Cinética química

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La cinética química o cinética de las reacciones químicas es una rama de la química física que estudia los patrones de las reacciones químicas en el tiempo , la dependencia de estos patrones de las condiciones externas, así como los mecanismos de las transformaciones químicas [1] .

El tema de la cinética química es el estudio de todos los factores que afectan la velocidad tanto del proceso general como de todas las etapas intermedias.

Conceptos básicos

Una reacción homogénea es una reacción en la que los reactivos están en la misma fase.

Una reacción heterogénea es una reacción que ocurre en los límites de fase: entre una sustancia gaseosa y una solución , entre una solución y una sustancia sólida, entre una sustancia sólida y gaseosa.

Una reacción se llama simple si el producto se forma como resultado de la interacción directa de moléculas (partículas) de reactivos .

Una reacción se denomina compleja si el producto final se obtiene como resultado de dos o más reacciones simples (actos elementales) con formación de productos intermedios [2] .

La velocidad de una reacción química

Un concepto importante en la cinética química es la velocidad de una reacción química . Este valor determina cómo cambia la concentración de los componentes de la reacción con el tiempo. La velocidad de una reacción química es siempre un valor positivo, por lo tanto, si está determinada por la sustancia inicial (cuya concentración disminuye durante la reacción), el valor resultante se multiplica por −1.
Por ejemplo, para una reacción, la velocidad se puede expresar como:

A+B\a C+D,

v={\frac {\parcial C}{\parcial t}}=-{\frac {\parcial A}{\parcial t}}.

En 1865, N. N. Beketov y en 1867 K. M. Guldberg y P. Waage formularon la ley de acción de masas , según la cual la velocidad de una reacción química en un momento dado es proporcional a las concentraciones de reactivos elevadas a algunas potencias . Además de la concentración, los siguientes factores influyen en la velocidad de una reacción química: la naturaleza de los reactivos, la presencia de un catalizador , la temperatura ( regla de van't Hoff ) y el área de la interfase .

Métodos experimentales de cinética química

Los métodos experimentales de cinética química se dividen en químicos , físicos , bioquímicos , según el método para medir la cantidad de una sustancia o su concentración durante una reacción.

Los métodos químicos incluyen métodos cinéticos basados en métodos tradicionales de análisis químico cuantitativo : titrimétrico , gravimétrico , etc.

En la cinética experimental moderna, varios métodos espectrales se encuentran entre los métodos físicos más utilizados. Estos métodos se basan en mediciones, generalmente de los espectros de absorción de reactivos o productos en las regiones ultravioleta , visible e infrarroja . Los espectros de resonancia paramagnética electrónica (EPR) y resonancia magnética nuclear (RMN) también se utilizan ampliamente [3][ página no especificada 1100 días ] .

Orden de una reacción química

El orden de la reacción para una sustancia dada es el exponente a la concentración de esta sustancia en la ecuación de reacción cinética .

Reacción de orden cero

La ecuación cinética tiene la siguiente forma:

V_{0}=k_{0}

La velocidad de una reacción de orden cero es constante en el tiempo y no depende de las concentraciones de los reactivos. El orden cero es típico, por ejemplo, para reacciones heterogéneas si la velocidad de difusión de los reactivos a la interfase es menor que la velocidad de su transformación química.

Reacción de primer orden

Ecuación cinética de la reacción de primer orden:

V_{1}=k_{1}\cdot C=-{\frac {dC}{d\tau}}

Reduciendo la ecuación a una forma lineal se obtiene la ecuación:

C(\tau )=C_{0}\cdot e^{-k_{1}\tau }

La constante de velocidad de reacción se calcula como la tangente de la pendiente de la línea recta al eje del tiempo:

k_{1}=-{\mathrm {tg}}\alfa

Media vida:

\tau _{{{\frac {1}{2}}}}={\frac {\ln 2}{k_{1}}}

Reacción de segundo orden

Para reacciones de segundo orden, la ecuación cinética tiene la siguiente forma:

V=k_{2}{C_{A}}^{2}

V=k_{2}C_{A}\cdot C_{B}

En el primer caso, la velocidad de reacción está determinada por la ecuación:

