sábado, 7 de mayo de 2022

14. Mecanismos de reacción | ⏩ Cinética química | Joseleg

| Ciencias de Joseleg | Química | Química del equillibrio | Cinética química | (Ejercicios)  (Introducción) (Generalidades) (Factores que afectan la velocidad de reacción) (Historia) (Velocidad de reacción) (Velocidades de aparición y desaparición) (Relación entre velocidades de aparición, desaparición y reacción) (Ley de velocidad de reacción) (Reacciones de primer orden) (Reacciones de segundo orden) (Reacciones de cero orden) (Vida media) (Energía de activación) (Mecanismo de reacción) (Catalizadores) (Referencias)

 

 Una ecuación equilibrada para una reacción química indica las sustancias presentes al comienzo de la reacción y las presentes al final de la reacción. Sin embargo, no proporciona información sobre los pasos detallados que ocurren a nivel molecular a medida que los reactivos se convierten en productos. Los pasos por los cuales ocurre una reacción se llama mecanismo de reacción “e involucran fórmulas extrañas que normalmente no deberían ser correctas, de allí que son transitorias e inestables”. En el nivel más sofisticado, un mecanismo de reacción describe el orden en que los enlaces se rompen y forman y los cambios en las posiciones relativas de los átomos en el curso de la reacción.

En química, un mecanismo de reacción es la secuencia paso a paso de reacciones elementales por las cuales ocurre un cambio químico general. Un mecanismo químico es una conjetura teórica que trata de describir en detalle lo que ocurre en cada etapa de una reacción química general. Los pasos detallados de una reacción no son observables en la mayoría de los casos. El mecanismo conjeturado se elige porque es termodinámicamente factible y tiene soporte experimental en intermedios aislados u otras características cuantitativas y cualitativas de la reacción. También describe cada intermedio reactivo, complejo activado y estado de transición, y qué enlaces se rompen (y en qué orden), y qué enlaces se forman (y en qué orden). Un mecanismo completo también debe explicar la razón de los reactivos y catalizadores utilizados, la estereoquímica observada en los reactivos y productos, todos los productos formados y la cantidad de cada uno.

Reacciones elementales

Hemos visto que las reacciones tienen lugar debido a colisiones entre las moléculas que reaccionan. Por ejemplo, las colisiones entre moléculas de metil isonitrilo CH3NC pueden proporcionar la energía para permitir que el CH3NC se reorganice en acetonitrilo:

Figura 141. Mecanismo de reacción de la síntesis de acetonitrilo.

De manera similar, la reacción de NO y O3 para formar NO2 y O2 parece ocurrir como resultado de una sola colisión que involucra moléculas de NO y O3 adecuadamente orientadas y suficientemente energéticas: NO(g)+O3(g)→NO2(g)+O2(g), ambas reacciones ocurren en un solo evento o paso y se llaman reacciones elementales. El número de moléculas que participan como reactivos en una reacción elemental define la molecularidad de la reacción. Si está involucrada una sola molécula, la reacción es unimolecular. La reorganización del metil isonitrilo es un proceso unimolecular. Las reacciones elementales que implican la colisión de dos moléculas reactivas son bimoleculares. La reacción entre NO y O3 es bimolecular. Las reacciones elementales que implican la colisión simultánea de tres moléculas son termoleculares. Las reacciones termoleculares son mucho menos probables que los procesos unimoleculares o bimoleculares y son extremadamente raras. La posibilidad de que cuatro o más moléculas choquen simultáneamente con cualquier regularidad es aún más remota; en consecuencia, tales colisiones nunca se proponen como parte de un mecanismo de reacción. Por lo tanto, casi todos los mecanismos de reacción contienen solo reacciones elementales unimoleculares y bimoleculares.

