Universidad de Santiago de Chile Facultad de Ingeniería Depto. Ingeniería Geográfica Ingeniería Ambiental
2015 Cinética Química
Fabián Flandes Glenewinkel Gonzalo Sánchez Carracedo. Víctor Valdivia Soto. Simulación de sistemas ambientales 01/11/2015
Problema N°1 Para la reacción A+B -- productos, se han realizado cuatro experiencias en las que se determinan las velocidades iniciales de reacción para diferentes concentraciones de reactivos. Los resultados se muestran en la siguiente tabla: Experiencia 1 2 3 4
[A](mol/L) 1,0 2,0 1,0 2,0
[B](mol/L) 0,5 1,0 1,0 0,5
-1 -1
Vreacc (mol L S ) -3 1,2 *10 -3 9,6*10 -3 2,4*10 -3 4.8*10
(a) indica los órdenes parciales de la reacción y el orden global. (b) escribe la ecuación de velocidad. (c) en que unidades se medirá la constante de V. (d) ¿Cuánto valdría la velocidad de reacción si las concentraciones iniciales fueran 1,5 (mol/L) para A y para B? Desarrollo: 1) ¿Que están preguntando? En el ejercicio planteado preguntan por los órdenes parciales de la reacción, el orden global, la ecuación de velocidad, las unidades de la constante de V y cuanto valdría la velocidad de reacción con A=B=1,5(mol/L). 2) ¿Cómo lo resolveremos? Primero buscaremos la materia con la cual tiene relación las preguntas, de manera que recordemos esta unidad ya que fue vista durante el transcurso de nuestra carrera. Una vez leída, comenzaremos a desarrollar pregunta por pregunta comparando el procedimiento con ejercicios ya resueltos. 3) ¿Qué herramientas matemáticas emplearemos? Utilizaremos la ley de la velocidad ya que esta expresa la relación de la velocidad con la concentración de los reactivos, además compararemos las experiencias para ver qué tipo de patrón o relación hay entre un experimento y otro. 4) ¿Cuáles asignaturas que ya aprobó y/o curso en USACH, son aplicables y porque? Las asignaturas aplicables a este ejercicio son, química general, química inorgánica y orgánica química ambiental; en estas tres asignaturas se vió la materia expuesta en el ejercicio planteado y teoría de sistemas nos ayuda a ver el ejercicio de una manera sistemática y ordenada.
Respuesta (a): Para determinar los órdenes parciales de los componentes de la reacción, debemos comparar entre los experimentos dejando un reactivo fijo y observando la variación de la concentración del otro, junto con la variación de velocidad. Tomamos experiencia 1 y 3, mantenemos fijo la concentración del reactivo A, observando las variaciones de B, expresadas en la siguiente tabla: experiencia
[A] (mol/l)
B(mol/L)
V reacc (mol L-1 s-1)
1 3
1,0 1,0
0,5 1,0
1,2 *10 -3 2,4*10
-3
Por consiguiente vemos que la concentración del reactivo B se duplica al igual que la velocidad de reacción, esto significa que es una reacción de primer orden en donde B =1. Luego se toma la experiencia 1 y 4 dejando constante al reactivo B: Experiencia 1 4
[A](mol/L) 1,0 2,0
[B](mol/L) 0,5 0,5
-1 -1
Vreacc (mol L S ) -3 1,2 *10 -3 4.8*10
En este cado vemos que la concentración de A se duplica y la relación entre las velocidades de reacción se cuadruplica, esto significa que el reactivo A presenta un orden de reacción igual a 2 (A=2). Ahora que se conocen los valores de orden de reacción de A y B, se puede obtener el orden de reacción global, la cual corresponde a la suma de los órdenes de reacción parciales, por lo que el orden global es igual a 3. En resumen: A=2, B=1, orden global= A+B= 3 Respuesta (b):
V=K [A]2[B] Dónde: K= constante de velocidad. A= concentración reactivo A B= concentración reactivo B La formula cinética se puede trabajar a cualquier concentración de A y B conociendo la constante K de velocidad; es genérica.
