Cinética

Objetivo de Aprendizaje 5.1.A: Explicar la relación entre la velocidad de una reacción química y los parámetros experimentales.

• 5.1.A.1 La cinética de una reacción química se define como la tasa a la que una cantidad de reactivos se convierte en productos por unidad de tiempo.
• 5.1.A.2 Las tasas de cambio de las concentraciones de reactivos y productos están determinadas por la estequiometría en la ecuación química balanceada.
• 5.1.A.3 La velocidad de una reacción se ve influenciada por las concentraciones de los reactivos, la temperatura, el área superficial, los catalizadores y otros factores ambientales.

Objetivo de Aprendizaje 5.2.A: Representar datos experimentales mediante una expresión de ley de velocidad consistente.

• 5.2.A.1 Los métodos experimentales pueden utilizarse para monitorear las cantidades de reactivos y/o productos de una reacción a lo largo del tiempo y para determinar la velocidad de la reacción.
• 5.2.A.2 La ley de velocidad expresa la velocidad de una reacción como proporcional a la concentración de cada reactivo elevado a una potencia.
• 5.2.A.3 La potencia de cada reactivo en la ley de velocidad es el orden de la reacción con respecto a ese reactivo. La suma de las potencias de las concentraciones de los reactivos en la ley de velocidad es el orden total de la reacción.
• 5.2.A.4 La constante de proporcionalidad en la ley de velocidad se llama constante de velocidad. El valor de esta constante depende de la temperatura y sus unidades reflejan el orden total de la reacción.
• 5.2.A.5 Comparar las velocidades iniciales de una reacción es un método para determinar el orden con respecto a cada reactivo.

Objetivo de Aprendizaje 5.3.A: Identificar la expresión de la ley de velocidad de una reacción química utilizando datos que muestran cómo cambian las concentraciones de las especies reactivas a lo largo del tiempo.

• 5.3.A.1 El orden de una reacción puede inferirse a partir de un gráfico de concentración del reactivo frente al tiempo.
• 5.3.A.2 Si una reacción es de primer orden con respecto a un reactivo que se está monitoreando, un gráfico del logaritmo natural (ln) de la concentración del reactivo en función del tiempo será lineal.
• 5.3.A.3 Si una reacción es de segundo orden con respecto a un reactivo que se está monitoreando, un gráfico del recíproco de la concentración de ese reactivo frente al tiempo será lineal.
• 5.3.A.4 Las pendientes de los datos de concentración frente al tiempo para reacciones de orden cero, primero y segundo pueden utilizarse para determinar la constante de velocidad de la reacción.
  • Orden cero:
  • Ecuación: $[\mathrm{A}]_t - [\mathrm{A}]_0 = -kt$
  • Primer orden:
  • Ecuación: $\ln[\mathrm{A}]_t - \ln[\mathrm{A}]_0 = -kt$
  • Segundo orden:
  • Ecuación: $1/[\mathrm{A}]_t - 1/[\mathrm{A}]_0 = kt$
• 5.3.A.5 La semivida es un parámetro crítico para las reacciones de primer orden porque la semivida es constante y está relacionada con la constante de velocidad de la reacción mediante la ecuación:
  • Ecuación: $t_{1/2} = 0.693/k.$
• 5.3.A.6 Los procesos de desintegración radiactiva proporcionan una ilustración importante de la cinética de primer orden.

Objetivo de Aprendizaje 5.4.A: Representar una reacción elemental como una expresión de ley de velocidad utilizando la estequiometría.

• 5.4.A.1 La ley de velocidad de una reacción elemental puede deducirse a partir de la estequiometría de las partículas que participan en una colisión.
• 5.4.A.2 Las reacciones elementales que implican la colisión simultánea de tres o más partículas son raras.

Objetivo de Aprendizaje 5.5.A: Explicar la relación entre la velocidad de una reacción elemental y la frecuencia, energía y orientación de las colisiones de partículas.

• 5.5.A.1 Para que una reacción elemental produzca productos con éxito, los reactivos deben chocar exitosamente para iniciar eventos de ruptura y formación de enlaces.
• 5.5.A.2 En la mayoría de las reacciones, solo una pequeña fracción de las colisiones conduce a una reacción. Las colisiones exitosas tienen tanto la energía suficiente para superar los requisitos de energía de activación como orientaciones que permiten que los enlaces se reorganicen de la manera requerida.
• 5.5.A.3 La curva de distribución de Maxwell-Boltzmann describe la distribución de las energías de las partículas; esta distribución puede utilizarse para obtener una estimación cualitativa de la fracción de colisiones con energía suficiente para dar lugar a una reacción, así como cómo depende esa fracción de la temperatura.

Objetivo de Aprendizaje 5.6.A: Representar la energía de activación y el cambio total de energía en una reacción elemental utilizando un perfil de energía de la reacción.

