Universidad Nacional de Ingeniería
Cinética Química
CINETICA QUIMICA
1.-OBJETIO !ENE"#$% • • •
Com&ro'ar (ue la variaci)n de la concentraci)n modi*ica la velocidad de reacci)n (uímica+ a tem&eratura constante. ,emostrar a su ve deducir el e*ecto de la tem&eratura so're la velocidad de una reacci)n. Entender los *actores (ue in*luen en la velocidad de una reacci)n a&render a modi*icarlos en el sentido (ue &ermitan acelerar o retardar los &rocesos (uímicos seg/n nos convengan.
0.-UN,#2ENTO TEO"ICO% $a cinética Química% En una reacci)n (uímica los reactivos desa&arecen &rogresivamente en el transcurso de la reacci)n+ mientras los &roductos a&arecen. $a velocidad de reacci)n &ermite medir c)mo varían las cantidades de reactivos &roductos a lo largo del tiem&o. $a velocidad de una reacci)n (uímica est3 a*ectada &or varios *actores+ de los cuales los m3s so'resalientes son% 1.- Concentraci)n de los reactivos. 0.- Tem&eratura. 4.- Cataliador. Cataliador. 5.- Estado *ísico de los reactivos. Utiliando la concentraci)n como medida de la cantidad de sustancia se de*ine la velocidad de reacci)n como la variaci)n de concentraci)n de reactivo o &roducto &or unidad de tiem&o. 6ara una reacci)n r eacci)n genérica e7&resada &or% a# 8 'B 9 c, 8 d,
a: a: ;d <#=> dt
': ;d dt
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$a velocidad de una reacci)n en un instante dado es igual a la &endiente de la recta tangente a la curva concentraci)n-tiem&o+ en el &unto corres&ondiente a ese instante. $a velocidad de "eacci)n% Indica la variaci)n de una &ro&iedad con el tiem&o. v :∆7> ∆ t ,onde% 7 : &ro&iedad ?concentraci)n+ ?concentraci)n+ &resi)n+ conductividad+@A. $a velocidad de la reacci)n e7&resa la ra&ide con (ue se consume un reactivo dado o se *orma un &roducto. "eactantes% desa&arecen con el tiem&o ?signo negativoA. 6roductos% a&arecen con el tiem&o ?signo &ositivoA. 6ara la siguiente reacci)n% #
B
6ara un intervalo de tiem&o dado+ &odemos e7&resar la velocidad media de reacci)n como el aumento del n/mero de moles de B a lo largo de un intervalo de tiem&o. elocidad media de *ormaci)n de B : 8 ∆?moles de BA > ∆ t 6odemos tam'ién e7&resar la velocidad en *unci)n de las moles de # elocidad media de desa&arici)n de # : - ∆?moles de #A > ∆ t elocidad elocidad en término de concentraci)n. i el volumen no cam'ia &odemos e7&resar la velocidad de una reacci)n en término de la concentraci)n. elocidad elocidad media de *ormaci)n de B : 8 ∆ ∆ t $a velocidad instant3nea se o'tiene de la tangente (ue toca la curva en el &unto de interés. elocidad elocidad instant3nea de *ormaci)n de B : 8 d dt
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elocidad de reacci)n este(uiometria. (ué sucede cuando las relaciones este(uiométricas no son uno a unoD En general &ara una reacci)n a # 8 ' B 1
v : -
a
d [ A ] dt
1
: -
b
d [B] dt
cC8d, 1
:
c
d [ C ] dt
1
:
d
d [ D ] dt
#CTO"E ,E $O QUE ,E6EN,E $# E$OCI,#,. ,E6EN,ENCI# ,E $# E$OCI,#, CON $# CONCENT"#CION% $E ,E E$OCI,#,. O",EN ,E "E#CCIFN. Ecuaci)n de velocidad. Ecuaci)n (ue relaciona la velocidad de la reacci)n con las concentraciones de los reactivos. $as ecuaciones de velocidad &ara casi todas las reacciones tienen la *orma v : G <#= m
5 NO0?gA 8 O0?gA v : G 0
CKCl4?gA 8 Cl0?gA K0?gA 8 I0?gA
0 KI?gA v : G
