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La cinética química estudia la velocidad de las reacciones y aporta datos sobre los factores que afectan su velocidad y los mecanismos que permiten que ocurra la reacción.

Cuando un incendio está en acción las llamas desprenden calor con un comportamiento propio de una reacción rápida y exotérmica. Quienes son responsables de aplacarlo actúan bajo el principio de la Cinética Química para disminuir su fuerza y evitar su propagación.

El incendio es reducido como consecuencia de la absorción del calor que el agua genera sobre el fuego.

Al disminuir la temperatura, según la cinética química; la reacción se hace más lenta.

Datos de interés para el lector

En nuestros cuerpos ocurren reacciones químicas que son perfectamente mediales y que cumplen el tema que llevamos a cabo.

Dichas reacciones son perturbadas cuando existen cambios bruscos en nuestro organismos. La fiebre que eleva la temperatura y afectan la velocidades de reacción.

Así mismo, en rutinas tan comunes como la de refrigerar los alimentos para ralentizar la reacción de putrefacción.

En ese sentido la cinética química abarca más espacio del que imaginamos.

La labor del futuro ingeniero químico es aplicar estos principios a fin de aportar soluciones que permitan las condiciones necesaria para producir materiales con una velocidad de reacción útil y accesible.

Temas asociados a la Cinética Química

En el estudio del tema notaremos que nos sera necesario tocar algunos puntos relacionados a este.

Por lo que será necesario familiarizarnos con algunos conceptos tales como:

• Velocidad de reacción y los factores que afectan su velocidad
• Efecto de la concentración sobre la velocidad de reacción
• Ley diferencial de velocidad y Orden parcial y orden total de la reacción
• Reacciones de orden uno, orden dos y orden cero
• Tiempo de vida media
• Efecto de la temperatura sobre la velocidad de reacción
• Energía de activación y la Ecuación de Arrhenius

He aquí la lista completa de materiales asociados con la cinética química

Conceptos básicos de la Cinética Química

Para lograr una mejor comprensión de la Cinética Química, es necesario familiarizarnos  con algunos conceptos básicos que describiremos a continuación.

Quizá resulte tedioso tener que repasar esto pero en ocasiones resulta útil esta información fresca en nuestra memoria de modo que lo que veremos ahora nos ayudara mas adelante cuando hablemos de la cinética química y otros temas con mayor profundidad.

Sistemas

Es un módulo o conjunto ordenado de elementos que se encuentran interrelacionados  y que interactúan entre sí.

Es la parte del universo, el objeto de nuestro estudio.

Un sistema puede ser tan grande como el universo mismo o tan pequeño que se pueda colocar en un tubo de ensayo para ser estudiado.

Para efectos nuestros, el sistema los constituye las sustancias que pueden ser modificadas ante un cambio químico, físico o biológico.

Por ejemplo.

Para una reacción química, se tiene:

A + B → C + D + Los alrededores = Universo

Lo que tenemos en el ejemplo mostrado es el cambio químico que se produjo de nuestro sistema en estudio.

Los alrededores  es la parte del universo donde se manifiesta la interacción de un sistema.

De acuerdo a la transferencia de energía (como el calor o trabajo) y materia entre el sistema y sus alrededores, los sistemas se clasifican en:

Sistemas Abiertos

Aquel que puede intercambiar libremente energía y materia con sus alrededores.

Ejemplo de ello, es una taza con café. Es un sistema que desprende calor libremente e intercambia materia en forma de vapor de agua.

 

Sistemas Cerrados

Es similar a los sistemas abiertos, solo que este no puede intercambiar materia.

Imaginemos la taza de café con un plato que encima o veamos en la imagen a continuación.

Un embace que recibe calor de sus alrededores pero que no es capaz de intercambiarlo por encontrarse cerrado.

 

 

Sistemas Aislados

Es un sistema que no puede intercambiar energía ni materia con sus alrededores.

En un sistema aislado no hay interacción a través de las paredes del sistema.

Como se puede apreciar en la imagen, los envases térmicos mantienen el contenido aislado de manera de conservar su temperatura. Esto se logra aislando la sustancia contenida en él.

 

Ahora bien, dado que nuestros sistemas en estudios son reacciones químicas, se pueden clasificar de acuerdo al estado físico de los reactantes y productos.

• Sistemas Homogéneos

Es aquel que transcurre en una sola fase; generalmente gaseosa o en disolución acuosa.

 N_{2 (g)} + 3 H_{2 (g)} → 2 NH_{3 (g)}

Aquí tenemos un sistema homogéneo compuesto por gases.

