martes, 12 de abril de 2022

6. Velocidades de aparición y desaparición | ⏩ Cinética química | Joseleg

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 Una vez que hemos logrado unificar una sola definición para la rapidez promedio de la reacción, ahora debemos proponer las velocidades de aparición de producto y desaparición de reactivo que simbolizaremos usando el símbolo de rapidez de reacción y los símbolos de las sustancias respectivas como subíndices: rr = rapidez de desaparición del reactivo; rp = rapidez de aparición del producto. Si no conocemos si la sustancia es un reactivo o un producto, es decir para proponer la forma más general de la ecuación, usaremos el subíndice (i).

Negativos y positivos

Por definición si calculamos la rapidez de reacción para un reactivo, nos daremos cuenta que la concentración final es menor que la concentración inicial, de allí que la rapidez de la reacción de un reactivo es negativa, y una pendiente negativa implica una recta descendente, o una curva descendente en caso de que tengamos muchos valores diferentes de rapidez promedio.

el problema es que por convención, cuando expresamos los valores del rap de desaparición para la solución de muchos ejercicios de lápiz y papel, ofrecemos valores de solución positivos, puesto que estamos calculando el negativo de la rapidez de desaparición -r(reactivo), de manera implícita, lo cual puede llegar a causar confusiones cuando tratamos de relacionar la rapidez de la reacción que aparece en una gráfica o experimento “que nuevamente por definición del cálculo es una pendiente con signo negativo porque desciende”, en contraste con la rapidez de desaparición que ofrecemos en las soluciones de los ejercicios de lápiz y papel, que por convención son valores positivos.

dado que la vasta mayoría de libros de texto realiza esta incongruencia, no la podremos corregir en este curso de química general, simplemente la vamos a advertir. y cuando nos toque calcular la rapidez de la desaparición de un reactivo, y sepamos de antemano que tengo que dar una solución positiva porque así lo dicta el solucionario un libro de texto, expondré el parámetro de rapidez como un valor negativo -r(reactivo).

Rectas y curvas

A pesar de los nombres pomposos que podamos darle a la ecuación 5.8 en su aplicación en el contexto de la cinética química, desde la perspectiva matemática es una pendiente de recta, el problema es que experimentalmente, la rapidez de la reacción no es constante y no manifiesta rectas, cómo lo expondremos en los siguientes ejemplos:

En soluciones acuosas, el bromo molecular reacciona con el ácido fórmico (HCOOH) de la siguiente manera: Br2(aq) + HCOOH(aq) → 2Br-(aq) + 2H+(aq) + CO2(g). El bromo molecular Br2 es de color marrón rojizo. Todas las demás especies en la reacción son incoloras. A medida que avanza la reacción, la concentración de Br2 disminuye constantemente y su color se desvanece.

De izquierda a derecha: La disminución de la concentración de bromo a medida que transcurre el tiempo se manifiesta como una pérdida de color (de izquierda a derecha).

Figura 61. De izquierda a derecha: La disminución de la concentración de bromo a medida que transcurre el tiempo se manifiesta como una pérdida de color (de izquierda a derecha).

Esta pérdida de color y, por lo tanto, de concentración se puede monitorear fácilmente con un espectrómetro, que registra la cantidad de luz visible absorbida por el bromo. Ahora ya dependiendo de qué tan tecnológico o sea tu espectrómetro, podrás tomar medidas discretas (sólo algunas medidas a lo largo del tiempo de reacción), o medidas más continuas (una mayor cantidad de datos a lo largo del tiempo de reacción).

️ ejemplo: En una determinada reacción química consume bromo elemental disuelto en agua, la concentración de bromo se determinó por medio de espectrometría para intervalos de tiempo arbitrarios. Al iniciar la reacción la concentración de bromo era de 0.01200 M, a los 50 segundos era de 0.01010 M, y a los 100 segundos era de 0.00864 M. Calcule la velocidad promedio a la que el bromo desaparece en los intervalos de cero a 50 segundos, y compararla con el intervalo de 50 a 100 segundos.

Química la ciencia central 13

️ (Práctica 14.1.2) En un frasco de exactamente un litro de volumen se tiene el gas a como reactivo inicialmente con una cantidad de sustancia de 1.00 mol, a los 20 segundos es de 0.54 mol, a los 40 segundos es de 0.30 mol, y a los 60 segundos es de 0.16 mol. Confirmar que la velocidad de desaparición de A en el intervalo de 0 a 20 segundos es mayor que en el intervalo de 40 a 60 segundos.