El orden de reacci)n no corres&onde a los coe*icientes este(uiométricos. En mucLas reacciones el orden de reacci)n es M+ 1 + 0 o n/mero *raccionario. $a ecuaci)n de velocidad nos indica c)mo cam'ia la velocidad de una reacci)n a una tem&eratura es&ecí*ica con*orme modi*icamos las concentraciones de los reactivos. $a ecuaci)n de velocidad &ara cual(uier reacci)n (uímica de'e determinarse de *orma e7&erimental. E7isten di*erentes métodos &ara o'tener la le de velocidad de una reacci)n% a. $ees di*erenciales de velocidad. '. elocidades iniciales. c. $e integral de velocidad. iene de integrar la le di*erencial de velocidad &ara un orden de reacci)n dado. e de'e conocer el orden de reacci)n. $ees integradas &ara un s)lo reactante. amos a considerar la o'tenci)n de la le de velocidad &ara reacciones de ti&o # B+ es decir en (ue la velocidad se &uede e7&resar en término de la concentraci)n de un /nico reactivo. "eacciones de orden cero%
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v:-
d [ A ] dt
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:G<#=M
Integrando la ecuaci)n di*erencial &ara una concentraci)n inicial <#= M a tiem&o cero. - d<#= : G dt se o'tiene <#= :<#= M Gt Ecuaci)n (ue sigue la ecuaci)n general de una recta. : ' 8 m7 ' : ordenada en el origen ?M+MA : <#= M m : &endiente "e&resentando <#= en *unci)n del tiem&o se o'tendr3 una recta &endiente G.
"eacciones de &rimer orden% v:-
d [ A ] dt
:G<#=1
Integrando la ecuaci)n di*erencial &ara una concentraci)n inicial <#= M a tiem&o cero. - d<#=> <#= : G dt
d<#= ><#=: - G dt
$n <# = ><# = o = -Gt
$n <#= : $n <#=o - G t
M+M : ln<#= o &endiente : -G ?t 1 A "e&resentando $n<#= en *unci)n del tiem&o se o'tendr3 una recta &endiente G.
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"eacciones de egundo Orden% v:-
d [ A ] dt
:G<#=0
Integrando la ecuaci)n di*erencial &ara una concentraci)n inicial <#=o a tiem&o cero. - d<#=> <#= 0 : G dt 1><#= :1><#=o 8Gt #l re&resentar 1><#= *rente al tiem&o si la reacci)n es de segundo orden res&ecto a # dar3 una recta &endiente P ordenada en el origen 1><#=o
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4.-6ICTO!"#2#% #gua O7igenada?K0O0A "iesgos% O7idante *uerte corrosivo. #l contacto con otro material &uede causar *uego. #l contacto con los oos &uede dar lugar a daHos &ermanentes. 6recauciones% Evacuar o aislar el 3rea de &eligro. entilar eliminar toda 3rea. Usar agua en *orma de roci) &ara reducir los va&ores. 6rimeros #u7ilios% InLalaci)n% Trasladar al aire *resco. i no res&ira administrar re&araci)n arti*icial. No usar el método 'oca 'oca. Buscar atenci)n médica inmediata. Ingesti)n% i est3 consciente+ suministrar a'undante agua. No inducir al vomito 6iel% $avar la ona a*ectada mínimo 1min. Usos o #&licaciones% Blan(ueadores de Te7tiles+ &a&el en la &roducci)n de (uímicos &l3sticos+ electro &lateados+ *armacéuticos+ tratamiento de agua lim&iea de materiales. Cloruro érrico?eCl 4A "iesgos% ,osis re&etidas &ueden causar &osi'le daHo al Lígado al &3ncreas. Irritaci)n + (uemaduras+ edema &ulmonar 6recauciones% Utilice ventilaci)n de tirae *orado local donde se &uede generar &olvo o nie'la. #seg/rese del cum&limiento de los límites de e7&osici)n (ue corres&ondan. 6rimeros #u7ilios% InLalaci)n% i ocurre una emergencia lleve al a*ectado a un 3rea descontaminada. ,ele res&iraci)n sino res&ira. Contacto con la &iel %Enuague inmediatamente con agua las onas contaminadas Contacto con los oos% Enuague inmediatamente los oos con un cLorro de agua directo durante al menos 1 minutos mantenga a'iertos los &3r&ados &ara garantiar (ue se aclare todo el oo los teidos del &3r&ado. Ingesti)n% Nunca dé nada en la 'oca a una &ersona 6
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inconsciente o con convulsiones. i trag) el &roducto+ no induca el v)mito. Usos o #&licaciones% Tratamiento de aguas ?e*luentes cloacales e*luentes industrialesA.