NaOH _(ac) + HNO_{3 (ac)} → H2O_(l)  + NaNO_{3 (ac)} 

Y en esta un sistema homogéneo en disolución acuosa.

• Sistemas Heterogéneos

Es un sistema compuesto por dos ó más fases.

Ejemplo de ello es una reacción en la que interviene un solido y una solución acuosa.

Al _(s)+ HNO_{3 (ac)} → H2_(g)  + Al(NaNO₃)_{3 (ac)}

 

Variables

Cualquier sistema está definido por un grupo de variables o propiedades  que establecen el estado o condición del sistema.

Entre las variables más empleadas se mencionan: La temperatura, la masa, el volumen, la presión y la composición.

Estas variables se clasifican en:

a- Variables extensivas: Aquellas que dependen del tamaño o la cantidad de la muestra  que se estudia.

Ejemplo: La masa y el volumen

b- Variables Intensivas: Aquella que NO depende del tamaño o de la cantidad de la muestra que se estudia.

Ejemplo: La temperatura, la presión y la composición.

Calor de Reacción (Q_r, q_r)

Es la cantidad de calor intercambiada entre un sistema y sus alrededores cuando tiene lugar una reacción química en el seno del sistema, a temperatura y presión constante por lo tanto, bajo estas condiciones el calor de reacción se conoce como Entalpia del sistema.

Calor de reacción = Entalpia (Temperatura y Presión constante)

Q_r  = ΔH 

i- Función de estado: 

Es aquella que tiene un único valor cuando el estado o condiciones del sistema están definidos.

La Entalpia del sistema es una Función de estado

ii- Entalpia de reacción:

Es el calor absorbido o desprendido en un proceso a temperatura y presión constante; se expresa en KJ/Mol

Entalpia de reacción estándar ΔH° 

ΔH° = ∑N_pΔH°_j(Productos) – ∑N_rΔH°_{f(reactantes)} 

Vamos a aplicar lo aprendido hasta ahora mediante un sencillo problema en donde se requiere determinar la Entalpia de combustión estándar de una determinada especie.

1) Determine la entalpía de combustión estándar del etano.

7/2O_2(g) + C₂H_{6 (g)} → 2CO_2(g)  + 3H₂O_(l)

Sabiendo que:

ΔH°_f C₂H₆  = – 84,68 KJ/Mol                        ΔH°_f H₂O  = – 285,8 KJ/Mol

ΔH°_f CO₂  = – 393,5 KJ/Mol                           ΔH°_f O₂  = O

NOTA: La entalpía de combustión estándar de un elemento puro en su forma más estable es igual a cero. Ejemplo: Na; N₂; O₂;…

Resolviendo se tiene:

ΔH° = (2ΔH°_f(CO2) + 3ΔH°_f(H2O)) – (ΔH°_j(C2H6) + 7/2ΔH°_j(O2))

Recordemos que la entalpia de reacción estándar de las sustancias puras en forma más estable es igual a cero de modo que siendo ΔH°_f O₂  = O la expresión 7/2ΔH°_j(O2) = 0

Sustituyendo los datos tenemos que:

ΔH° = (2*(- 393,5) + 3*(- 285,8)) – (1*(- 84,68)) 

ΔH° = 1559,7 KJ/Mol

De acuerdo al valor de la Entalpia del sistema, las reacciones químicas se clasifican.

Reacciones Endotérmicas

Este tipo de reaccione son las responsables de producir una disminución de la temperatura de un sistema aislado, también son las responsables en lograr que un sistema no aislado gane calor a costa de sus alrededores. En consecuencia, absorbe calor de sus alrededores.

El valor de la Entalpia es positiva ΔH° > 0

Ejemplo:

O_2(g) + N_2 (g)+Q → 2NO_(g)  ⇒ ΔH° > 0

Reacciones Exotérmicas

Son aquellas que producen un aumento de la temperatura de un sistema aislado o hacen que un sistema no aislado ceda calor a sus alrededores. En conclusión, pierde calor.

El valor de la Entalpia es negativa ΔH° < 0

2H_2(g) + O_2 (g) → 2H₂O_(g)+Q    ⇒ ΔH° < 0

Observe que una de las formas de saber si una reacción es endotérmica o exotérmica es fijándose en el valor de la Entalpía, esta nos ayudara a descubrir qué tipo de reacción es.

En los próximos artículos estaremos abordando el tema de la Cinética Química con mayor profundidad de modo que se pueda llegar a una comprensión máxima del tema, además tendremos la resolución de algunos problemas que involucran la Cinética Química.

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