolección de datos relacionada con la detección de un intermediario de reacción no será evaluada en el Examen AP.

Fuente: College Board AP Course and Exam Description

El paso determinante de la velocidad (rate-determining step) es el paso más lento; su molecularidad determina la ley de velocidad global. Un mecanismo válido debe (1) sumar para dar la reacción global y (2) predecir la ley de velocidad observada experimentalmente.

Ejemplo resuelto. Supongamos que el paso lento (determinante de la velocidad) es la colisión bimolecular $\text{NO}_2+\text{NO}_2\rightarrow\text{NO}_3+\text{NO}$. Su molecularidad proporciona directamente la ley de velocidad: $\text{rate}=k[\text{NO}_2]^2$. Si el experimento muestra exactamente esto, el mecanismo propuesto es consistente; si el experimento arrojara $\text{rate}=k[\text{NO}_2]$, el mecanismo sería incorrecto.

5.9

Cuando el primer paso es rápido

Syllabus

Objetivo de Aprendizaje 5.9.A: Identificar la ley de velocidad de una reacción a partir de un mecanismo en el cual el primer paso no es limitante.

  • 5.9.A.1 Si la primera reacción elemental no es limitante, deben realizarse aproximaciones (como la de pre-equilibrio) para determinar una expresión de la ley de velocidad.

Fuente: College Board AP Course and Exam Description

Si un paso rápido precede al paso lento, un intermedio aparece en la ley de velocidad del paso lento. Utilice el pre-equilibrio rápido para reescribir ese intermedio en términos de los reactivos, de modo que la ley de velocidad final contenga únicamente especies medibles.

5.10

Perfiles energéticos para múltiples pasos

Syllabus

Objetivo de Aprendizaje 5.10.A: Representar la energía de activación y el cambio de energía total en una reacción multietapa mediante un perfil de energía de reacción.

  • 5.10.A.1 El conocimiento de la termodinámica de cada reacción elemental en un mecanismo permite construir un perfil de energía para una reacción multietapa.

Fuente: College Board AP Course and Exam Description

El perfil de una reacción multietapa muestra varios picos (uno por cada paso) con valles (intermedios) entre ellos. El pico más alto corresponde al estado de transición determinante de la velocidad, que controla la velocidad global.

5.11

Cómo los catalizadores aceleran las reacciones

Syllabus

Objetivo de aprendizaje 5.11.A: Explicar la relación entre el efecto de un catalizador en una reacción y los cambios en el mecanismo de reacción.

  • 5.11.A.1 Para que un catalizador aumente la velocidad de una reacción, la adición del catalizador debe aumentar el número de colisiones efectivas y/o proporcionar una trayectoria de reacción con una energía de activación más baja en relación con la coordenada de reacción original.
  • 5.11.A.2 En un mecanismo de reacción que contiene un catalizador, la concentración neta del catalizador es constante. Sin embargo, el catalizador frecuentemente se consume en el paso determinante de la velocidad de la reacción, solo para ser regenerado en un paso posterior del mecanismo.
  • 5.11.A.3 Algunos catalizadores aceleran una reacción al unirse a los reactivo(s). Los reactivos se orientan de manera más favorable o reaccionan con menor energía de activación. A menudo existe un nuevo intermediario de reacción en el cual el catalizador está unido a los reactivo(s). Muchas enzimas funcionan de esta manera.
  • 5.11.A.4 Algunos catalizadores implican enlace covalente entre el catalizador y los reactivo(s). Un ejemplo es la catálisis ácido-base, en la cual un reactivo o intermediario gana o pierde un protón. Esto introduce un nuevo intermediario de reacción y nuevas reacciones elementales que involucran a dicho intermediario.
  • 5.11.A.5 En la catálisis superficial, un reactivo o intermediario se une a la superficie o forma un enlace covalente con ella. Esto introduce reacciones elementales que involucran a estos nuevos intermediarios de reacción unidos.

Fuente: College Board AP Course and Exam Description

Un catalizador 催化剂 acelera una reacción proporcionando una nueva vía con una energía de activación más baja, sin ser consumido. No cambia $\Delta H$ ni la posición del equilibrio, solo la velocidad a la que se alcanza el equilibrio. En un perfil energético, un catalizador reduce los pico(s).

Un catalizador ofrece una ruta con menor energía de activación; el cambio de entalpía permanece sin cambios
Un catalizador ofrece una ruta con menor energía de activación; el cambio de entalpía permanece sin cambios
5.11

Consejos para el examen

  • La velocidad aumenta con la concentración, temperatura, área superficial y un catalizador — explique cada uno con la teoría de colisiones (más o más energéticas las colisiones efectivas).
  • La temperatura actúa principalmente al permitir que haya más partículas por encima de la energía de activación, no simplemente al aumentar el número de colisiones.
  • Los órdenes de reacción provienen de experimentos, no de los coeficientes estequiométricos balanceados — observe cómo cambia la velocidad cuando se varía la concentración de un reactivo.
  • En un perfil energético, la altura de la "colina" es la energía de activación y la diferencia entre reactivos y productos representa $\Delta H$.
  • Un catalizador disminuye la energía de activación (mediante una nueva vía) pero deja $\Delta H$ y la posición del equilibrio sin cambios.

Lecciones interactivas sobre este tema

Trátalo paso a paso, con ejercicios de verificación instantánea.

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