cido ul*/rico?K0O5A "iesgos% "iesgo de Incendio e7&losi)n en contacto con 'ases+ sustancias com'usti'les+ o7idantes+ agentes reductores o agua. 6recauciones% entilaci)n+ e7tracci)n localiada+ trae de &rotecci)n+ no comer+ ni *umar+ ni 'e'er durante su uso. 6rimeros #u7ilios% InLalaci)n% #ire $im&io re&oso Contacto con la &iel% $avar con agua a'undante. Ingesti)n% Enuagar la 'oca no &rovocar el vomito Usos o #&licaciones% e utilia en la industria de ertiliantes.
6ermanganato de &otasio?P2nO 5A "iesgos% "iesgos de uego e7&losi)n+ es un com&uesto no in*lama'le. in em'argo los reci&ientes (ue lo contienen &ueden e7&lotar al calentarse. 6recauciones% No res&irar los va&ores aerosoles. Evacue el 3rea de &eligro+ res&ire los &rocedimientos de emergencia+ consulte con un médico. 6rimeros #u7ilios% InLalaci)n% Trans&ortar a la víctima en una ona 'ien ventilada Oos% $avarlos con agua corriente asegurarse de a'rir 'ien los &ar&ados+ &or lo menos durante 1 min. 6iel% Eliminar la ro&a contaminada si es necesario lavar la ona a*ectada con corriente. Ingesti)n% No induca al vomito Usos o #&licaciones% e a&rovecLan tam'ién sus &ro&iedades desin*ectantes en desodorantes. e utilia &ara tratar algunas en*ermedades &arasitarias 7
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de los &eces+ o en el tratamiento de algunas a*ecciones de la &iel como Longos o dermatosis.
5.-6#"TE ER6E"I2ENT#$% Experimento Nº1: Determinación de la concentración inicial del peróxido de hidrógeno H! a temperat"ra am#iente$
1. O'servaciones e7&erimentales% • El &ro*esor &re&ar) la soluci)n madre de K 0O0 adicionando 1SM ml de K0O0 de 4M ol/menes ?4MA en una *iola de 1 litro. • $o enras) con agua &uri*icada la Lomogenio agit3ndola. • inalmente &uso la soluci)n en una 'ureta de M ml &ara el uso de los alumnos durante la e7&eriencia. 0. ,iagrama de &rocesos%
ig. 1.1 e utilia #gua O7igenada
ig. 1.0. e realia una titulaci)n
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ig.1.4 e &rocede a agitar la soluci)n.
ig. 1.5 e agita Lasta o'servar un cam'io de calor
Ta'la 1 e muestra los datos (ue se realio en la e7&eriencia 4. C3lculos resultados% V Om de
%ol"ción madre
& de H 2 S O4
Temperat"ra de la & de ) Mn O4 0.05 N me(cla t 0
'$1N
gastadoenla
titulaciónVg
eCl 4
1' ml
1Mml
00 C
01.0 ml
0P2nO5 8 K0O0 8 4K0O5 9 P0O5 8 02nO5 8 VK0O 8 O0 0eCl4 8 K0O0 90eCl0 8 0KCl 8 O0 0P2nO5 8 K0O0 8 4K0O5 9 P0O5 8 02nO5 8 VK0O 8 O0 e determinar3 la concentraci)n inicial de H O 2
2
a tem&eratura am'iente.
