Posgrado
  1. Química Física  1.1. Termodinámica  1.1.1. Leyes de la Termodinámica  1.1.2. Entalpía y capacidad calorífica  1.1.3. Entropía y energía libre  1.1.4. Equilibrio de Fase  1.1.5. Termodinámica estadística  1.1.6. Ciclo termodinámico  1.1.7. Fugacidad y actividad  1.2. Química Cuántica  1.2.1. Principios de la mecánica cuántica  1.2.2. Ecuación de Schrödinger  1.2.3. Partícula en una caja  1.2.4. Operadores y valores propios  1.2.5. Orbitales atómicos  1.2.6. Teoría de orbitales moleculares  1.2.7. Teoría de perturbaciones  1.2.8. Teoría del enlace de valencia  1.2.9. Hibridación y enlace químico  1.3. Cinética química  1.3.1. Leyes de velocidad y mecanismos de reacción  1.3.2. Teoría de colisiones  1.3.3. Teoría del estado de transición  1.3.4. Cinética Enzimática  1.3.5. Reacciones en cadena y polimerización  1.3.6. Reacciones fotoquímicas  1.4. Mecánica estadística  1.4.1. Función de partición  1.4.2. Funciones de distribución molecular  1.4.3. Distribución de Boltzmann  1.4.4. Estadísticas de Bose–Einstein y Fermi–Dirac  1.5. Espectroscopía  1.5.1. Espectroscopía Rotacional  1.5.2. Espectroscopia Vibracional  1.5.3. Espectroscopía Electrónica  1.5.4. Espectroscopia de resonancia magnética nuclear  1.5.5. Espectrometría de Masas  1.5.6. Espectroscopía Raman  1.5.7. Espectroscopía de resonancia paramagnética electrónica  1.6. Química de superficies y coloides  1.6.1. Isoterma de absorción  1.6.2. Tensión superficial y mojado  1.6.3. Estabilidad Coloidal  1.6.4. Catalisis  1.6.5. Emulsiones y micelas  1.7. Electroquímica  1.7.1. Ecuación de Nernst  1.7.2. Células electroquímicas  1.7.3. Conductividad y movilidad  1.7.4. Guerra  1.7.5. Celdas de combustible  1.7.6. Electrólisis
  2. Química orgánica  2.1. Mecanismo de reacción  2.1.1. Reacciones de sustitución nucleofílica  2.1.2. Reacciones de adición electrofílica  2.1.3. Reacciones de eliminación  2.1.4. Reacciones de reordenamiento  2.1.5. Reacciones radicales  2.1.6. Reacciones pericíclicas  2.2. Espectroscopia y determinación estructural  2.2.1. Espectroscopía UV-Vis  2.2.2. Espectroscopia IR  2.2.3. Espectroscopía de RMN  2.2.4. Espectrometría de Masa  2.2.5. Cristalografía de rayos X  2.3. Estereoscópico  2.3.1. Quiralidad y actividad óptica  2.3.2. Análisis estructural  2.3.3. Isomería geométrica  2.3.4. Estereoquímica Dinámica  2.4. Química Organometálica  2.4.1. Reactivos de organolitio y organomagnesio  2.4.2. Reacciones de acoplamiento cruzado catalizadas por paladio  2.4.3. Complejos de metales de transición  2.4.4. Enlace metal-carbono  2.5. Química de polímeros  2.5.1. Mecanismo de polimerización  2.5.2. Características de los Polímeros  2.5.3. Polímero Biodegradable  2.5.4. Polímero conductor  2.5.5. Polímeros supramoleculares  2.6. Química medicinal  2.6.1. Diseño y desarrollo de fármacos  2.6.2. Farmacocinética y farmacodinámica  2.6.3. Relaciones estructura-actividad  2.6.4. Acoplamiento molecular y selección de fármacos
  3. Química inorgánica  3.1. Química de coordinación  3.1.1. Teoría del campo cristalino  3.1.2. Teoría del campo de ligandos  3.1.3. Serie espectroquímica  3.1.4. Quelación y estabilidad  3.2. Química Organometálica  3.2.1. Carbonilos Metálicos  3.2.2. Catalysis por complejos organometálicos  3.2.3. Metalocenos  3.3. Química bioinorgánica  3.3.1. Metaloproteínas y enzimas  3.3.2. El rol de los metales en los sistemas biológicos  3.3.3. Transporte y almacenamiento de iones metálicos  3.4. Química del estado sólido  3.4.1. Estructuras Cristalinas  3.4.2. Teoría de bandas de los sólidos  3.4.3. Superconductors  3.4.4. Defectos en el cristal  3.5. Lantánidos y Actínidos  3.5.1. Configuración electrónica en lantánidos y actínidos  3.5.2. Química de coordinación de los lantánidos  3.5.3. Propiedades Magnéticas de los Lantánidos
  4. Química analítica  4.1. Cromatografía  4.1.1. Cromatografía de Gases  4.1.2. Cromatografía Líquida de Alta Resolución  4.1.3. Cromatografía en Capa Fina  4.2. Técnicas Espectroscópicas  4.2.1. Espectroscopía de absorción atómica  4.2.2. Difracción de rayos X  4.2.3. Espectroscopía de plasma acoplado inductivamente  4.3. Métodos electroanalíticos  4.3.1. Potenciometría  4.3.2. Voltametría  4.3.3. Colometría  4.4. Espectrometría de masas  4.4.1. Técnica de Ionización  4.4.2. Patrón de Fragmentación  4.5. Chemometría  4.5.1. Análisis multidisciplinario  4.5.2. Aprendizaje Automático en Química
  5. Química Teórica y Computacional  5.1. Simulación de dinámica molecular  5.1.1. Force fields and energy minimization  5.1.2. Simulación de Monte Carlo en simulaciones de dinámica molecular  5.2. Métodos químicos cuánticos  5.2.1. Teoría de Hartree–Fock  5.2.2. Teoría del funcional de la densidad  5.2.3. Métodos semiempíricos  5.3. Diseño computacional de fármacos  5.3.1. Alineamiento Molecular  5.3.2. Modelado QSAR  5.3.3. Tamizaje Virtual
  6. Bioquímica  6.1. Enzyme Kinetics  6.1.1. Cinética de Michaelis-Menten  6.1.2. Mecanismo de inhibición  6.2. Metabolismo y Bioenergética  6.2.1. Glicólisis  6.2.2. Ciclo del ácido cítrico  6.2.3. Cadena de transporte de electrones  6.3. Biología Molecular  6.3.1. Replicación y reparación del ADN  6.3.2. La síntesis de proteínas  6.3.3. Regulación Génica  6.4. Bioquímica Estructural  6.4.1. Plegado de proteínas  6.4.2. Biofísica de Membranas
  7. Química Ambiental  7.1. Química Atmosférica  7.1.1. Gases de efecto invernadero  7.1.2. Agotamiento del ozono  7.1.3. Contaminantes del aire y humo  7.2. Química del Agua  7.2.1. pH y dureza del agua  7.2.2. Tratamiento de aguas residuales  7.2.3. Química Acuática  7.3. Química del Suelo  7.3.1. Contaminación por metales pesados  7.3.2. pH del Suelo y Amortiguación  7.3.3. Ciclo de nutrientes  7.4. Toxicología y Seguridad Química  7.4.1. Toxicocinética  7.4.2. Evaluación de Riesgos en Toxicología y Seguridad Química en Química Ambiental  7.4.3. Efectos de los contaminantes en el medio ambiente

