Volver a la portadaQuímica · 4.° año de Educación Media General · Cambiar asignatura
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4to año · Química
Transformaciones químicas · Velocidad y mecanismos

Leyes de velocidad y orden de reacción

En una refinería del país, los gases de combustión contienen NO que se oxida en el aire. Para la reacción $2\,\mathrm{NO} + \mathrm{O_2} \rightarrow 2\,\mathrm{NO_2}$ sería tentador pensar que la velocidad depende de $[\mathrm{NO}]^2[\mathrm{O_2}]^1$ porque esos son los coeficientes de la ecuación balanceada. En este caso resulta ser así, pero por casualidad experimental, no porque la estequiometría lo garantice. Saber la verdadera dependencia exige medir.

La ley de rapidez y los órdenes parciales

Si en el laboratorio duplicas la concentración de un reactivo, unas veces la reacción se duplica en rapidez, otras se cuadruplica y otras no cambia en absoluto. ¿Cómo expresamos matemáticamente esa sensibilidad tan distinta en cada reacción?

Ley de rapidez con llamadas que identifican la constante de rapidez, los órdenes parciales y el orden total. v = k [A] a [B] b constante de rapidez orden parcial en A orden parcial en B orden total = a + b
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Para la reacción en fase gaseosa $2\,\mathrm{NO}\,(g) + \mathrm{O_2}\,(g) \rightarrow 2\,\mathrm{NO_2}\,(g)$, se ha determinado experimentalmente que su ecuación de…

Para la reacción en fase gaseosa $2\,\mathrm{NO}\,(g) + \mathrm{O_2}\,(g) \rightarrow 2\,\mathrm{NO_2}\,(g)$, se ha determinado experimentalmente que su ecuación de velocidad a $300\,\mathrm{K}$ es $v = k\,[\mathrm{NO}]^2\,[\mathrm{O_2}]$. Justifica de forma razonada: a) Por qué los órdenes parciales respecto a cada reactivo no se deducen directamente de los coeficientes estequiométricos de la ecuación química global. b) Cuál es el orden total de la reacción y cuáles son las unidades de la constante de velocidad $k$, expresando el tiempo en segundos y las concentraciones en $\mathrm{mol\cdot L^{-1}}$.

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Se estudia la cinética de la reacción $\mathrm{CH_3Br}\,(aq) + \mathrm{OH^-}\,(aq) \rightarrow \mathrm{CH_3OH}\,(aq) + \mathrm{Br^-}\,(aq)$ a $298\,\mathrm{K}$. Se…

Se estudia la cinética de la reacción $\mathrm{CH_3Br}\,(aq) + \mathrm{OH^-}\,(aq) \rightarrow \mathrm{CH_3OH}\,(aq) + \mathrm{Br^-}\,(aq)$ a $298\,\mathrm{K}$. Se conoce que el proceso es de primer orden respecto al bromometano y de primer orden respecto al ion hidróxido, con una velocidad inicial de $1{,}2\cdot 10^{-5}\,\mathrm{mol\cdot L^{-1}\cdot s^{-1}}$ cuando $[\mathrm{CH_3Br}]_0 = 0{,}020\,\mathrm{mol\cdot L^{-1}}$ y $[\mathrm{OH^-}]_0 = 0{,}030\,\mathrm{mol\cdot L^{-1}}$. a) Escribe la ley de velocidad y calcula el valor numérico de la constante de velocidad $k$ indicando sus unidades. b) Calcula la velocidad si se duplica $[\mathrm{CH_3Br}]$ y se reduce $[\mathrm{OH^-}]$ a la mitad.

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Órdenes especiales: cero, uno y pseudo-orden

Compara las tres curvas: orden cero es una recta horizontal ($v$ no cambia con la concentración), orden uno es una recta que pasa por el origen y orden dos es una parábola que crece cada vez más rápido.

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La descomposición del reactivo gaseoso $\mathrm{A}$ sigue una cinética de orden cero respecto a su concentración a una temperatura constante de $500\,\mathrm{K}$, con…

La descomposición del reactivo gaseoso $\mathrm{A}$ sigue una cinética de orden cero respecto a su concentración a una temperatura constante de $500\,\mathrm{K}$, con una constante de velocidad $k = 4{,}5\cdot 10^{-4}\,\mathrm{mol\cdot L^{-1}\cdot s^{-1}}$. a) Escribe la ecuación diferencial de velocidad para este proceso y deduce las unidades que presenta su constante cinética. b) Si la concentración inicial de $\mathrm{A}$ se triplica, indica razonadamente cómo se modifica el valor numérico de la velocidad de reacción instantánea.

