Doctorado
  1. Química inorgánica  1.1. Química de coordinación  1.1.1. Teoría del campo de ligandos  1.1.2. Teoría del campo de cristales  1.1.3. Teoría del Orbital Molecular para Compuestos de Coordinación  1.1.4. Estabilidad de los compuestos de coordinación  1.1.5. Espectros electrónicos de compuestos de coordinación  1.1.6. Isomería en Compuestos de Coordinación  1.1.7. Cinética y mecanismo de reacciones de coordinación  1.2. Química Organometálica  1.2.1. Carbonilos Metálicos  1.2.2. Alquilo y arilo metálico  1.2.3. Carbenos de Fischer y Schrock  1.2.4. Añadido Oxidativo y Eliminación Reductiva  1.2.5. Hidruros Metálicos  1.2.6. Catalysis por compuestos organometálicos  1.2.7. Metalocénicos y Complejos Sandwich  1.2.8. CH activation  1.3. Química del estado sólido  1.3.1. Estructuras y redes cristalinas  1.3.2. Teoría de bandas y propiedades eléctricas  1.3.3. Defectos en el cristal  1.3.4. Síntesis de materiales en estado sólido  1.3.5. Propiedades magnéticas y ópticas de los sólidos  1.3.6. Superconductividad  1.3.7. Ionics de estado sólido  1.4. Química bio-inorgánica  1.4.1. Metaloproteínas y enzimas  1.4.2. Transporte y almacenamiento de iones metálicos  1.4.3. El papel de los metales en la medicina  1.4.4. Catalización bioinspirada  1.4.5. Interacciones Metal-ADN  1.4.6. Complejos metálicos en la ciencia médica  1.5. Lantánidos y actínidos  1.5.1. Configuración electrónica y estados de oxidación en lantánidos y actínidos  1.5.2. Propiedades Espectrales y Magnéticas en Lantánidos y Actínidos  1.5.3. Separación y Extracción de Lantánidos y Actínidos  1.5.4. Química de coordinación de los elementos del bloque f  1.6. Main Group Chemistry  1.6.1. Química de los compuestos de boro  1.6.2. Química de los compuestos de silicio y germanio  1.6.3. Química de los Compuestos de Fósforo y Azufre  1.6.4. Química organosilícica  1.6.5. Química de Gases Nobles
  2. Química orgánica  2.1. Mecanismo de reacción  2.1.1. Reacciones de sustitución nucleofílica  2.1.2. Reacciones de adición y sustitución electrofílica  2.1.3. Reacciones de eliminación  2.1.4. Reacciones de reordenamiento  2.1.5. Reacciones radicales  2.1.6. Reacciones Pericíclicas  2.1.7. Reacciones fotoquímicas  2.2. Estereoscópico  2.2.1. Quiralidad y actividad óptica  2.2.2. Análisis estructural  2.2.3. Efectos estereolectrónicos  2.2.4. Síntesis asimétrica  2.2.5. Estereoquímica dinámica  2.3. Química Organometálica en la Síntesis Orgánica  2.3.1. Reactivos de organolitio y organomagnesio  2.3.2. Reacciones de acoplamiento catalizadas por metales de transición  2.3.3. Reacciones catalizadas por paladio  2.3.4. Metátesis de olefinas  2.3.5. Catalización de oro y plata  2.4. Química de productos naturales  2.4.1. Alcaloides y terpenoides  2.4.2. Esteroides y Flavonoides  2.4.3. Síntesis total de productos naturales  2.4.4. Biosíntesis de productos naturales  2.5. Química Supramolecular  2.5.1. Química huésped-invitado  2.5.2. Autoensamblaje y reconocimiento molecular  2.5.3. Catalisis Supramolecular  2.5.4. Máquinas moleculares
