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Lecciones de química
Curso: Lecciones de química > Unidad 17
Lección 3: Ecuación de Arrhenius y mecanismos de reacción- Teoría de las colisiones
- Ecuación de Arrhenius
- Formas de la ecuación de Arrhenius
- El uso de la ecuación de Arrhenius
- Teoría de colisiones y la distribución de Maxwell-Boltzmann
- Reacciones elementales
- Mecanismo de reacción y la ley de velocidad
- Mecanismo de reacción y la ley de velocidad
- La aproximación pre-equilibrio
- Perfiles de energía de reacciones de pasos múltiples
- Catalizadores
- Tipos de catalizadores
- Tipos de catalizadores
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Perfiles de energía de reacciones de pasos múltiples
Muchas reacciones químicas tienen mecanismos que consisten en múltiples pasos elementales. El perfil de energía para una reacción de múltiples pasos se puede usar para comparar las energías de activación de diferentes pasos e identificar el paso que determina la velocidad. El perfil de energía también se puede usar para determinar el cambio general en la energía de la reacción. Creado por Jay.
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Transcripción del video
Consideremos una reacción con el siguiente
mecanismo de varios pasos. En el paso 1, A reacciona con BC para formar AC + B, y en el
paso 2 AC reacciona con D para formar A + CD. Si sumamos los dos pasos de nuestro mecanismo,
podemos encontrar la ecuación balanceada para esta reacción hipotética, así que pondremos
todos nuestros reactantes en el lado izquierdo y tendremos todos nuestros productos en el lado
derecho, y podemos ver que AC está tanto a la izquierda como a la derecha, por lo que
podemos cancelarlo. A también está en el lado izquierdo y en el derecho, así que podemos
cancelarla. Entonces la ecuación general sería: nuestros reactantes BC + D y los productos
de nuestra reacción hipotética B + CD. Voy a copiar esta ecuación y voy a borrar un poco de
lo que puse para que quede más claro. Muy bien, pongo acá mi ecuación. Ya vimos que BC y D son
nuestros reactantes y B y CD son los productos de esta reacción hipotética. Si miramos el mecanismo
A está al principio y A está al final, pero no es un reactante ni un producto, por lo tanto debe ser
un catalizador. Otra cosa que no es un reactante o un producto es AC. Observa cómo se generó AC
en el primer paso de nuestro mecanismo, y luego, en el segundo paso, AC se agota, por lo tanto AC
debe ser el intermediario para esta reacción. A continuación veamos el perfil energético de esta
reacción de varios pasos. Los perfiles de energía suelen tener energía potencial en el eje y, y
el avance de la reacción en el eje x; entonces, a medida que nos movemos hacia la derecha en el
eje x ocurre la reacción. Esta primera línea en nuestro perfil de energía representa el
nivel de energía de nuestros reactantes, que son BC y D, así que mostremos el enlace
entre BC. También tenemos presente a D, nuestro catalizador también está presente al comienzo
de nuestras reacciones, así que dibujaré A por encima de nuestros dos reactantes. Podemos ver en
nuestro perfil energético que tenemos dos colinas: la primera colina corresponde al primer paso
del mecanismo, y la segunda colina corresponde al segundo paso. Entonces el punto más alto
de la primera es el estado de transición para el primer paso del mecanismo, y podemos ver
en el primer paso que el catalizador A está colisionando con BC o reaccionando con BC para
formar nuestro intermediario AC. Entonces A debe colisionar con BC, y en el estado de transición
el enlace entre BC se rompe, y al mismo tiempo se forma el enlace entre A y C. También tendríamos
presente el reactante D en la cima de ésta colino, así que dibujaré D aquí. Cuando A colisiona con
BC la colisión debe tener suficiente energía cinética para superar la energía de activación
necesaria para que ocurra esta reacción, y en ese perfil de energía la energía de activación
es la diferencia de energía entre los reactantes y el estado de transición, el pico de la colina.
Entonces, esta diferencia de energía corresponde a la energía de activación para el primer paso del
mecanismo que llamaremos Ea₁. Si suponemos que la colisión tiene suficiente energía cinética para
superar la energía de activación, formaremos el intermediario AC, y también formaremos B, así que
mostremos que se ha formado el enlace entre A y C. Entonces, este valle aquí entre nuestras
dos colinas representa el nivel de energía intermediario, también estaría presente B, así
que escribiré B aquí. Y luego todavía tenemos algo de D presente, que todavía no ha reaccionado,
así que dibujaré D también. A continuación estamos listos para la segunda colina o el segundo
paso de nuestro mecanismo. En el segundo paso el intermediario AC reacciona con D para
formar A y CD, entonces la cima de esta segunda colina sería el estado de transición para este
segundo paso. Podemos mostrar que el enlace entre A y C se se rompe, y al mismo tiempo se está
formando el enlace entre C y D. La diferencia de energía entre la energía del intermedio y la
energía del estado de transición, representa la energía de activación para el segundo paso
del mecanismo que llamaremos Ea₂. Entonces AC y D deben colisionar con suficiente energía
cinética para superar la energía de activación para este segundo paso. Si AC y D colisionan con
suficiente energía cinética, produciríamos A y CD, por lo que el final de esta línea representa el
nivel de energía de nuestros productos. CD es uno de nuestros productos, así que lo escribiremos
aquí. Y recuerda que B es el otro producto que formamos en el primer paso del mecanismo,
así que escribamos aquí B + CD, y también volvemos a formar nuestro catalizador por lo que
A también estaría presente aquí. A continuación comparemos la primera energía de activación Ea₁
con la segunda energía de activación Ea₂. Viendo el perfil de energía, podemos ver que Ea₁ tiene
una energía de activación mucho mayor que Ea₂, así que escribamos que Ea₁ > Ea₂, cuanto menor
sea la energía de activación más rápida será la reacción. Y dado que hay una menor energía de
activación para el segundo paso, el segundo paso debe ser el más rápido de los dos, dado que el
primer paso tiene la energía de activación más alta, el primer paso debe ser lento en comparación
con el segundo paso, y ya que el primer paso del mecanismo es el paso lento, el primer paso es el
paso que determina la velocidad. Voy a quitar esto para que el diagrama quede más claro. Finalmente
busquemos el cambio general en la energía para nuestra reacción. Para encontrar el cambio general
de energía, tenemos que ∆E, que es energía final menos inicial, por lo que será la energía de los
productos menos la energía de los reactantes, el nivel de energía de los productos está aquí,
y el nivel de energía de los reactantes está al principio. Así que permíteme extender esta línea
discontinua aquí para que podamos comparar mejor los dos. Al representar ∆E en un gráfico, sería
la diferencia de energía entre estas dos líneas, y dado que la energía de los productos es mayor
que la energía de los reactantes, estaríamos restando un número menor de un número mayor, y,
por lo tanto, ∆E sería positivo para esta reacción hipotética, y dado que ∆E es positivo, sabemos
que esta reacción es una reacción endotérmica.