Cálculo de parámetros de rapidez en cinética química, cinética enzimática y catálisis heterogénea

Por Yolanda Marina Vargas Rodríguez y Adolfo Eduardo Obaya Valdivia

En esta propuesta, se presentan problemas para determinar el orden y las constantes de reacción por métodos diversos como: método integral gráfico, método de determinación de constantes, método de vida media, método de rapidez inicial, método de Powell, etcétera; utilizando, como herramienta com-putacional, la hoja de cálculo Excel.

• Idioma: Español
• Editorial: UNAM, Facultad de Estudios Superiores Cuautitlán
• Fecha de lanzamiento: 9 may 2023
• ISBN: 9786073058421

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1. INTRODUCCIÓN

Cuando se mezclan dos sustancias diferentes, la reacción química puede llevarse a cabo o no. Si se efectúa la reacción, es importante conocer cuáles son los productos, cuál es el grado de conversión de los reactantes y con qué rapidez se constituyen los productos. La dirección y el grado de conversión de la reacción es función de la estabilidad termodinámica del sistema en estudio. En consecuencia, el cambio de energía libre de un sistema determinado sólo nos indica si una reacción es espontánea o no, pero no da información por medio de qué mecanismo o con qué rapidez se realiza la reacción química.

La Cinética química se encarga del estudio de la rapidez de las reacciones químicas, y además tiene como objetivo, el estudio de los factores que influyen en la rapidez de un proceso químico como temperatura, cambios de concentración de reactantes, adición de catalizadores, modificación de pH, fuerza iónica, constante dieléctrica, etc. La finalidad de los estudios cinéticos es muy amplia, por ejemplo:

a) En síntesis química o microbiológica de productos en nivel industrial.

Estudios de rapidez de reacción en condiciones específicas para un rendimiento óptimo.

b) En investigación de mecanismos de reacción.

Determinación de los órdenes de reacción parcial, para saber cuántas moléculas de cada reactante participan antes de la etapa limitante de la rapidez de reacción.

En el caso de reacción por marcaje isotópico, se puede investigar sobre la diferencia de rapidez de la reacción, teniendo al isótopo enlazado estereoquímicamente en otra posición o a un átomo diferente.

c) En conservación de estratos, materias primas, productos químicos, alimentos, etc.

Cálculos de rapidez de descomposición por efecto de luz, oxígeno, humedad y temperatura, para un almacenaje adecuado.

d) En estabilidad e incompatibilidad.

La rapidez del proceso que provoca la inactivación del fármaco por descomposición o por conversión a la forma química o física menos favorable por efecto de temperatura para indicar fechas de caducidad.

e) En procesos de absorción, distribución y eliminación de fármacos.

Rapidez de absorción de un fármaco en el cuerpo, rapidez a la cual es subsecuentemente distribuida, rapidez a la cual se remueve a su distribución original para una posología adecuada.

f) En diseño de reactores para la industria química.

En donde es necesario conocer la rapidez de las reacciones químicas para determinar las dimensiones y tipo de los reactores.

2. CONCEPTOS BÁSICOS

2.1. Procesos homogéneos y heterogéneos

Una de las clasificaciones de las reacciones químicas hecha desde el punto de vista de la Cinética química es: Homogéneas y Heterogéneas.

2.1.1. Reacciones homogéneas

Son aquellas que tienen lugar en una sola fase, es decir en fase gaseosa o líquida.

2.1.2. Reacciones heterogéneas

Se produce en más de una fase. El tipo de reacción más común tiene una rapidez que depende del área de la superficie expuesta a la mezcla de reacción. Esta superficie puede ser la pared interna del recipiente de reacción o la de un catalizador sólido.

Si la reacción es homogénea, la rapidez de reacción no se ve afectada por el área de superficie expuesta a la mezcla de reacción.

2.2. Rapidez de reacción

La rapidez de una reacción química se expresa como el cambio de la concentración de un reactante o producto en función del tiempo. Las unidades de la rapidez son generalmente: moles por litro por segundo, para las reacciones en disolución; y moles por centímetro cúbico por segundo, para los procesos en fase gaseosa. Por ejemplo, considérese la siguiente reacción:

aA + bB → pP

La rapidez se expresa matemáticamente por medio del cambio en la concentración del reactante A, B o del producto P en función del tiempo:

Donde r es la rapidez de reacción. [A] y [B] indican las concentraciones de los reactantes A y B y [P] indica la concentración del producto P en moles por litro; el tiempo t se mide en segundos. Los signos negativos indican que las concentraciones de A y B decrecen en el transcurso del tiempo y el signo positivo indica que la concentración de P aumenta con el tiempo. Cuando se estudia la rapidez de una reacción, se debe indicar que sustancia se utiliza como referencia.

2.3. Ley de rapidez

La expresión matemática que relaciona la rapidez de una reacción química con las concentraciones de los reactantes o de los productos se conoce como ley de rapidez. La ley de rapidez de una reacción se debe determinar experimentalmente, no se puede deducir de la ecuación balanceada correspondiente a la reacción.

Si se tiene la reacción:

A + B → P

La rapidez viene dada por la siguiente relación:

En donde la constante de proporcionalidad k es la constante específica de rapidez de la