La comida se cocina lentamente si el gas se mantiene a baja temperatura mientras se cocina. Sin embargo, cuando elevamos la temperatura a su configuración más alta, la comida se cocina rápidamente. Como resultado, el aumento de la temperatura aumenta la velocidad de una reacción. La ecuación de Arrhenius ayuda a explicar esta relación velocidad-temperatura. Echemos un vistazo a esta ecuación y veamos cómo funciona.
Dependencia de la temperatura de la velocidad de una reacción
La energía de activación entra en juego. Una reacción ocurre cuando las moléculas de los reactivos chocan entre sí, de acuerdo con la teoría de la colisión. La energía umbral es la cantidad más pequeña de energía que deben tener las moléculas que chocan para que su colisión sea efectiva.
La energía de activación es la cantidad adicional más baja de energía absorbida por las moléculas reactivas para que su energía iguale el valor umbral.
Energía umbral = Energía de activación + Energía poseída.
Cuanto menor sea la energía de activación, más rápida será la reacción. Los reactivos deben superar una barrera energética para poder transformarse en productos. Las moléculas reactivas absorben energía y crean un intermediario llamado complejo activado, que se disocia en los productos casi instantáneamente.
De izquierda a derecha, se visualiza el diagrama. Al principio, el sistema contiene únicamente reactivos (A + B). Cuando colisionan moléculas de reactivos con suficiente energía, generan un complejo activado de alta energía o un estado de transición. Después de eso, el estado de transición inestable decae para producir productos estables (C+ D).
La energía de activación de la reacción, E a , se muestra como la diferencia de energía entre los reactivos y el estado de transición en el diagrama. El cambio de entalpía de la reacción (H) es igual a la diferencia de energía entre los reactivos y los productos. La reacción es exotérmica (H<0) en este ejemplo porque da como resultado una caída en la entalpía del sistema.
Dependencia de la temperatura de la velocidad de una reacción
La constante de velocidad se duplica aproximadamente para un proceso químico cuando la temperatura aumenta diez grados.
Coeficiente de temperatura = Constante de velocidad a T + 10 ° / Constante de velocidad a T °
Explicación
Si las fracciones de moléculas se trazan frente a las energías cinéticas correspondientes a una temperatura específica, se crea un gráfico similar al que se muestra. La energía cinética más probable está representada por el pico de la curva, que indica la energía cinética que posee la mayor fracción de moléculas.
Con el aumento de la temperatura
- El máximo de la curva cambia a un valor de energía más alto, lo que indica que la energía cinética más probable aumenta.
- La curva se desplaza hacia la derecha, lo que indica que hay más moléculas con energías muy altas.
Dado que la probabilidad total siempre debe ser uno, el área bajo la curva permanece constante. En (t + 10), la región que representa la fracción de moléculas con energía igual o mayor que la energía de activación se duplica, dando como resultado una velocidad de reacción duplicada.
Efecto de la temperatura
La temperatura es una de las variables que tienen un impacto significativo en la velocidad de una reacción química. Con frecuencia se ha visto leche hirviendo en una estufa de gas. La velocidad a la que hierve cierta cantidad de leche está determinada por la llama de la estufa. La leche hierve más rápido si la altura de la llama está ajustada al máximo, mientras que tarda más si la altura de la llama está ajustada al mínimo. La altura de la llama aquí corresponde a la temperatura.
Cuando la temperatura es alta, la leche hierve más rápido, y cuando la temperatura es baja, la leche tarda más en hervir. La temperatura tiene un impacto en muchas reacciones, incluida la ebullición de la leche. La velocidad de reacción de la mayoría de las reacciones químicas cambia a medida que cambia la temperatura.
Por cada 10 grados centígrados de aumento en la temperatura, la constante de velocidad de una reacción química se duplica. No hubo medios definidos para medir físicamente la dependencia de la temperatura del ritmo de una reacción química hasta 1889. Svante Arrhenius mejoró el trabajo de JH van’t Hoff en 1889 al proponer una ecuación que conectaba cuantitativamente la temperatura y la constante de velocidad de un proceso. Ecuación de Arrhenius fue el nombre que se le dio a la ecuación propuesta.
