Guía 1 - Ejercicio 6: Cinética Química

Ejercicio 6

Planteo: A+B→kCA + B \xrightarrow{k} C : reactantes A y B se combinan p/ prod. C con tasa kk. Ley de acción de masa: La tasa de cambio de una reacción química elemental es proporcional al producto de las concentraciones de los reactantes. ↪\hookrightarrow ec. diferencial de los reac. y productos (analíticamente o c/ compu).

A+B→kC  ⟹  tasa cambio=kAB  ⟹  {A˙=−kABB˙=−kABC˙=kABA + B \xrightarrow{k} C \implies \text{tasa cambio} = kAB \implies \begin{cases} \dot{A} = -kAB \\ \dot{B} = -kAB \\ \dot{C} = kAB \end{cases}

(Nota lateral en imagen: A0−B0=cte  ⟹  A−B=cteA_0 - B_0 = cte \implies A - B = cte)

Resolución:

↪A−B=N  ⟹  A=N+B  ⟹  B˙=−k(N+B)B  ⟹  B˙=−kNB−kB2\hookrightarrow A - B = N \implies A = N + B \implies \dot{B} = -k(N+B)B \implies \dot{B} = -kNB - kB^2   ⟹  dB−kNB−kB2=dt  ⟹  ∫dB−kNB−kB2=∫dt  ⟹  ∫dBkB(−N−B)=∫dt\implies \frac{dB}{-kNB - kB^2} = dt \implies \int \frac{dB}{-kNB - kB^2} = \int dt \implies \int \frac{dB}{kB(-N-B)} = \int dt   ⟹  ∫dBB(N+B)=−k∫dt\implies \int \frac{dB}{B(N+B)} = -k \int dt

Resolviendo por fracciones simples:

∣1B(N+B)=αB+γN+B  ⟹  1=(N+B)α+Bγ\left| \frac{1}{B(N+B)} = \frac{\alpha}{B} + \frac{\gamma}{N+B} \implies 1 = (N+B)\alpha + B\gamma \right. B=0  ⟹  1=Nα  ⟹  α=1/NB = 0 \implies 1 = N\alpha \implies \alpha = 1/N B=−N  ⟹  1=−Nγ  ⟹  γ=−1/NB = -N \implies 1 = -N\gamma \implies \gamma = -1/N

Sustituyendo en la integral:

  ⟹  ∫1/NBdB−∫1/NN+BdB=−kt+c\implies \int \frac{1/N}{B} dB - \int \frac{1/N}{N+B} dB = -kt + c ln⁡(∣B∣)N−ln⁡(∣N+B∣)N=−kt+c~\frac{\ln(|B|)}{N} - \frac{\ln(|N+B|)}{N} = -kt + \tilde{c}   ⟹  1Nln⁡∣BN+B∣=−kt+c~  ⟹  ln⁡∣BN+B∣=−Nkt+c^\implies \frac{1}{N} \ln \left| \frac{B}{N+B} \right| = -kt + \tilde{c} \implies \ln \left| \frac{B}{N+B} \right| = -Nkt + \hat{c}   ⟹  BN+B=Ce−Nkt  ⟹  B=NCe−Nkt+BCe−Nkt\implies \frac{B}{N+B} = C e^{-Nkt} \implies B = N C e^{-Nkt} + B C e^{-Nkt}   ⟹  B(1−Ce−Nkt)=NCe−Nkt  ⟹  B(t)=NCe−Nkt1−Ce−Nkt\implies B(1 - C e^{-Nkt}) = N C e^{-Nkt} \implies B(t) = \frac{N C e^{-Nkt}}{1 - C e^{-Nkt}}   ⟹  A(t)=N+B(t)=N(1+Ce−Nkt1−Ce−Nkt)=N1−Ce−Nkt\implies A(t) = N + B(t) = N \left( 1 + \frac{C e^{-Nkt}}{1 - C e^{-Nkt}} \right) = \frac{N}{1 - C e^{-Nkt}}