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Leyes de velocidad y mecanismos de reacción


La cinética química es una rama de la química física que estudia la velocidad o tasa a la que ocurren las reacciones químicas y los mecanismos por los cuales ocurren estas reacciones. Dos conceptos fundamentales en el estudio de la cinética química son las leyes de velocidad y los mecanismos de reacción. Comprender estos conceptos proporciona información sobre la cinética de las reacciones químicas y ayuda a controlar las condiciones para optimizar reacciones específicas. En esta lección, exploraremos estos conceptos en profundidad utilizando un lenguaje simple y ejemplos.

Leyes de velocidad

La ley de velocidad de una reacción química es una ecuación que relaciona la tasa de reacción con las concentraciones de los reactivos. La ley de velocidad se determina experimentalmente y puede ayudar a comprender cómo los cambios en las condiciones afectan la velocidad de la reacción. Es importante señalar que la ley de velocidad no puede deducirse de la estequiometría de la reacción global, sino que se determina a partir de observaciones experimentales.

Forma general de la ley de velocidad

Para una reacción general en la que los reactivos A y B forman un producto, la ley de velocidad se puede expresar como:

Rate = k [A]^m [B]^n

Aquí:

  • Rate es la velocidad de reacción.
  • k es la constante de velocidad, específica para la reacción a una temperatura dada.
  • [A] es la concentración del reactivo A
  • [B] es la concentración del reactivo B
  • m y n son los órdenes de reacción relativos de A y B, respectivamente. Estos se determinan experimentalmente.