  3. Química Física  3.1. T termodinámica  3.1.1. Leyes de la Termodinámica  3.1.2. Potencial Químico y Equilibrio  3.1.3. Termodinámica estadística  3.1.4. Termodinámica de no equilibrio  3.2. Química Cuántica  3.2.1. Ecuación de Schrödinger y sus aplicaciones  3.2.2. Teoría de orbitales moleculares  3.2.3. Teoría del funcional de la densidad  3.2.4. Métodos post-Hartree–Fock  3.3. Cinética química  3.3.1. Teoría de la velocidad de reacción  3.3.2. Mechanism and rate laws  3.3.3. Catalisis y cinética enzimática  3.3.4. Dinámica de reacción  3.4. Espectroscopía y estructura molecular  3.4.1. Espectroscopia Infrarroja  3.4.2. Espectroscopia UV-visible  3.4.3. Espectroscopía de Resonancia Magnética Nuclear  3.4.4. Espectrometría de Masas  3.4.5. Espectroscopía Raman  3.5. Química de Superficies y Coloides  3.5.1. Absorción y Catálisis  3.5.2. Surfactantes y micelas  3.5.3. Estabilidad Coloidal  3.5.4. Nanomateriales e Interfaces
  4. Química analítica  4.1. Cromatografía  4.1.1. Cromatografía de Gases  4.1.2. Cromatografía Líquida de Alta Eficiencia  4.1.3. Cromatografía en Capa Fina  4.1.4. Cromatografía iónica  4.2. Técnicas electroanalíticas  4.2.1. Voltametría y Polarografía  4.2.2. Conductometría y potenciometría  4.2.3. Colometría  4.3. Métodos Espectroscópicos  4.3.1. Espectroscopía de absorción atómica  4.3.2. Espectroscopía de Fluorescencia  4.3.3. Difracción de rayos X  4.3.4. Espectroscopía de resonancia paramagnética electrónica  4.4. Quimiometría  4.4.1. Procesamiento de datos y métodos estadísticos  4.4.2. Análisis multidisciplinario  4.4.3. Aprendizaje Automático en Química Analítica
  5. Química Teórica y Computacional  5.1. Simulación de dinámica molecular  5.2. Métodos de química cuántica  5.3. Diseño de fármacos computacional  5.4. Aprendizaje automático en química  5.5. Dinámica molecular ab initio
  6. Biofísica y Química Medicinal  6.1. Descubrimiento y diseño de fármacos  6.2. Cinética enzimática e inhibición  6.3. Enfoque de biología química  6.4. Interacciones proteína-ligando  6.5. Química bioortogonal
  7. Química de materiales  7.1. Química de polímeros  7.1.1. Mecanismo de polimerización  7.1.2. Polímeros Funcionales  7.1.3. Polímero Biodegradable  7.1.4. Polímeros conductores y semiconductores  7.2. Nanoquímica  7.2.1. Nanopartículas y nanoestructuras  7.2.2. Nanomateriales basados en carbono  7.2.3. Quantum dots  7.3. Química Energética y Ambiental  7.3.1. Química de Baterías y Pilas de Combustible  7.3.2. Química verde y materiales sostenibles  7.3.3. Fotocatálisis

