Fundamentos de Cinética Química Aplicada: Velocidad, Clasificación y Catálisis en Reactores

Introducción a la Cinética Química Aplicada

El diseño de reactores químicos requiere considerar múltiples aspectos fundamentales:

• Velocidad de reacción química.
• Transporte de materia y calor.
• Mecánica de fluidos y termodinámica.
• Parámetros económicos (material de construcción y accesorios).

El objetivo principal de la cinética química aplicada es predecir y entender el comportamiento de las reacciones químicas, proporcionando la metodología para su descripción matemática (ecuación cinética).

Factores Determinantes de la Velocidad de Reacción

• Cinéticos: Estequiometría, temperatura, concentración.
• Termodinámicos: Reversibilidad, equilibrio químico.
• Ambientales: Presencia de catalizador, agitación y mezcla, etc.

Clasificación Fundamental de las Reacciones Químicas

Una reacción química es un proceso en el que unas especies químicas denominadas reactivos pierden su identidad para convertirse en otras especies químicas que se denominan productos de la reacción. La clasificación de las reacciones se puede realizar atendiendo a distintos aspectos:

• Número de fases.
• Presencia de catalizador.
• Estequiometría.

Clasificación por Número de Fases

En función del número de fases que intervienen:

• Homogéneas: Ocurren en una sola fase, normalmente entre gases o líquidos miscibles entre sí.
• Heterogéneas: Ocurren en un medio con más de una fase, generalmente en los alrededores de la interfase que las separa.

Clasificación por Presencia de Catalizador

Las reacciones catalíticas implican la presencia de catalizadores, sustancias que aceleran el proceso y se recuperan en su estado original al final de la reacción.

• No Catalíticas: En ausencia de catalizador.
• Catalíticas:
  • Catálisis Homogénea: El catalizador está en la misma fase que reactivos y productos.
  • Catálisis Heterogénea: El catalizador está en distinta fase que reactivos y productos.
  • Autocatalíticas: Cuando el propio producto de la reacción actúa como catalizador.

Clasificación por Sentido de la Reacción (Reversibilidad)

• Irreversibles: Ocurre en una sola dirección hasta que se agota el reactivo limitante.
• Reversibles: Puede ocurrir en ambas direcciones, dependiendo de las concentraciones de reactivos y productos en relación con las concentraciones permitidas por el equilibrio químico.

Clasificación por Cinética y Estequiometría

• Elementales: La cinética se corresponde con la estequiometría. El orden de reacción coincide con la molecularidad.
• No Elementales: La cinética no se corresponde con la estequiometría.

Clasificación por Estequiometría (Esquema de Reacción)

• Simples: Solo existe una ecuación estequiométrica y una ecuación cinética.
• Múltiples: Están representadas por varias ecuaciones estequiométricas y, a veces, por varias ecuaciones cinéticas.

Modelos Cinéticos y Variables de Influencia

Variables que Influyen en la Velocidad de Reacción

• Reacciones Homogéneas: Todas las especies están en la misma fase. Son los únicos factores que afectan a la etapa química.
• Reacciones Heterogéneas: Existen varias fases. La velocidad de reacción se refiere a otras variables distintas al volumen (V), como el área de interfase (S) o la masa de catalizador (W).

Modelos de Ecuación Cinética

Modelo Potencial (o de Variables Separables)

Frecuente en reacciones homogéneas y no catalizadas. Los órdenes parciales de reacción no tienen por qué coincidir con los coeficientes estequiométricos. En reacciones elementales: n₁ = a, n₂ = b.

Modelo Hiperbólico (o de Variables No Separables)

Típico de reacciones unimoleculares y no elementales, y de reacciones químicas catalizadas (catálisis homogénea o heterogénea).

Proceso Elemental vs. No Elemental

• Proceso Elemental: La estequiometría de la reacción coincide con los exponentes a los que están elevados los reactivos en la ecuación cinética. Además, el proceso químico se puede representar por una única ecuación química.
• Proceso No Elemental: Existe diferencia entre el orden de reacción y los coeficientes estequiométricos. El proceso está constituido por una secuencia de etapas elementales que constituyen el mecanismo de reacción.

El Fenómeno de Catálisis

La Catálisis es el fenómeno por el cual se modifica la velocidad de reacción.

Un catalizador es una sustancia que químicamente altera un mecanismo de reacción, así como la velocidad total de la misma, regenerándose en el último paso de la reacción.

Tipos de Catálisis

Catálisis Homogénea

Los reactivos y el catalizador se encuentran en la misma fase (gaseosa o líquida).

• Acceso fácil al mecanismo.
• Ausencia de envenenamiento.

Catálisis Heterogénea

Los reactivos y el catalizador se encuentran en distinta fase. Es la más importante desde el punto de vista industrial.

• El catalizador es generalmente sólido.
• Los reactivos y productos son fluidos.
• La reacción ocurre en la interfase.