V=k_{2}{C_{A}}^{2}=-{\frac{dC}{d\tau}}

Forma lineal de la ecuación:

{\frac {1}{C}}=k_{2}\cdot \tau +{\frac {1}{C_{0}}}

La constante de velocidad de reacción es igual a la tangente de la pendiente de la línea recta al eje del tiempo:

k_{2}=-{\mathrm {tg}}\alfa

k_{2}={\frac {1}{\tau}}\left({\frac {1}{C}}-{\frac {1}{C_{0}}}\right)

En el segundo caso, la expresión de la constante de velocidad de reacción se verá así:

k_{2}={\frac {1}{\tau (C_{{0,A}}-C_{{0,B}})))}\ln {\frac {C_{{0,B}} \ cdot C_{A}}{C_{{0,A}}\cdot C_{B}}}

Vida media (¡para el caso de concentraciones iniciales iguales!):

\tau _{({\frac {1}{2}}}}={\frac {1}{k_{2}}}\cdot {\frac {1}{C_{0}}}

Molecularidad de la reacción

La molecularidad de una reacción elemental es el número de partículas que, según el mecanismo de reacción establecido experimentalmente, participan en un acto elemental de interacción química.

Reacciones monomoleculares : reacciones en las que se produce una transformación química de una molécula ( isomerización , disociación , etc.):

{\mathsf {H_{2}S\rightarrow H_{2}+S}}

Reacciones bimoleculares : reacciones cuyo acto elemental se lleva a cabo mediante la colisión de dos partículas (idénticas o diferentes):

{\mathsf {CH_{3}Br+KOH\rightarrow CH_{3}OH+KBr))

Reacciones trimoleculares : reacciones cuyo acto elemental se lleva a cabo mediante la colisión de tres partículas:

{\mathsf {NO+NO+O_{2}\rightarrow 2NO_{2))}

Para reacciones elementales realizadas a concentraciones cercanas de las sustancias de partida, los valores de molecularidad y orden de la reacción son los mismos. No existe una relación claramente definida entre los conceptos de molecularidad y orden de reacción, ya que el orden de reacción caracteriza la ecuación cinética de la reacción y la molecularidad caracteriza el mecanismo de reacción.

La colisión simultánea de más de tres moléculas es casi imposible. Los coeficientes estequiométricos grandes en la ecuación de reacción (la suma de los coeficientes es mayor que 3) indican un mecanismo de reacción complejo.

Catálisis

La catálisis es el proceso de cambiar la velocidad de las reacciones químicas en presencia de sustancias llamadas catalizadores. Las reacciones catalíticas son reacciones que tienen lugar en presencia de catalizadores .

La catálisis se denomina positiva, en la que aumenta la velocidad de reacción, negativa ( inhibición ), en la que disminuye. Un ejemplo de catálisis positiva es la oxidación de amoníaco sobre platino para producir ácido nítrico . Un ejemplo de negativo es una disminución de la velocidad de corrosión cuando se introduce en un líquido en el que se opera con metal , nitrito de sodio , cromato y dicromato de potasio .

Muchas de las industrias químicas más importantes, como la producción de ácido sulfúrico , amoníaco , ácido nítrico , caucho sintético , una serie de polímeros , etc., se llevan a cabo en presencia de catalizadores.

Catálisis en bioquímica

La catálisis enzimática está indisolublemente ligada a la actividad vital de los organismos vegetales y animales . Muchas reacciones químicas vitales que tienen lugar en una célula (unas diez mil) están controladas por catalizadores orgánicos especiales llamados enzimas o enzimas . No se debe prestar mucha atención al término "especial", ya que ya se sabe de qué están compuestas estas enzimas. La naturaleza eligió para esto un solo material de construcción: los aminoácidos y los conectó en cadenas polipeptídicas de varias longitudes y en diferentes secuencias.