,atos% gastado : 01.0 m$+ T de la mecla : 00 C eg/n la &rimera ecuaci)n% N2ol ?K0O0A : >0Nmol ?P2nO5A R gastado N2ol ?K0O0A : >0 7 M.M701.071M-4 :0.S71M-4 moles volumen M.5V71M-4 : .02. 5. Inter&retaci)n de resultados% H O M.1 N nos da el • # la soluci)n madre al agregarle medio 3cido &ara realiar la titulaci)n redo7. O M.M N la • #l realiar la titulaci)n de la mecla con P2n soluci)n incolora cam'ia ligeramente de color a rosado. 2
4
4
. Comentarios a&reciaciones%
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#l usar la 'ureta &ara realiar la titulaci)n es recomenda'le &oner a'ao una Loa &ara &roteger el entorno+ ante el goteo del P2n O . 4
S. Conclusiones.% • Una ve realiada la titulaci)n agitamos r3&idamente notamos (ue se *orma un &reci&itado en *orma &ermanentes aLí donde la soluci)n es esta'le.
Experimento N*: +elocidad de de%compo%ición del H!
1. O'servaciones e7&erimentales% • #l agregar eCl4 a K0O0 esta se torna de un color narana • Bur'ueo en el vaso (ue contiene K 0O0 con eCl 4. • #l agregar P2nO5 al vaso (ue contiene K 0O0 en un inicio se *orma incoloro. 0. Ecuaciones (uímicas% 2H2O2 (ac)
→ FeCl
3
H2O (l) + O 2 (g) +2
( )
( )
( )
−2
(
)
( )
( )
4. Inter&retaci)n de las ecuaciones (uímicas% eCl4 *unciona como cataliador en la reacci)n de • El descom&osici)n del K 0O0+ el cual se descom&one en K 0O O0. El 'ur'ueo o'servado es e7&licado &or esta reacci)n. • El K 0O5 le da el car3cter acido a la reacci)n Laciendo (ue el 2no 5 *orme 2n08. 5. ,iagrama de &rocesos% ig. 0.1 e agrega eCl 4 a K0O0
ig.0.0 #gita la soluci)n
ig. 0.4 6i&etea 4m$ de la soluci)n
ig.0. P2nO5 oluci)n Lia
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ig.0.5 e agrega K0O5 4m$ de soluci)n Lia . C3lculos resultados% LM:14%40%0 h1
&g
h
&g
h,
&g
1
h-
&g
,
h.
&g
-
.
1W. 15%MM% 15. 15%10% 15. 15%1% 10. 15%0% 11. 0 S S 04 W 0V 4 0 Ta'la 0 e muestra los datos (ue se reali) en la e7&eriencia.
1,:,/: -
Kallando elocidad de descom&osici)n%
∆ [ H 2 O 2 ] Δt
Kallando [ H 2 O 2 ] &or Xe(uivalentes%
NK0O0 K0O0:NP2nO5P2nO5
1.0
T0min &0m2 ∆ t ∆ 3H!4 M.M1W0 ' &elocidad 1' M.M15S 1'4 Calculamos 4.YW0Z1M-5 Ta'la 1. M.M14Y Ta'la 5 e M.MM4YW1SY M.M104 -5 1+V4Z1M . M.M11 M.MMMYW1SY 5 / 6
3H!4
M.M1S M.M100MV44 M.M1151SSY la velocidad M.M1M0 encuentra M.MMWV444
1+SSYZ1M-5 M.MM11SSSY Ln[H2O2] 1+111Z1M-5 M.MMMSSSSY
-3.8 0 5 10 15 -3.9 -4 -4.1 -4.2 f(x) = - 0.02x - 4.18 -4.3 -4.4 -4.5 -4.6 -4.7
20
25
30
e7&erimentalmente los datos Tmi n ' 1' 1. 5
2n3H!4
-5.141SSY 11 -5.5MS4S -5.5Y0SV1MM4 -5.VM5YYY4 -5.S5YY0WV
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S. Inter&retaci)n de los resultados% • # medida (ue avana el tiem&o el volumen utiliado de P2nO 5 &ara realiar las titulaciones disminue+ eso (uiere decir (ue la concentraci)n del K0O0 i'a disminuendo+ esto sucedería &or(ue el K0O0 ?soluci)n madreA se i'a descom&oniendo. Y. O'servaciones *inales % 5 • #l Lacer &asar P2nO + mediante la 'ureta+ al vaso (ue contiene K0O0 se o'serva en un inicio un color *ucsia (ue &asa a ser trans&arente+ luego de un tiem&o un color *ucsia claro constante. V. Conclusi)nes% • $a gra*ica ln
1. O'servaciones e7&erimentales% • El P2nO5 se encontra'a en un *rasco oscuro+ así (ue este reactivo reacciona con la lu. • Cuando la soluci)n Lia ?soluci)n madre m3s eCl4 se e7&one al calor+ a una tem&eratura Lasta (ue luego de varias titulaciones a no cam'ia mantenía un color *ucsia. 0. Ecuaciones (uímica%
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+O
2 H 2 O 2 (ac ) → FeC l 2 H 2 O (l ) 3
2
( g)
+¿
+2
−2
5 H 2 O 2 (ac ) + 2 KMnO 4 (ac ) + 3 H 2 S O 4 (ac ) → 2 Mn ( ac ) + 6 H 2 O ( l) + S O 2 (g ) + 3 SO4
¿
+ 2 K
4. Inter&retaci)n de las ecuaciones (uímicas% • $a &rimera ecuaci)n es la descom&osici)n del K 0O0+ un &roceso lento &or ello el uso del cataliador+ eCl 4+ adem3s es una reacci)n de &rimer orden.