Ecuación de Arrhenius
La ecuación de Arrhenius puede explicar cuantitativamente la dependencia de la temperatura de la velocidad de un proceso químico.
k = Ae -E a /RT
El factor de Arrhenius, también conocido como factor de frecuencia o factor preexponencial, está representado por A. E a es la energía de activación en julios/mol y R es la constante de los gases.
La fracción de moléculas con energía cinética mayor que E a está representada por el factor e -E a /RT .
Como resultado de la ecuación de Arrhenius, se ha descubierto que el aumento de la temperatura o la disminución de la energía de activación provoca un aumento de la velocidad de reacción y un aumento exponencial de la constante de velocidad.
Tomando ambos lados del logaritmo natural de la ecuación
ln k = -(E a /RT) + ln A
Se dibuja una línea recta con pendiente cuando se grafica ln k vs 1/T = -(E a /R) y el intercepto = ln A
A la temperatura T 1 , ecuación
ln k 1 = E a /RT 1 + ln A
A la temperatura T 2 , ecuación
ln k 2 = E a /RT 2 + ln A
Para una reacción dada, A es constante.
Los valores de las constantes de velocidad para las temperaturas T 1 y T 2 son k 1 y k 2 , respectivamente.
Forma de ecuación de resta,
ln k 2 – ln k 1 = (E a /RT 1 ) – (E a /RT 2 )
ln (k 2 /k 1 ) = E a /R ((1/T 1 )-(1/T 2 ))
log k 2 /k 1 = (E a /2.303R) × ((1/T 1 )-(1/T 2 ))
log k 2 /k 1 = (E a /2.303R) × ((T 2 -T 1 )/(T 1 T 2 ))
Descripción gráfica del efecto de la temperatura
Se ha descubierto que la energía cinética promedio de las moléculas es proporcional a la temperatura. Una reacción bimolecular, de acuerdo con la teoría de la colisión, ocurre solo cuando las moléculas que reaccionan chocan con la energía cinética adecuada y la orientación adecuada.
La fracción de moléculas con energía cinética igual o superior a E a a una temperatura determinada puede dar lugar al producto. A medida que aumenta la temperatura, aumenta la proporción de moléculas con energías iguales o superiores a (>= E a ). Como resultado, la velocidad de reacción aumentaría. El gráfico de una fracción de moléculas con energía cinética particular frente a la energía cinética para dos temperaturas distintas T 1 y T 2 ilustra esto.
El número de moléculas que tienen esos niveles de energía cinética es proporcional al área bajo la curva. En T 1 y T 2 , toda el área es la misma. La fracción de moléculas con energía cinética mayor que E a en T 1 y T 2 están representadas por las áreas (a) y (b). Esto significa que cuando aumenta la temperatura, aumenta el porcentaje de moléculas que tienen energías superiores a Ea. Como resultado, la velocidad de la reacción se acelera.
Efecto del catalizador
Un catalizador es un material que aumenta la velocidad de una reacción sin sufrir cambios químicos duraderos. Idea de complejo intermedio: un catalizador forma enlaces transitorios con los reactivos para producir un complejo intermedio, según esta teoría. Este complejo se descompone con el tiempo, liberando productos y el catalizador.
Un catalizador disminuye la barrera de energía potencial al disminuir la energía de activación. Como resultado, el catalizador proporciona una ruta de reacción alternativa. Catalice una gran cantidad de reactivos con una cantidad mínima de catalizador. La energía de Gibbs no cambia con un catalizador. Un catalizador solo puede catalizar reacciones espontáneas y no reacciones no espontáneas. Además, un catalizador no altera la constante de equilibrio; más bien, ayuda a lograr más rápidamente el equilibrio.
Problemas de muestra
Pregunta 1: En productos químicos, ¿cuál es la velocidad de reacción?
Responder:
La frecuencia con la que ocurre una reacción química se conoce como velocidad de reacción en química. También se puede describir en términos de la concentración de un material generado en una unidad de tiempo (cantidad por unidad de volumen) o la concentración de un reactivo absorbido en una unidad de tiempo.
Pregunta 2: ¿Cómo acelera una enzima una reacción?
Responder:
Las enzimas son enzimas que actúan como catalizadores bioquímicos. Los catalizadores reducen la cantidad de energía requerida para iniciar las reacciones. La energía de activación de una reacción disminuye a medida que aumenta la velocidad de la reacción. Las enzimas también aceleran los procesos al disminuir la energía de activación.