️ (Problema 14.19b) Considere la siguiente reacción acuosa hipotética: A → B. Un matraz se carga con 0.065 mol de A en un volumen total de 100.0 mL. Se recopilan los siguientes datos: en 0 segundos 0.065 mol, en 10 segundos 0.051 mol, en 20 segundos 0.042 mol, en 30 segundos 0.036 mol en 40 segundos 0.031 mol. Calcule la tasa promedio de desaparición de A para cada intervalo de 10 min en unidades de M/s.

Estos cálculos demuestran que la velocidad promedio de la reacción depende del intervalo de tiempo que elijamosm en otras palabras, la rapidez de la reacción no es constante. Para recalcar este punto ahora consideremos la reacción entre el cloruro de butilo C4H9Cl y el agua para formar alcohol butílico C4H9OH y ácido clorhídrico:

Supongamos que preparamos una solución acuosa de C4H9Cl 0.1000 M y luego medimos la concentración de C4H9Cl en varios momentos después del tiempo cero (que es el instante en que se mezclan los reactivos, iniciando así la reacción). Podemos usar los datos resultantes, que se muestran en las dos primeras columnas de la tabla 6.1, para calcular la tasa promedio de desaparición de C4H9Cl durante varios intervalos de tiempo; Estas tasas se dan en la tercera columna.

Tabla 61. Datos de velocidad para la reacción de C4H9Cl con agua


Observe que la tasa promedio disminuye durante cada intervalo de 50 s para las primeras mediciones y continúa disminuyendo en intervalos aún mayores a través de las mediciones restantes. Es típico que las velocidades disminuyan a medida que avanza la reacción porque disminuye la concentración de reactivos.

Visualizando la rapidez de aparición y desaparición

El hecho de que las tasas de aparición de producto y desaparición de reactivo no sean constantes, implica necesariamente que cuando grafiquemos en el plano cartesiano concentración contra tiempo, obtendremos curvas en lugar de rectas. Consideremos la reacción hipotética AB, representada en la siguiente figura.

Progreso de una reacción hipotética A→B. El volumen del matraz es 1.0 L.

Figura 62. Progreso de una reacción hipotética AB. El volumen del matraz es 1.0 L.

Cada esfera roja representa 0.01 mol de A, cada esfera azul representa 0.01 mol de B, y el recipiente tiene un volumen de 1.00 L. Al comienzo de la reacción, hay 1.00 mol A, entonces la concentración es 1.00 mol/L = 1.00 M. Después de 20 s, la concentración de A ha caído a 0.54 M y la concentración de B ha aumentado a 0.46 M. La suma de las concentraciones todavía es 1.00 M porque se produce 1 mol de B por cada mol de A que reacciona. Después de 40 s, la concentración de A es de 0.30 M y la de B es de 0.70 M.

Figura 6‑3. Gráfica de las velocidades de aparición y desaparición de productos y reactivos en unidades de moléculas/segundos. Tenga en cuenta que las únicas medidas reales son los puntos, por lo que estamos trabajando con cálculos de estado o promedios, en lugar de cálculos infinitesimales o instantáneos.

Figura 63. Gráfica de las velocidades de aparición y desaparición de productos y reactivos en unidades de moléculas/segundos. Tenga en cuenta que las únicas medidas reales son los puntos, por lo que estamos trabajando con cálculos de estado o promedios, en lugar de cálculos infinitesimales o instantáneos.

Empleando las herramientas que hemos aprendido en el curso de cálculo nos podemos dar cuenta que, a medida que el tiempo tiende a infinito, la rapidez de aparición de producto y desaparición de reactivo tenderá a cero. Ese análisis matemático le podemos dar un sentido químico en el hecho de que, a medida que el tiempo tiene infinito, la cantidad de partículas de reactivos se hacen más escasas y por lo tanto más improbable que se encuentren para reaccionar y producir las respectivas partículas de producto, de allí que la cantidad de eventos de reacción por unidad de tiempo va disminuyendo paulatinamente.

Rapidez de aparición y desaparición instantánea

Otro aspecto del cálculo que debemos notar de la figura 6-3, es el hecho de que los puntos realmente medidos se encuentran separados por una cantidad de tiempo sensible, de allí que esta medición sólo nos permite aproximarnos a una velocidad de reacción promedio. A medida que tomemos más medidas en una menor cantidad de tiempo podremos obtener una gráfica más continua, y por ende aproximarnos a la velocidad de reacción instantánea.

Tasa de cambio instantánea de masa de oxígeno contra tiempo en un contenedor de 1 L para la reacción 2C2H5(g) → 4 NO2(g) + O2(g). La pendiente instantánea de esta curva se define como la tasa de formación de O2 con respecto al tiempo, dado que es una curva, debemos emplear técnicas del cálculo infinitesimal para determinar la tasa de cambio instantánea.