Mecanismos multi-paso

El cambio neto representado por una ecuación química equilibrada a menudo ocurre por un mecanismo de varios pasos que consiste en una secuencia de reacciones elementales. Por ejemplo, por debajo de 225 ° C, la reacción: NO2(g)+CO(g)→NO(g)+CO2(g)., Parece proceder en dos reacciones elementales (o dos pasos elementales), cada uno de los cuales es bimolecular. Primero, dos moléculas de NO2 chocan y un átomo de oxígeno se transfiere de una a la otra. El NO3 resultante luego colisiona con una molécula de CO y le transfiere un átomo de oxígeno. Como el NO3 no es un reactivo ni un producto de la reacción, se forma en una reacción elemental y se consume en la siguiente, se llama intermedio. Los mecanismos de múltiples pasos involucran uno o más intermedios. Los intermedios no son lo mismo que los estados de transición. Los intermedios pueden ser estables y, por lo tanto, a veces pueden identificarse e incluso aislarse.

Los estados de transición, por otro lado, siempre son inherentemente inestables y, como tales, nunca pueden aislarse. Sin embargo, el uso de técnicas avanzadas "ultrarrápidas" a veces nos permite caracterizarlas.

Figura 142. El perfil energético de una reacción, que muestra estados de transición y un intermedio.

Ley de velocidad de reacción para reacciones elementales

En secciones anteriores, enfatizamos que las leyes de velocidad de reacción deben determinarse experimentalmente; no pueden predecirse a partir de los coeficientes de ecuaciones químicas equilibradas. Ahora estamos en condiciones de entender por qué esto es así. Cada reacción se compone de una serie de uno o más pasos elementales, y las leyes de velocidad y las velocidades relativas de estos pasos dictan la ley de velocidad general para la reacción. De hecho, la ley de velocidad para una reacción se puede determinar a partir de su mecanismo, como veremos en breve, y se puede comparar con la ley de velocidad experimental. Por lo tanto, nuestro próximo desafío en cinética es llegar a mecanismos de reacción que conduzcan a leyes de velocidad consistentes con las observadas experimentalmente. Comenzamos examinando las leyes de velocidad de las reacciones elementales. Las reacciones elementales son significativas de una manera muy importante: si una reacción es elemental, su ley de velocidad se basa directamente en su molecularidad. Por ejemplo, considere la reacción unimolecular (A → B).

A medida que aumenta el número de moléculas A, el número que reacciona en un intervalo de tiempo dado aumenta proporcionalmente. Por lo tanto, la tasa de un proceso unimolecular es de primer orden:

Para los pasos elementales bimoleculares ( A + B → C + D), la ley de velocidad es de segundo orden, como en la reacción.

La ley de tasa de segundo orden se deriva directamente de la teoría de colisión. Si duplicamos la concentración de A, el número de colisiones entre las moléculas de A y B se duplica; asimismo, si duplicamos [B], el número de colisiones entre A y B se duplica. Por lo tanto, la ley de tasas es de primer orden tanto en [A] como [B] y en segundo orden en general. Las leyes de velocidad para todas las reacciones elementales factibles se dan en la tabla:

Tabla 141. Reacciones elementales y sus leyes de velocidad de reacción.

Observe cómo cada ley de velocidad se sigue directamente de la molecularidad de la reacción, en otras palabras, aunque la ley de velocidad general no usa los números estequiométricos las leyes de velocidad para los mecanismos si lo hacen. Es importante recordar, sin embargo, que no podemos decir simplemente observando una ecuación química global equilibrada si la reacción involucra uno o varios pasos elementales. De lo anterior se sigue que:

👉 En una reacción de mecanismo a un paso, los órdenes de reacción son iguales a los números estequiométricos;

👉 si lo anterior no se cumple, significa que el mecanismo de reacción involucrados o más pasos elementales.

El problema ahora radica en que cada paso elemental al poseer su propia cinética va a generar efectos distintivos en la ley de cinética general. A continuación, analizaremos dos casos para reacciones cuyo mecanismo involucra dos pasos. Adicionalmente es conveniente recordar que:

👉 los mecanismos termoleculares son raros comparados con los monomoleculares y bimoleculares.