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Se estudia la cinética de la reacción $A + B \rightarrow Productos$ a $300\,\mathrm{K}$ en condiciones de aislamiento de reactivos (pseudo-orden). En una primera serie…

Se estudia la cinética de la reacción $A + B \rightarrow Productos$ a $300\,\mathrm{K}$ en condiciones de aislamiento de reactivos (pseudo-orden). En una primera serie con un gran exceso de $B$ ($[B]_0 = 2{,}0\,\mathrm{mol\cdot L^{-1}}$ constante), la velocidad inicial resulta ser proporcional a $[A]_0^2$. En una segunda serie con gran exceso de $A$ ($[A]_0 = 1{,}5\,\mathrm{mol\cdot L^{-1}}$ constante), la velocidad inicial no varía al duplicar o triplicar $[B]_0$. a) Formula la ley de velocidad diferencial completa justificando los órdenes parciales y el orden total, e indica las unidades de la constante de velocidad. b) Si en un ensayo con $[A]_0 = 0{,}10\,\mathrm{mol\cdot L^{-1}}$ y $[B]_0 = 0{,}20\,\mathrm{mol\cdot L^{-1}}$ la velocidad inicial es $v_0 = 3{,}5\cdot 10^{-3}\,\mathrm{mol\cdot L^{-1}\cdot s^{-1}}$, calcula la velocidad que se registraría si se diluye la disolución al doble de su volumen mediante adición de disolvente puro a la misma temperatura.

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El método de las velocidades iniciales

Esquema de dos experimentos en los que solo se duplica la concentración de A y la relación de velocidades da 2 elevado al orden parcial. Exp. 1: [A], [B] Exp. 2: 2[A], [B] mismo [B] v₀,₂ / v₀,₁ = 2^a si da 4, entonces a = 2
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Para la reacción $2\,\mathrm{A}\,(g) + \mathrm{B}\,(g) \rightarrow \mathrm{C}\,(g)$ a $350\,\mathrm{K}$, se mide la velocidad inicial manteniendo constante la…

Para la reacción $2\,\mathrm{A}\,(g) + \mathrm{B}\,(g) \rightarrow \mathrm{C}\,(g)$ a $350\,\mathrm{K}$, se mide la velocidad inicial manteniendo constante la concentración $[\mathrm{B}] = 0{,}40\,\mathrm{mol\cdot L^{-1}}$ y registrando la respuesta al variar $[\mathrm{A}]$. La representación gráfica de los datos experimentales obtenidos se muestra a continuación:

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,000 0,005 0,010 0,015 0,020 [A] (mol/L) v₀ (mol/(L·s)) (0,1 ; 0,002) (0,2 ; 0,008) (0,3 ; 0,018) [B] = 0,40 mol/L constante

En el ensayo se obtuvieron los pares de valores $([\mathrm{A}] = 0{,}10\,\mathrm{mol\cdot L^{-1}};\, v_0 = 0{,}0020\,\mathrm{mol\cdot L^{-1}\cdot s^{-1}})$, $([\mathrm{A}] = 0{,}20\,\mathrm{mol\cdot L^{-1}};\, v_0 = 0{,}0080\,\mathrm{mol\cdot L^{-1}\cdot s^{-1}})$ y $([\mathrm{A}] = 0{,}30\,\mathrm{mol\cdot L^{-1}};\, v_0 = 0{,}0180\,\mathrm{mol\cdot L^{-1}\cdot s^{-1}})$. a) A partir del gráfico o de los datos proporcionados, deduce el orden parcial respecto de $\mathrm{A}$. b) Si un ensayo adicional a $[\mathrm{A}] = 0{,}10\,\mathrm{mol\cdot L^{-1}}$ y $[\mathrm{B}] = 0{,}80\,\mathrm{mol\cdot L^{-1}}$ produce $v_0 = 0{,}0040\,\mathrm{mol\cdot L^{-1}\cdot s^{-1}}$, obtén la ecuación de velocidad completa y calcula la constante $k$.