Figura 64. Tasa de cambio instantánea de masa de oxígeno contra tiempo en un contenedor de 1 L para la reacción 2C2H5(g) → 4 NO2(g) + O2(g). La pendiente instantánea de esta curva se define como la tasa de formación de O2 con respecto al tiempo, dado que es una curva, debemos emplear técnicas del cálculo infinitesimal para determinar la tasa de cambio instantánea.

La tasa de cambio instantánea δciti es el valor para la tasa de cambio en un intervalo de tiempo muy pequeño e idealmente infinitesimal.

El problema con la gráfica de concentración por unidad de tiempo es que ¡tenemos una curva! ¿Cuál es el problema con que sea curva? El problema con una gráfica curva es que los valores para la tasa de cambio instantánea son diferentes de la obtenida para la tasa de cambio promedio, en otras palabras, no podemos usar pendientes de líneas rectas para determinar la tasa de cambio instantánea, ya que esta formación es una curva.

Métodos experimentales

Para aproximarse experimentalmente una tasa de reacción instantánea δciti hay que tener en cuenta las limitaciones experimentales y que tipo de tasa de reacción.

Con limitaciones experimentales nos referimos a que la cantidad de medidas de concentración que podemos realizar por unidad de tiempo con nuestro instrumento de laboratorio, en otras palabras, si contamos con instrumentos experimentales más sofisticados es probable que logremos obtener una mayor cantidad de medición en una menor cantidad de tiempo.

con respecto al tipo de reacción hacemos referencia a que algunas reacciones son lo suficientemente lentas como para permitir una toma de datos relativamente continua con instrumentos no muy sofisticados.

Los métodos químicos para determinar la cantidad de sustancia producida y consumida por lo general permiten evaluar una cantidad limitada de puntos, lo cual genera una serie de tasas de reacción promedio que unen los puntos determinados. Los métodos físicos por el contrario permiten la determinación continua de las cantidades de sustancia producida o consumida durante el intervalo de tiempo analizado. Debido a que las cantidades de producto y reactivo están relacionadas de manera estequiométrica, cualquier especie química dentro de la reacción puede ser empleada para expresar la tasa de cambio de la reacción y de las demás sustancias como veremos más adelante.

Tasas de reacción en una determinación discontinua.

Figura 65. Tasas de reacción en una determinación discontinua.

Sí se ha percatado hasta este punto sólo hemos logrado dar instrumentos para calcular las velocidades de aparición y desaparición, pero no una técnica para calcular la velocidad de la reacción como un todo, o calcular la velocidad de aparición o desaparición de una sustancia difícil de medir, en términos de la velocidad de aparición o desaparición de otra sustancia que sí es fácil de medir, en otras palabras aparte de esta discusión teórica aún nos falta completar un algoritmo matemático más robusto.

En caso de que no contemos con los instrumentos necesarios para hallar la verdadera velocidad instantánea a través de la función derivada, podemos obtener una aproximación a la velocidad instantánea empleando la pendiente de un punto en el tiempo, que es De hecho la ruta que nos aconsejan los libros de texto de química general.

Figura 66. Concentración de cloruro de butilo C4H9Cl en función del tiempo.

La gráfica anterior implica que los libros de texto nos piden hallar velocidades instantáneas con la fórmula de la velocidad promedio, y descaradamente así lo indican. relieve hecho los libros de texto de química general solo introducen técnicas sofisticadas de cálculo cuando introducimos los conceptos de orden de reacción. Dado lo anterior, en ejercicios de lápiz y papel donde nos piden hallar la rapidez de reacción instantánea, en realidad nos estarán pidiendo calcular la rapidez de la reacción promedio para un punto determinado.

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️ (Problema 14.21d) Se estudió la isomerización del metilisonitrilo CH3NC a acetonitrilo CH3CN en fase gaseosa a 215 °C, y se obtuvieron los siguientes datos: 0 s 0.01650 M de CH3NC; 2000 s 0.01100 M de CH3NC; 5000 s 0.00591 M de CH3NC; 8000 s 0.00314 M de CH3NC; 12000 s 0.00137 M de CH3NC; 15000 s 0.00074 M de CH3NC. (d) Grafique la concentración molar de CH3NC contra el tiempo y determine las tasas instantáneas en M/s en t = 5000 s y t = 8000s.

️ (Problema 14.22d) Se midió la velocidad de desaparición de HCl para la siguiente reacción: CH3OH + HCl → CH3Cl + H2O. Se recogieron los siguientes datos: a 0.0 min 1.85 molar, a 54.0 minutos 1.58 molar. a 107.0 minutos 1.36 molar, a 215.0 minutos 1.02 molar, a 430.0 minutos 0.580 molar. (d) Grafique [HCl] contra el tiempo y determine las velocidades instantáneas en M/min y M/s en t = 75.0 min y t = 250 min.

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