Pregunta 3: Explique la dependencia de la temperatura de la velocidad de una reacción.
Responder:
La constante de velocidad se duplica aproximadamente para un proceso químico cuando la temperatura aumenta diez grados.
Coeficiente de temperatura = Constante de velocidad a T + 10° / Constante de velocidad a T°
Explicación:
Si las fracciones de moléculas se trazan frente a las energías cinéticas correspondientes a una temperatura específica, se crea un gráfico similar al que se muestra. La energía cinética más probable está representada por el pico de la curva, que indica la energía cinética que posee la mayor fracción de moléculas.
Con aumento de temperatura:
El máximo de la curva cambia a un valor de energía más alto, lo que indica que la energía cinética más probable aumenta. La curva se desplaza hacia la derecha, lo que indica que hay más moléculas con energías muy altas.
Dado que la probabilidad total siempre debe ser uno, el área bajo la curva permanece constante. En (t +10), la región que representa la fracción de moléculas con energía igual o mayor que la energía de activación se duplica, lo que resulta en una velocidad de reacción duplicada.
Pregunta 4: Defina el efecto de la temperatura.
Responder:
La temperatura es una de las variables que tiene un impacto significativo en la velocidad de una reacción química. Con frecuencia se ha visto leche hirviendo en una estufa de gas. La velocidad a la que hierve cierta cantidad de leche está determinada por la llama de la estufa. La leche hierve más rápido si la altura de la llama está ajustada al máximo, mientras que tarda más si la altura de la llama está ajustada al mínimo. La altura de la llama aquí corresponde a la temperatura.
Cuando la temperatura es alta, la leche hierve más rápido, y cuando la temperatura es baja, la leche tarda más en hervir. La temperatura tiene un impacto en muchas reacciones, incluida la ebullición de la leche. La velocidad de reacción de la mayoría de las reacciones químicas cambia a medida que cambia la temperatura.
Por cada 10° Celsius de aumento en la temperatura, la constante de velocidad de una reacción química se duplica. No hubo medios definitivos para medir físicamente la dependencia de la temperatura del ritmo de una reacción química hasta 1889. Svante Arrhenius mejoró el trabajo de JH van’t Hoff en 1889 al proponer una ecuación que conectaba cuantitativamente la temperatura y la constante de velocidad de un proceso. Ecuación de Arrhenius fue el nombre que se le dio a la ecuación propuesta.
Pregunta 5: ¿Qué papel juega el pH en la velocidad de reacción?
Responder:
Las reacciones químicas se pueden acelerar o ralentizar cambiando el pH, la temperatura o la concentración del sustrato. El complejo enzimático con el que interactúa se denomina sustrato. La velocidad de reacción de la enzima aumenta con el pH apropiado, pero disminuye con un pH inferior al óptimo. Eventualmente se daña cuando una enzima se desnaturaliza.
Pregunta 6: Explique brevemente el efecto del catalizador.
Responder:
Un catalizador es un material que aumenta la velocidad de una reacción sin sufrir cambios químicos duraderos. Idea de complejo intermedio: un catalizador forma enlaces transitorios con los reactivos para producir un complejo intermedio, según esta teoría. Este complejo se descompone con el tiempo, liberando productos y el catalizador.
Un catalizador disminuye la barrera de energía potencial al disminuir la energía de activación. Como resultado, el catalizador proporciona una ruta de reacción alternativa. Catalice una gran cantidad de reactivos con una cantidad mínima de catalizador. La energía de Gibbs no es cambiada por un catalizador. Un catalizador solo puede catalizar reacciones espontáneas y no reacciones no espontáneas. Además, un catalizador no altera la constante de equilibrio; más bien, ayuda a lograr más rápidamente el equilibrio.
Pregunta 7: Escriba la ecuación de Arrhenius y explique los términos involucrados en ella.
Responder :
k = Ae -E a /RT
Dónde,
k = constante de velocidad de la reacción
A = Constante de Arrhenius
E a = Energía de activación de la reacción (en Joules mol -1 )
R = constante universal de gas
T = Temperatura en escala absoluta (en kelvins)
Publicación traducida automáticamente
Artículo escrito por bhagyashrijadhav25630 y traducido por Barcelona Geeks. The original can be accessed here. Licence: CCBY-SA