El paso determinante de la velocidad para un mecanismo de varios pasos

La mayoría de las reacciones ocurren por mecanismos que involucran dos o más reacciones elementales. Cada paso del mecanismo tiene su propia constante de velocidad y energía de activación.

Primer paso más lento

A menudo, un paso es mucho más lento que los demás y la velocidad general de una reacción no puede exceder la velocidad del paso elemental más lento. Debido a que el paso lento limita la velocidad de reacción general, se le llama paso determinante de la velocidad.

En algunas reacciones químicas la diferencia de velocidad de reacción entre los pasos puede llegar a ser de varios órdenes de magnitud diferentes, por lo que la velocidad de reacción de la más lenta va a ser casi igual a la velocidad de reacción general, asumiendo que las velocidades de reacción de los siguientes pasos son insignificantes.

Química de Chang 10

Ejemplo 13.10. Se cree que la descomposición en fase gaseosa del óxido nitroso (N2O) ocurre a través de dos pasos elementales. Experimentalmente se encuentra que la ley de velocidad es de r =  k[N2O]. (a) Escriba la ecuación para la reacción global. (b) Identifique los intermedios. (c) ¿Qué puede decir acerca de las tasas relativas de los pasos 1 y 2?

Práctica 13.10. Se cree que la reacción entre NO2 y CO para producir NO y CO2 ocurre a través de dos pasos. La ley de velocidad experimental es la velocidad r = k[NO2]2. (a) Escriba la ecuación para la reacción global. (b) Identifique el intermedio. (c) ¿Qué puede decir acerca de las tasas relativas de los pasos 1 y 2?

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Muestra 14.12. Se ha propuesto que la conversión de ozono en O2 procede mediante un mecanismo de dos pasos: O3(g) → O2(g) + O(g); O3(g) + O(g) → 2 O2(g) (a) Describa la molecularidad de cada reacción elemental en este mecanismo. (b) Escriba la ecuación para la reacción global. (c) Identifique los productos intermedios.

Práctica 14.12.1. Considere el siguiente mecanismo de reacción de dos pasos: A(g) + B(g) → X(g) + Y(g);  X(g) + C(g) → Y(g) + Z(g) ¿Cuál de las siguientes afirmaciones sobre este mecanismo es verdadera? (i) Ambos pasos en este mecanismo son bimoleculares. (ii) La reacción global es A(g) + B(g) + C(g) → Y(g) + Z(g). (iii) La sustancia X(g) es un intermediario en este mecanismo. (a) Solo una de las afirmaciones es verdadera. (b) Las afirmaciones (i) y (ii) son verdaderas. (c) Las afirmaciones (i) y (iii) son verdaderas. (d) Las afirmaciones (ii) y (iii) son verdaderas. (e) Las tres afirmaciones son verdaderas.

Práctica 14.12.2. Para la reacción Mo(CO)6 + P(CH3)3 → Mo(CO)5P(CH3)3 + CO, el mecanismo propuesto es Mo(CO)6 → Mo(CO)5 + CO;  Mo(CO)5 + P(CH3)3  → Mo(CO)5P(CH3)3  (a) ¿El mecanismo propuesto es consistente con la ecuación de la reacción total? (b) ¿Cuál es la molecularidad de cada paso del mecanismo? (c) Identifique el(los) intermedio(s)

Muestra 14.13. Si la siguiente reacción ocurre en una sola reacción elemental, prediga su ley de velocidad: H2(g) + Br2(g) → 2 HBr(g)

Práctica 14.13.1. Considere la siguiente reacción: 2 A + B → X + 2 Y. Se le dice que el primer paso en el mecanismo de esta reacción tiene la siguiente ley de velocidad: Velocidad = k[A][B]. ¿Cuál de los siguientes podría ser el primer paso en el mecanismo de reacción (tenga en cuenta que la sustancia Z es un intermedio)? (a) A + A → Y + Z (b)A → X + Z (c) A + A + B → X + Y + Y (d)B → X + Y (e) A + B → X + Z

Práctica 14.13.2. Considere la siguiente reacción: 2 NO(g) + Br2(g) → 2NOBr(g). (a) Escriba la ley de velocidad para la reacción, suponiendo que involucra una sola reacción elemental. (b) ¿Es probable un mecanismo de un solo paso para esta reacción?