Respuesta (c): La constante de velocidad se expresa en las siguientes unidades:
Respuesta (d): Para conocer la velocidad de reacción primero debe saber el valor de K, para ello utilizamos cualquier valor de velocidad de reacción de la tabla, en este caso se utilizara los valores de experimento 1:
Al conocer la constante K podemos obtener el valor de la velocidad de reacción:
Problema N°2 Se ha estudiado una reacción química que obedece al tipo . Tras diversos ensayos se sabe que la velocidad se duplica al duplicar la concentración de A y se reduce a la cuarta parte al reducir a la mitad de la concentración de B. Calcula el orden de reacción global. ¿Cómo es su ecuación de velocidad? ¿En cuánto ha de aumentarse la concentración de A para cuadruplicar la velocidad de la reacción? ¿Y la de b para lograr el mismo objetivo? Desarrollo: 1) ¿Que están preguntando? En el ejercicio planteado preguntan por la ecuación de velocidad y en cuanto se debe aumentar la concentración de (A) para cuadruplicar la velocidad de reacción, por último se determina en cuanto debe aumentar la concentración de (B) para obtener el mismo resultado. 2) ¿Cómo lo resolveremos? Primero se debe determinar la ecuación de velocidad de acuerdo a la materia enviada, contando con esta información se pueden establecer las relaciones de cuanto se debe aumentar la concentración de (A) y (B) para obtener el resultado esperado. 3) ¿Qué herramientas matemáticas emplearemos? Utilizaremos la ley de la velocidad ya que esta expresa la relación de la velocidad con la concentración de los reactivos.
4) ¿Cuáles asignaturas que ya aprobó y/o curso en USACH, son aplicables y porque? Las asignaturas aplicables a este ejercicio son, química general, química inorgánica y orgánica química ambiental; en estas tres asignaturas se vio la materia expuesta en el ejercicio planteado y teoría de sistemas nos ayuda a ver el ejercicio de una manera sistemática y ordenada.
Ecuación de velocidad de una reacción irreversible:
Si se duplica (A) implica que se duplica la velocidad por lo que se vuelve de primer orden parcial. Si (B) se divide en dos la velocidad se vuelve la cuarta parte por eso depende del cuadrado de (B) por lo que se vuelve de segundo orden parcial
Reemplazando se obtiene una ecuación de velocidad de:
Aumentar (A) para cuadruplicar la velocidad: Se debe cuadruplicar (A) porque es función directa de la velocidad de reacción Aumentar (B) para cuadruplicar la velocidad: Solo se duplica porque la velocidad depende de su cuadrado.
Problema N°3 Para la reacción:
Se han obtenido los siguientes datos relativos a la constante de velocidad: T(K) 375 430
Cte. De velocidad k 1,60 7,50
a) Calcular Ea b) A la vista de las unidades de k, indica de que orden es la reacción
Desarrollo: 1) ¿Que están preguntando? En el problema número tres se pregunta por la energía de activación de la ecuación dada y el orden de la ecuación en base a la contante cinética. 2) ¿Cómo lo resolveremos? Se comenzara investigando sobre el concepto energía de activación y buscando las formulas para calcularla con los datos que nos da el ejercicio. Luego se buscara cual es la relación entre orden de reacción y constante cinética 3) ¿Qué herramientas matemáticas emplearemos? Luego de la investigación la herramienta matemática a utilizar será la ecuación de Arrhenius linealizada para dos puntos ya que de forma lineal es más fácil de trabajar. 4) ¿Cuáles asignaturas que ya aprobó y/o curso en USACH, son aplicables y porque? Las asignaturas que podemos aplicar en este ejercicio son, química general y química ambiental ya que en ambas fue vista esta materia y desarrollado este tipos de ejercicios.
Respuesta (a) Como ya se dijo anteriormente la ecuación para resolver el ejercicio es la ecuación de Arrhenius linealizada para dos puntos que se muestra a continuación:
Se asume R = 8,31 (J/Kmol), reemplazando obtenemos:
Desarrollamos:
Respuesta (b) En base a las unidades de k la reacción es de orden 2.