•
#l K0O0 tam'ién se le agrego K 0O5+ &ara de*inir el medio donde se realiar3 la descom&osici)n así &oder notar cam'ios (uímicos a (ue el P2nO 5 en medio acido se trans*orma a 2n 80 una ve (ue dea de reaccionar em&iea a &redominar su color?&ur&uraA.
5. ,iagrama de &roceso%
Fig 3.2 Se pipetea 3l !e la "#l$ci%& 'ia
Fig. 3.1 Se pepaa el "i"tea !e *a# a,a "e i!e la
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Fig. 3.4 Se tit$la c#& /&O4 'a"ta ta ca*i# agita
Fig. 3.3 Se c#l#ca& e& $& ata "e agega 10 !e H2SO4
. C3lculos resultados% +¿
+2
−2
5 H 2 O 2 (ac ) + 2 KMnO 4 ( ac ) + 3 H 2 S O 4 ( ac ) → 2 Mn ( ac )+ 6 H 2 O (l) + S O 2 (g ) + 3 SO4
6or igualdad de n/mero de e(uivalente N H O ∗V H O = N KMnO ∗V KMn O 2
2
2
2
4
0.05
,es&eando
4
V KMnO ∗¿ 4
2 V H O 2
2
[ H O ]=¿ 2
2
T min
&g0ml
[ H O ]
' /76. 1$,. '$8 -$,
1.5 M.W M. M. M.5
M.M11S M.MMY M.MM51SY M.MM51SY M.MM444
2
2n
2
[ H O ] 2
2
-5.5 -5+VW -+5V -+5V -+Y1
Ta'la 5 e muestra los datos (ue se reali) en la e7&eriencia. Calculamos la variaci)n de concentraci)n% 14
¿
+ 2 K
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∆ [ H 2 O 2 ] =[ H 2 O 2 ]f − [ H 2 O2 ] i ∆ [ H 2 O2 ]=0.0075 −0.116 =¿ ∆ [ H 2 O2 ] =0.004167 − 0.0075
-M.MM51 :-M.MM44
∆ [ H 2 O2 ]= 0.00333 −0.004167 =¿
9 ∆ [ H 2 O2 ]
∆ [ H 2 O2 ]
∆ T
-M.MMV5
∆ T7 M
$min91
.4S Z 1M-5
-M.MM51
/$6.
-M.MM4444 Y+MW Z 1M -5 -M.MMMV4Y 0+5S Z 1M -5 ,$Ta'la e calcula la velocidad &ara cada tiem&o. -$/
0 0
5
10
15
20
25
-1
-2
Ln[H2O2]
-3
-4 -4.45 -5
f(x) = - 0.05x - 4.56 -4.89 -5.48
-5.48 -5.71
-6
tiempo (min)
15
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ig. 4. $n
disminuía &oco a &oco+ a (ue el cam'io (uímico se
nota'a m3s r3&ido (ue en las anteriores e7&eriencias.