Muestra 14.14. Se cree que la descomposición del óxido nitroso, N2O, ocurre mediante un mecanismo de dos pasos: N2O(g) → N2(g) + O(g) (lenta);  N2O(g) + O(g) → N2(g) + O2(g) (rápida) (a) Escriba la ecuación para la reacción general. (b) Escriba la ley de velocidad para la reacción global.

Práctica 14.14.1. Consideremos una reacción hipotética 2 C + D → J + 2 K. Se le dice que la velocidad de esta reacción es de segundo orden general y de segundo orden en [C]. ¿Podría alguno de los siguientes ser un primer paso determinante de la velocidad en un mecanismo de reacción que sea consistente con la ley de velocidad observada para la reacción (tenga en cuenta que la sustancia Z es un intermedio)? (a) C + C → K + Z (b) C → J + Z (c) C + D → J + Z (d) D → J + K (e) Ninguno de estos es consistente con la ley de velocidad observada.

Práctica 14.14.2. El ozono reacciona con el dióxido de nitrógeno para producir pentóxido de dinitrógeno y oxígeno: O3(g) + 2 NO2(g) → N2O5(g) + O2(g) Se cree que la reacción ocurre en dos pasos: O3(g) + NO2(g) → NO3(g) + O2(g) NO3(g) + NO2(g) → N2O5(g) La ley de velocidad experimental es velocidad = k[O3][NO2] . ¿Qué puede decir acerca de las velocidades relativas de los dos pasos del mecanismo?

Segundo paso más lento

En este caso la rapidez promedio general parece no concordar, o no estar expresada en términos del paso determinante, esto se debe a que el paso determinante está expresado en términos de intermediarios, pero aun así sigue siendo un embudo de paso. Lo que debe hacerse es expresar la sustancia intermedia en términos de las concentraciones de la reacción rápida asumiendo que se ha alcanzado un equilibrio. De esta manera para el mecanismo A B, B → C para la forma general A → C tendríamos que:

👉 Plantear la rapidez promedio para las reacciones reversa y directa del paso 1.

👉 Despejar la concentración de la o las sustancias intermediarias.

👉 Igualar en la rapidez promedio del paso 2.

👉 Cancelar términos.

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ejemplo página 604. Experimentalmente se ha determinado que la rapidez promedio de una reacción química es r k[NO]2[Br2], la cual se cree está dada por un mecanismo de reacción de dos pasos, cuyo segundo paso es el determinante NO + Br2 NOBr2, NOBr2 + NO→ 2 NOBr. Demuestre que el mecanismo dado es consistente con la ecuación medida experimentalmente.

Muestra 14.15. Experimentalmente se ha determinado que la rapidez promedio de una reacción química es r = k[NO]2[Br2], la cual se cree está dada por un mecanismo de reacción de dos pasos, cuyo segundo paso es el determinante NO(g) + NO(g) N2O2(g), N2O2(g) + Br2(g) → 2 NOBr(g). Demuestre que el mecanismo dado es consistente con la ecuación medida experimentalmente.

Práctica 14.15.1. Considere la siguiente reacción hipotética: 2 P + Q → 2 R + S. Se propone el siguiente mecanismo para esta reacción: P + P T (rápida) Q + T → R + U (lenta) U → R + S (rápida) Sustancias T y U son intermediarios inestables. ¿Qué ley de velocidad predice este mecanismo? (a) Tasa = k[P]2 (b) Tasa = k[P][Q] (c) Tasa = k k[P]2[Q]  (d) Tasa = k[P][Q]2 (e) Tasa = k[U]

Práctica 14.15.2. El primer paso de un mecanismo que implica la reacción del bromo es Br2(g) 2 Br(g) (rápido), ¿Cuál es la expresión que relaciona la concentración de Br(g) con la de Br2(g)?

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