Problema N° 4 Mediante tres ejemplos para cada literal, vinculados a temáticas ambientales (1 ejemplo para matriz agua, 1 ejemplo para matriz ire y 1 ejemplo para matriz suelo), avale o refute las siguientes aseveraciones: a) b) c) d) e)
La velocidad de una reacción aumenta con el tiempo La temperatura no influye en la velocidad Un catalizador altera la cantidad de producto obtenido Un catalizador varia la entalpia de reacción La presión solo influye en reacciones en fase gaseosa
Desarrollo: 1) ¿Que están preguntando? Nos piden evaluar diferentes afirmaciones que incluyen relaciones entre distintas variables que afectan a las reacciones químicas 2) ¿Cómo lo resolveremos? Buscando información bibliográfica que nos ayuda de refutar o comprobar las diferentes aseveraciones. 3) ¿Qué herramientas matemáticas emplearemos? En esta pregunta no se utilizaran herramientas matemáticas. 4) ¿Cuáles asignaturas que ya aprobó y/o curso en USACH, son aplicables y porque? Las asignaturas aplicables en este problema son, química general, química organica e inorgánica y química ambiental ya que en las tres fue vista la materia necesaria para responder las preguntas. Eutrofización (perdida de oxigeno de ambientes acuáticos): a) Falso: Como la relación entre concentración de reactantes y la velocidad de reacción es directamente proporcional, a medida que avanza el tiempo la velocidad de reacción disminuye ya que la concentración de los reactantes disminuye porque la eutrofización no es una reacción reversible. b) Falso: La temperatura si influye en la velocidad de propagación de la eutrofización porque su alza ayuda a la descomposición de materia orgánica presente en el agua y a una mayor concentración de materia orgánica de facilita el proceso de eutrofización c) Falso: ya que un catalizador acelerara la reacción hasta pero el producto depende los reactantes por lo que se forma la misma cantidad de producto con o sin el, su única implicancia es en obtener el producto de manera mas rápida d) Falso: un catalizador es un compuesto que lo único que hace es aumentar o disminuir la velocidad de una reacción química. Otro efecto que tienen es bajar la energía de activación del compuesto (la energía de activación es la energía mínima que debe haber para que pueda darse determinada reacción), por ello suceden "más rápido". e) Falsa: la presión si afecta en reacciones en fase liquida como la eutrofización, la relación P/T° tienen directa relación en la cantidad de OD (oxigeno disuelto) en el agua que afecta considerablemente en el tiempo de reacción de la eutrofización
Contaminación atmosférica: a) Falso: En la formación del ozono troposférico este se descompone en oxigeno y ozono para luego volver a formar ozono ( por lo que se vuelve un reacción cíclico es decir el producto se forma con el reactante y el reactante se vuelve producto por lo que la concentración no varía, por ende la velocidad de reacción no varía paso del tiempo.
b) Falso: La radiación solar no solo calienta la atmosfera planetaria, es causante de los desequilibrios de la química atmosférica, debido a la iniciación de procesos químicos y consecuentemente a los cambios fotoquímicas primarios, es decir a los choques intermoleculares de las velocidades de reacción de toda la gama de contaminantes. Es decir la luz y el calor intervienen en la velocidad de reacción. c) Falso: Los residuos eliminados por las fuentes móviles y fijas catalizan la reacción de formación de ozono troposférico acelerando su formación. Como acelera el proceso no altera la cantidad de producto, solo acelera el proceso. d) Falso: un catalizador no varía la entalpia de reacción solo el proceso de activación e) Verdadero: En el caso de la matriz de aire sí, porque todas las reacciones ocurren en fase gaseosa debido a que se encuentran en ese estado en la atmosfera, por ejemplo la dispersión de los contaminantes en la atmosfera depende de los sistemas altas y bajas presiones que hayan. Ciclo Materia orgánica (ejemplo de suelo): a) La velocidad de una reacción aumenta con el tiempo: esta aseveración es dudosa ya que como se sabe con respecto a la ejemplo, las reacciones que ocurren en el proceso orgánico no son reversibles, esto quiere decir que la formación de reactivos y productos no es en ambas direcciones , pero, siempre hay generación de materia orgánica debido a muerte de vegetación y residuos orgánicos , por lo que siempre hay materia prima para volver al ciclo de descomposición y mineralización de materia orgánica. b) La temperatura no influye en la velocidad: (falsa) la temperatura si influye en la velocidad de reacción, ya que dentro del proceso de materia orgánica, exciten subprocesos como la descomposición y mineralización que como resultado de estos procesos se crea humus. Dentro de los factores que influyen en la intensidad del proceso de humificación (aumento o disminución del humus) está la temperatura, un aumento de ésta acelera el proceso de mineralización (consiste en la trasformación de un elemento desde la forma orgánica a una inorgánica por actividad de microorganismo) y disminuye la síntesis de humus. c) Un catalizador altera la cantidad de producto obtenido: esta aseveración es falsa hasta cierto punto ya que dentro del proceso de mineralización de descomposición de materia orgánica, existen enzimas extracelulares liberadas por vegetales y microorganismo los cuales son capaces de aprovechar la energía que contienen las unidades orgánicas básicas que se separan en la descomposición y oxidarlas por medio de enzimas intracelulares, por lo que su función como enzimas es catalizar el proceso , pero el producto final sigue siendo el mismo. d) Un catalizador varía la entalpia de reacción: esta aseveración es falsa ya que un catalizador no varía la entalpia de reacción solo la energía de activación.
e) La presiรณn solo influye en reacciones en fase gaseosa: esta aseveraciรณn es falsa con respecto al ejemplo ya que dentro del proceso de compactaciรณn de la materia orgรกnica, por presiรณn y humedad la materia se comprime, formando terrones compactados llamados coloides.