V. Comentarios o a&reciaciones% • # la Lora de titular el e(ui&o tiene (ue tener tareas es&ecí*icas tra'aar en conunto atentamente a los sucesos (ue se &ueden &resentar+ a (ue la &ersona (ue realia la titulaci)n de'e tener la mirada en la sustancia con (ue se tra'aa 16
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Ka varios métodos &ara Lallar la velocidad de reacci)n uno de ellos es &or las velocidades iniciales o tam'ién gra*icar el logaritmo ne&eriano de las concentraciones res&eto al tiem&o ?&ro'ando si es de &rimer ordenA. W. Conclusiones% • $a gra*ica ln
.-UN# #6$IC#CIFN IN,UT"I#$ ,E$ TE2# "EU2EN%
Utiliaci)n de cataliadores en &rocesos de interés industrial $a maoría de los &rocesos industriales utilian cataliadores s)lidos. Estos s)lidos+ de com&osici)n altamente com&lea ?en ocasiones llegan a tener 1M o m3s elementos en su *)rmulaA+ &ueden ser sin em'argo descritos en *orma de tres com&onentes elementales% la *ase activa+ el so&orte el &romotor. $a ;a%e acti+a+ como su nom're lo indica+ es la directamente res&onsa'le de la actividad catalítica. Esta *ase activa &uede ser una sola *ase (uímica o un conunto de ellas+ sin em'argo+ se caracteria &or(ue ella sola &uede llevar a ca'o la reacci)n en las condiciones esta'lecidas. in em'argo+ esta *ase activa &uede tener un costo mu elevado+ como en el caso de los metales no'les ?&latino+ &aladio+ rodio+ etc.A o &uede ser mu sensi'le a la tem&eratura ?caso de los sul*uros de moli'deno co'altoA+ &or lo cual se re(uiere de un soporte &ara dis&ersarla+ esta'iliarla &ro&orcionarle 'uenas &ro&iedades mec3nicas. El %oporte es la matri so're la cual se de&osita la *ase activa el (ue &ermite o&timiar sus &ro&iedades catalíticas. Este so&orte &uede ser &oroso &or lo tanto &resentar un 3rea su&er*icial &or gramo elevada. El promotor es a(uella sustancia (ue incor&orada a la *ase activa o al so&orte en &e(ueHas &ro&orciones+ &ermite meorar las características de un cataliador en cual(uiera de sus *unciones de actividad+ selectividad o esta'ilidad.
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2O,O ,E #CCION ,E $O #"2#CO
Ciertos *3rmacos *uncionan &or interacci)n con los rece&tores+ lugares es&eciales en la su&er*icie de las células del cuer&o. $os *3rmacos &ueden unirse a un rece&tor es&ecí*ico+ im&idiendo (ue las sustancias (uímicas se unan con normalidad al rece&tor. ,e ese modo+ si un *3rmaco intensi*ica la actividad celular+ se llama agonista[ si 'lo(uea la actividad celular+ se llama antagonista.
S.-BIB$IO!"#I#% S.1. $i'ros Universitarios% Bro\n+ TLeodore $.+ $e2a+ K. Eugene+ Bursten+ Bruce E. Química+ la Ciencia Central+ Y ed. 6earson Educaci)n+ 2é7ico+ 1WWV. CLang+ "amond Química+ S] ed 2c!ra\-Kill+ 2é7ico+ 1WWW. CLristian+ !ar ,. ^#naltical CLemistr_+ StL Edition. JoLn `ile and ons. Ko'oGen+ U#. 0MM4. 18
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6etrucci "al&L Kar\ood+ `illiam+ . Química !eneral+ Y] ed. 6rentice Kall.
S.0. Internet% Ltt&%>>\\\.*agundor.com>documentos>5Va.&d* Ltt&%>>recursostic.educacion.es>ne\ton>\e'>materialesdidacticos>cinetica(uim ica>aulacinetica(uimica.&d* Ltt&%>>\\\.&reusm.cl>documentos>documentos>cursos>(uimica>(uimica&ro*und iacion>&u'lic>!E0M1S0MCinetica0MQuimica.&d*
Y. CUETION#"IO N4% CUETION#"IO Nb4 O",EN ,E "E#CCIFN e denota &or n : es el orden de reacci)n. Este n/mero ?entero o *raccionarioA se o'tiene e7&erimentalmente descri'e la *orma en (ue la velocidad de&ende de la concentraci)n del reactante. Con 'ase en los valores m3s comunes de n+ se clasi*ican las reacciones (uímicas+ de la manera siguiente%
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Ti&o 4 #a 8 B' 8 cC 9 6