Orden de reacción

El orden de reacción muestra la dependencia de la velocidad en la concentración de cada reactivo. Veamos algunos escenarios comunes:

  • Reacciones de orden cero: La velocidad es independiente de la concentración de los reactivos.
    La ley de velocidad es Rate = k.
  • Reacciones de primer orden: La velocidad es directamente proporcional a la concentración de un reactivo.
    La ley de velocidad es Rate = k [A].
  • Reacciones de segundo orden: La velocidad es proporcional al cuadrado de la concentración de un reactivo, o proporcional al producto de dos reactivos.
    La ley de velocidad puede ser Rate = k [A]^2 o Rate = k [A][B].

Ley de fijación de la velocidad

Las leyes de velocidad se determinan típicamente por el método de las velocidades iniciales, que implica realizar una serie de experimentos para medir las velocidades iniciales de reacción a diferentes concentraciones. Este método ayuda a establecer cómo la velocidad de reacción depende de las concentraciones de los reactivos.

Ejemplo: Reacción de descomposición simple

Considere una reacción de descomposición simple donde el compuesto X se descompone para formar Y:

X → Y

Suponga que los datos experimentales muestran que duplicar la concentración de X duplica la velocidad de reacción. Esto sugiere una reacción de primer orden con respecto a X, que se describe mediante la ley de velocidad:

Rate = k [X]

Mecanismo de reacción

El mecanismo de reacción proporciona una descripción detallada de los pasos a través de los cuales los reactivos se transforman en productos. Consiste en una serie de reacciones elementales, cada una de las cuales representa un solo paso en la reacción global.

Reacciones primarias

Las reacciones elementales son procesos de un solo paso con una molecularidad definida, que indica el número de moléculas de reactivo involucradas. Los tipos comunes incluyen:

  • Reacciones unimoleculares: Involucra una molécula. Ejemplo: A → Productos
  • Reacciones bimoleculares: Involucra dos moléculas. Ejemplo: A + B → Productos
  • Reacciones termoleculares: Rara vez involucran más de tres moléculas. Ejemplo: A + B + C → Productos

Etapa de determinación de la velocidad

El paso determinante de la velocidad es el paso más lento en el mecanismo de reacción que determina la velocidad global de la reacción. Comprender este paso es importante para proponer un mecanismo de reacción válido que se alinee con la ley de velocidad observada.

Ejemplo: Mecanismo de reacción de la descomposición de N2O5

Considere la descomposición del pentóxido de dinitrógeno (N2O5):

2 N2O5 → 4 NO2 + O2

Un posible mecanismo puede implicar los siguientes pasos:

  • Paso 1: N2O5 → NO2 + NO3 (rápido)
  • Paso 2: N2O5 + NO3 → 3 NO2 (lento)

El segundo paso es el más lento y, por lo tanto, es el paso determinante de la velocidad. La ley de velocidad correspondiente a este mecanismo es:

Rate = k [N2O5]

Representación gráfica del perfil de respuesta

Los perfiles de reacción representan los cambios de energía durante una reacción química. Son herramientas valiosas para comprender las barreras energéticas asociadas con cada paso del mecanismo. Considere el siguiente ejemplo:

Reactivos intermedio Productos Estado de transición 1 Estado de transición 2 energía

Este perfil de reacción representa un mecanismo de varios pasos con dos estados de transición y un estado intermedio. El eje vertical indica los niveles de energía, mientras que el eje horizontal muestra las coordenadas de la reacción.

Validación experimental de los mecanismos

La validación experimental de un mecanismo de reacción propuesto implica comparar la ley de velocidad predicha según el mecanismo con la ley de velocidad observada. La consistencia entre los dos respalda el mecanismo, aunque no puede probar concluyentemente su validez debido a la posible existencia de mecanismos alternativos que den la misma ley de velocidad.

Ejemplo: Proceso de verificación

Para el mecanismo de N2O5 anterior, supongamos que los experimentos determinaron que la reacción es de primer orden con respecto a N2O5. El mecanismo propuesto que predice una ley de velocidad de primer orden es, por lo tanto, consistente y potencialmente válido.

Conclusión

Comprender las leyes de velocidad y los mecanismos de reacción es esencial en cinética química, ya que proporcionan importantes conocimientos sobre la dinámica de las reacciones químicas. Al realizar experimentos para determinar las leyes de velocidad y proponer mecanismos, los químicos pueden predecir y controlar cómo proceden las reacciones, lo que permite la optimización de los procesos industriales y la síntesis de productos deseados de manera eficiente.

A través de la determinación y verificación experimental de las leyes de velocidad y mecanismos, los químicos pueden obtener una comprensión más profunda de la cinética de las reacciones, lo que contribuye al progreso en la investigación y la industria química.


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