Doctorado → Química Física ↓


Cinética química


La cinética química es una rama de la química física que se ocupa del estudio de las tasas de las reacciones químicas. A diferencia de la termodinámica, que indica si una reacción es posible, la cinética proporciona información sobre la velocidad o tasa a la que ocurre una reacción y cómo diferentes variables afectan esta tasa.

Conceptos básicos y definiciones

El núcleo de la cinética química implica comprender qué tan rápido o lento avanzan las reacciones. La velocidad de una reacción puede verse afectada por muchos factores, incluidos la concentración de los reactivos, la temperatura, la presencia de catalizadores y el estado físico de los reactivos.

Velocidad de reacción

La velocidad de una reacción química se refiere a qué tan rápido se consume el reactivo o qué tan rápido se forma el producto. Puede expresarse como el cambio en la concentración del reactivo o producto a lo largo del tiempo. Matemáticamente, se expresa como:

Velocidad = -Δ[Reactivo]/Δt = Δ[Producto]/Δt

Donde Δ[reactivo] y Δ[producto] representan el cambio en la concentración de reactivo y producto respectivamente durante el intervalo de tiempo Δt. Se usa el signo negativo para el reactivo porque su concentración disminuye con el tiempo.

Factores que afectan la velocidad de reacción

Varios factores afectan la velocidad a la que ocurre una reacción química:

  • Concentración: En general, aumentar la concentración de reactivos aumenta la velocidad de la reacción. Esto se debe a un aumento en el número de partículas de reactivo que pueden colisionar para formar productos.
  • Temperatura: Aumentar la temperatura generalmente aumenta la velocidad de la reacción. Las temperaturas más altas imparte más energía cinética a las moléculas de reactivo, aumentando la frecuencia y la energía de las colisiones.
  • Catalizador: Los catalizadores son sustancias que aceleran una reacción sin consumirse en el proceso. Proporcionan una ruta alternativa con una energía de activación más baja para que ocurra la reacción.
  • Estado físico: El estado físico de los reactivos (sólido, líquido, gas) puede afectar la velocidad de la reacción. Por ejemplo, los gases generalmente reaccionan más rápidamente que los sólidos porque sus partículas colisionan con mayor frecuencia.
  • Área de superficie: Para reacciones que involucran sólidos, aumentar el área de superficie (por ejemplo, moliéndolo en un polvo) permite que más partículas interactúen y reaccionen simultáneamente, aumentando la velocidad de reacción.

Ley de velocidad de reacción

La ley de velocidad de reacción o ecuación de velocidad describe cómo la velocidad de una reacción depende de la concentración de los reactivos. Para una reacción general:

aA + bB → cC + dD

La ley de velocidad puede expresarse como:

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

Aquí, k es la constante de velocidad, y [A] y [B] son las concentraciones de los reactivos. Los exponentes m y n son los órdenes de reacción, que se determinan experimentalmente e indican cómo la velocidad depende de la concentración de cada reactivo.

Orden de reacción

El orden general de la reacción es la suma de los exponentes en la ley de velocidad. Por ejemplo, si m = 1 y n = 1, entonces la reacción es de segundo orden en general. Los órdenes de reacción pueden ser cero, primero, segundo, etc., e incluso pueden ser parciales o negativos en algunas reacciones complejas.

Ley de velocidad integrada

Las leyes de velocidad integradas relacionan las concentraciones de reactivos o productos con el tiempo. Ayudan a determinar la edad de una reacción o predecir las concentraciones en tiempos futuros. Hay diferentes leyes de velocidad integradas para reacciones de orden cero, primero y segundo.

Reacciones de orden cero

En las reacciones de orden cero, la velocidad es independiente de la concentración de los reactivos. La ley de velocidad integrada es:

[A] = [A]0 - kt

donde [A]0 es la concentración inicial, k es la constante de velocidad de orden cero, y t es el tiempo.

Reacciones de primer orden

Para las reacciones de primer orden, donde la velocidad es proporcional a la concentración de un reactivo, la ley de velocidad integrada es:

ln([A]/[A]0) = -kt

Esto se puede reordenar para encontrar la concentración como función del tiempo:

[A] = [A]0e-kt

Reacciones de segundo orden

Las reacciones de segundo orden dependen ya sea del cuadrado de la concentración de un reactivo o de las concentraciones de dos reactivos diferentes. La ley de velocidad integrada para una reacción de segundo orden que implica un reactivo es:

1/[A] = 1/[A]0 + kt

Teoría de colisión y teoría del estado de transición

Dos teorías principales explican cómo ocurren las reacciones a nivel molecular: la teoría de colisión y la teoría del estado de transición.

Teoría de colisión

La teoría de colisión plantea que para que las moléculas reaccionen, deben colisionar con suficiente energía y en la orientación adecuada. La energía mínima requerida para que ocurra una reacción se conoce como la energía de activación (Ea).

EAReactivosProductos

En el ejemplo anterior, los reactivos deben superar una barrera energética (Ea) para formar productos. Cuanto mayor sea Ea, más lenta será la reacción, ya que menos moléculas tienen suficiente energía para reaccionar.

Teoría del estado de transición

La teoría del estado de transición se centra en la idea de un complejo activado, una configuración transitoria durante una reacción cuando se están rompiendo y formando enlaces simultáneamente. Este complejo, también conocido como el estado de transición, ocurre en el punto máximo de energía de la reacción.

Estado de transiciónReactivosProductosComplejo Activado

Comprender estos principios ayuda a los químicos a controlar las condiciones de reacción, como la temperatura y la presión, y a usar catalizadores que alteran la ruta de la reacción, reduciendo la barrera energética sin cambiar los estados inicial y final.