Esta es la denominada estructura primaria de la enzima, donde R son residuos secundarios, o los grupos funcionales más importantes de las proteínas , que posiblemente actúan como centros activos de las enzimas. Estos grupos laterales son la carga principal durante el trabajo de la enzima, mientras que la cadena peptídica desempeña el papel de un esqueleto de soporte. Según el modelo estructural de Pauling-Corey, se pliega en espiral, que normalmente se estabiliza mediante enlaces de hidrógeno entre los centros ácido y básico:

Para algunas enzimas se ha establecido la composición completa de aminoácidos y la secuencia de su disposición en la cadena, así como una estructura espacial compleja. Pero esto todavía muy a menudo no puede ayudarnos a responder dos preguntas principales:

¿Por qué las enzimas son tan selectivas y aceleran las transformaciones químicas de moléculas de una estructura muy específica (que también conocemos)?
¿Cómo baja la enzima la barrera energética , es decir, elige un camino energéticamente más favorable, debido al cual las reacciones pueden proceder a temperatura ordinaria?

La selectividad estricta y la alta velocidad son las dos características principales de la catálisis enzimática, que la distinguen de la catálisis industrial y de laboratorio. Ninguno de los catalizadores hechos por el hombre (con la posible excepción de la 2-hidroxipiridina) puede compararse con las enzimas en términos de fuerza y selectividad de su efecto sobre las moléculas orgánicas.

La actividad de una enzima, como la de cualquier otro catalizador, también depende de la temperatura: al aumentar la temperatura, también aumenta la velocidad de la reacción enzimática. Al mismo tiempo, llama la atención una fuerte disminución de la energía de activación E en comparación con la reacción no catalítica . Es cierto que esto no siempre sucede. Hay muchos casos en los que la velocidad aumenta debido a un aumento en el factor preexponencial independiente de la temperatura en la ecuación de Arrhenius .

Tipos de reacciones enzimáticas

Escriba "ping-pong" : la enzima primero interactúa con el sustrato A, le quita cualquier grupo químico y lo convierte en el producto correspondiente. Luego, el sustrato B se une a la enzima y recibe estos grupos químicos. Un ejemplo son las reacciones de transferencia de grupos amino de aminoácidos a cetoácidos : transaminación .
Tipo de reacciones secuenciales : los sustratos A y B se unen secuencialmente a la enzima, formando un "complejo triple", después de lo cual ocurre la catálisis. Los productos de reacción también se escinden secuencialmente de la enzima.
El tipo de interacciones aleatorias : los sustratos A y B se unen a la enzima en cualquier orden, al azar, y después de la catálisis también se separan.

Equilibrio

Constante de equilibrio químico

Notas

↑ Cinética química // Enciclopedia química : en 5 volúmenes / Cap. Ed.: I. L. Knunyants (T. 1-3), N. S. Zefirov (T. 4-5). - M. : Enciclopedia soviética (V. 1-2); Gran Enciclopedia Rusa (T. 3-5), 1988-1998. - ISBN 5-85270-008-8 .
↑ Yershov Yu.A. Química general Química biofísica Química de elementos biogénicos. - Moscú: Escuela Superior.
↑ Yu.A. Ershov, V. A. Popkov, A. S. Berlyand, A. Z. Escriba. Química general: química biofísica, química de elementos biogénicos. - Edición 8, estereotipada. - Moscú: "Escuela Superior", 2010.

Enlaces

Cinética química y catálisis Conferencias de A. A. Kubasov, Ph.D. PhD, Profesor Asociado, Departamento de Química Física, Facultad de Química, Universidad Estatal de Moscú.
Knorre D. G. , Emanuel N. M. Curso de cinética química. 4ª edición, M .: Escuela superior, 1984. - 463 p.
V. I. Korobova, V. F. Ochkova "Cinética química: Introducción con Mathcad/Maple/MCS" M.: Hotline-Telecom, 2009.
G. S. Yablonsky, V. I. Bykov, A. N. Gorban, Modelos cinéticos de reacciones catalíticas , Novosibirsk: Nauka (Siberian Branch), 1983.- 255 p.

diccionarios y enciclopedias	Gran catalán gran ruso alrededor del mundo Britannica (en línea) universalis
En catálogos bibliográficos	TIERRA : 4048655-2 J9U : 987007285072205171 LCCN : sh85022951 NKC : ph125038

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