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Para la reacción en disolución acuosa $\mathrm{S_2O_8^{2-}} + 2\,\mathrm{I^-} \rightarrow 2\,\mathrm{SO_4^{2-}} + \mathrm{I_2}$, se obtuvieron los siguientes datos de…

Para la reacción en disolución acuosa $\mathrm{S_2O_8^{2-}} + 2\,\mathrm{I^-} \rightarrow 2\,\mathrm{SO_4^{2-}} + \mathrm{I_2}$, se obtuvieron los siguientes datos de velocidad inicial a $298\,\mathrm{K}$:

  • Experimento 1: $[\mathrm{S_2O_8^{2-}}]_0 = 0{,}080\,\mathrm{mol\cdot L^{-1}}$, $[\mathrm{I^-}]_0 = 0{,}034\,\mathrm{mol\cdot L^{-1}}$, $v_0 = 2{,}2\cdot 10^{-4}\,\mathrm{mol\cdot L^{-1}\cdot s^{-1}}$.

  • Experimento 2: $[\mathrm{S_2O_8^{2-}}]_0 = 0{,}080\,\mathrm{mol\cdot L^{-1}}$, $[\mathrm{I^-}]_0 = 0{,}017\,\mathrm{mol\cdot L^{-1}}$, $v_0 = 1{,}1\cdot 10^{-4}\,\mathrm{mol\cdot L^{-1}\cdot s^{-1}}$.

  • Experimento 3: $[\mathrm{S_2O_8^{2-}}]_0 = 0{,}160\,\mathrm{mol\cdot L^{-1}}$, $[\mathrm{I^-}]_0 = 0{,}017\,\mathrm{mol\cdot L^{-1}}$, $v_0 = 2{,}2\cdot 10^{-4}\,\mathrm{mol\cdot L^{-1}\cdot s^{-1}}$.

  1. a) Determina los órdenes parciales respecto a cada reactivo y el orden total. b) Calcula el valor de la constante de velocidad con sus unidades correspondientes y predice la velocidad inicial si $[\mathrm{S_2O_8^{2-}}]_0 = 0{,}040\,\mathrm{mol\cdot L^{-1}}$ e $[\mathrm{I^-}]_0 = 0{,}050\,\mathrm{mol\cdot L^{-1}}$.
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Cambios simultáneos de concentración y volumen

Al inflar el caucho de un carro, el gas se comprime. En una reacción gaseosa, comprimir el recipiente a la mitad duplica a la vez la concentración de todos los reactivos. ¿Cómo se combinan varios cambios simultáneos sobre la velocidad?

Esquema del factor combinado sobre la velocidad al triplicar un reactivo de orden 1 y reducir a la mitad otro de orden 2. ×3 en [X] factor 3¹ = 3 ÷2 en [Y] factor (1/2)² = 0,25 factor total 3 × 0,25 = 0,75

Volviendo al principio: para el $\mathrm{NO}$ y el $\mathrm{O_2}$ el orden coincide con los coeficientes, pero eso solo lo confirma el laboratorio, con velocidades iniciales como las de arriba.

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Se dispone de la reacción de síntesis en fase gaseosa: $\mathrm{X}\,(g) + 2\,\mathrm{Y}\,(g) \rightarrow \mathrm{Z}\,(g)$, cuya ecuación de velocidad empírica es…

Se dispone de la reacción de síntesis en fase gaseosa: $\mathrm{X}\,(g) + 2\,\mathrm{Y}\,(g) \rightarrow \mathrm{Z}\,(g)$, cuya ecuación de velocidad empírica es $v = k\,[\mathrm{X}]\,[\mathrm{Y}]^2$. En un reactor de volumen fijo $V_1$ a temperatura $T$, la reacción transcurre con una velocidad inicial $v_1$. a) Razona cuantitativamente cómo se modifica la velocidad inicial si, manteniendo constante la temperatura y el volumen, se triplica la cantidad de $\mathrm{X}$ y se reduce a la mitad la cantidad de $\mathrm{Y}$. b) Si la mezcla inicial se traslada a un recipiente de volumen $V_2 = V_1 / 3$ a la misma temperatura, calcula el factor por el que se multiplica la velocidad de reacción respecto a la velocidad original en $V_1$.

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Resumen

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