Catalizadores y enzimas

Los catalizadores desempeñan un papel importante en el aumento de las velocidades de reacción al proporcionar rutas de reacción alternativas con menores energías de activación. Las enzimas, catalizadores biológicos, son particularmente importantes en las reacciones bioquímicas.

Tipos de catalizadores

Los catalizadores pueden clasificarse como homogéneos o heterogéneos:

  • Catalizadores homogéneos: Estos catalizadores existen en la misma fase que los reactivos, generalmente en solución. Un ejemplo de esto es la esterificación catalizada por ácido de ácidos carboxílicos.
  • Catalizadores heterogéneos: Estos catalizadores están en un estado diferente al de los reactivos, a menudo catalizadores sólidos con reactivos líquidos o gaseosos. El uso de platino en convertidores catalíticos para automóviles es un ejemplo de esto.

Las enzimas son notables por su especificidad y eficiencia como catalizadores biológicos. A menudo operan bajo condiciones suaves (por ejemplo, temperatura corporal, pH neutro), controlando complejas rutas bioquímicas.

Mecanismo de reacciones

La secuencia paso a paso de reacciones elementales por la cual ocurre el cambio químico general se conoce como el mecanismo de reacción. Los mecanismos proporcionan información sobre qué enlaces se rompen y forman durante la reacción, cuál es el orden de estos eventos, y qué intermediarios están involucrados.

Reacciones primarias

Las reacciones elementales son reacciones simples que describen un único evento molecular, tal como un paso de ruptura o formación de enlaces. Estas a menudo involucran una o dos moléculas, y su estequiometría coincide con las molecularidades:

  • Monomolecular: Una sola molécula sufre descomposición o isomerización. Ejemplo: A2 → 2A
  • Bimolecular: Involucra la colisión entre dos moléculas. Ejemplo: A + B → Productos
  • Termolecular: Esto involucra tres moléculas, aunque esto es raro debido a la baja probabilidad de colisiones simultáneas. Ejemplo: 2A + B → producto

Etapa de determinación de velocidad

La etapa de determinación de velocidad (EDV) es la etapa más lenta del mecanismo y controla la velocidad general de la reacción. Actúa como un cuello de botella, limitando la velocidad a la que puede formarse el producto. Identificar la EDV es necesario para obtener la ley de velocidad a partir del mecanismo.

Estudios de caso y ejemplos

Veamos algunos ejemplos clásicos de cinética química:

Proceso Haber

El proceso Haber sintetiza amoníaco a partir de gases de nitrógeno e hidrógeno. La reacción es la siguiente:

N2 (g) + 3H2 (g) → 2NH3 (g)

Este proceso es catalizado por hierro, lo que aumenta la velocidad y permite la producción a escala industrial. La tasa de formación de amoníaco se ve afectada por la temperatura, la presión y la presencia de un catalizador.

Cinética enzimática: Mecanismo de Michaelis-Menten

Este mecanismo describe cómo las enzimas catalizan reacciones con moléculas de sustrato. La reacción simplificada es:

E + S ↔ ES → E + P

donde E es la enzima, S es el sustrato, ES es el complejo enzima-sustrato, y P es el producto. La ecuación de velocidad se expresa como:

Vmax[S]=KmTasa

v = (Vmax[S])/(Km + [S])

Aquí, Vmax es la tasa máxima de reacción, y Km es la constante de Michaelis, ambas ayudan a entender la eficiencia de la enzima.

Conclusión

La cinética química es una herramienta poderosa para comprender las velocidades y mecanismos de reacción. Ayuda a los químicos a diseñar y optimizar reacciones para procesos industriales, sistemas biológicos o el desarrollo de nuevos materiales. Al analizar velocidades y explorar factores tales como catalizadores y mecanismos de reacción, los estudios cinéticos brindan información y control sobre las transformaciones químicas importantes para los avances tecnológicos y científicos.


Doctorado → 3.3


U
username
0%
completado en Doctorado

← Anterior (3.2.4)
Métodos post-Hartree–Fock
Siguiente (3.3.1) →
Teoría de la velocidad de reacción

Comentarios 



Cinética química

https://www.chemistryelite.com/phd/3.3?ceal=es