• 5.6.A.1 Las reacciones elementales típicamente implican la ruptura de algunos enlaces y la formación de nuevos.
• 5.6.A.2 La coordenada de reacción es el eje a lo largo del cual se puede trazar el conjunto complejo de movimientos involucrados en la rearrangulación de los reactivos para formar productos.
• 5.6.A.3 El perfil de energía proporciona la energía a lo largo de la coordenada de reacción, que típicamente avanza desde los reactivos, pasando por un estado de transición, hasta los productos. La diferencia de energía entre los reactivos y el estado de transición es la energía de activación para la reacción directa.
• 5.6.A.4 La velocidad de una reacción elemental depende de la temperatura porque la proporción de colisiones de partículas que tienen suficiente energía para alcanzar el estado de transición varía con la temperatura. La ecuación de Arrhenius relaciona la dependencia de la temperatura de la velocidad de una reacción elemental con la energía de activación necesaria para que las colisiones moleculares alcancen el estado de transición.
  • Declaración de exclusión: No se evaluarán cálculos que involucren la ecuación de Arrhenius en el Examen AP.

Objetivo de Aprendizaje 5.7.A: Identificar los componentes de un mecanismo de reacción.

• 5.7.A.1 Un mecanismo de reacción consiste en una serie de reacciones elementales, o pasos, que ocurren en secuencia. Los componentes pueden incluir reactivos, intermediarios, productos y catalizadores.
• 5.7.A.2 Al combinar los pasos elementales, estos deben coincidir con la ecuación global balanceada de una reacción química.
• 5.7.A.3 Un intermediario de reacción es producido por algunos pasos elementales y consumido por otros, de modo que solo está presente mientras ocurre la reacción.
• 5.7.A.4 La detección experimental de un intermediario de reacción es una forma común de recopilar evidencia para apoyar un mecanismo de reacción sobre otro alternativo.
  • Afirmación de exclusión: La recopilación de datos relacionados con la detección de un intermediario de reacción no será evaluada en el Examen AP.

Objetivo de Aprendizaje 5.8.A: Identificar la ley de velocidad para una reacción a partir de un mecanismo en el cual el primer paso es limitante de la velocidad.

• 5.8.A.1 Para mecanismos de reacción en los que cada paso elemental es irreversible, o en los cuales el primer paso es limitante de la velocidad, la ley de velocidad de la reacción está determinada por la molecularidad del paso elemental más lento (es decir, el paso limitante de la velocidad).
  • Afirmación de exclusión: La recolección de datos relacionada con la detección de un intermediario de reacción no será evaluada en el Examen AP.

Objetivo de Aprendizaje 5.9.A: Identificar la ley de velocidad de una reacción a partir de un mecanismo en el cual el primer paso no es limitante.

• 5.9.A.1 Si la primera reacción elemental no es limitante, deben realizarse aproximaciones (como la de pre-equilibrio) para determinar una expresión de la ley de velocidad.

Objetivo de Aprendizaje 5.10.A: Representar la energía de activación y el cambio de energía total en una reacción multietapa mediante un perfil de energía de reacción.

• 5.10.A.1 El conocimiento de la termodinámica de cada reacción elemental en un mecanismo permite construir un perfil de energía para una reacción multietapa.

Objetivo de aprendizaje 5.11.A: Explicar la relación entre el efecto de un catalizador en una reacción y los cambios en el mecanismo de reacción.

• 5.11.A.1 Para que un catalizador aumente la velocidad de una reacción, la adición del catalizador debe aumentar el número de colisiones efectivas y/o proporcionar una trayectoria de reacción con una energía de activación más baja en relación con la coordenada de reacción original.
• 5.11.A.2 En un mecanismo de reacción que contiene un catalizador, la concentración neta del catalizador es constante. Sin embargo, el catalizador frecuentemente se consume en el paso determinante de la velocidad de la reacción, solo para ser regenerado en un paso posterior del mecanismo.
• 5.11.A.3 Algunos catalizadores aceleran una reacción al unirse a los reactivo(s). Los reactivos se orientan de manera más favorable o reaccionan con menor energía de activación. A menudo existe un nuevo intermediario de reacción en el cual el catalizador está unido a los reactivo(s). Muchas enzimas funcionan de esta manera.
• 5.11.A.4 Algunos catalizadores implican enlace covalente entre el catalizador y los reactivo(s). Un ejemplo es la catálisis ácido-base, en la cual un reactivo o intermediario gana o pierde un protón. Esto introduce un nuevo intermediario de reacción y nuevas reacciones elementales que involucran a dicho intermediario.
• 5.11.A.5 En la catálisis superficial, un reactivo o intermediario se une a la superficie o forma un enlace covalente con ella. Esto introduce reacciones elementales que involucran a estos nuevos intermediarios de reacción unidos.