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Velocidad de reacción

Reaction Rate

La misma reacción es lenta dentro de la nevera y rápida al sol; la velocidad de reacción es lo deprisa que disminuyen los reactivos o aumentan los productos por unidad de tiempo. Las moléculas tienen energías cinéticas distintas, y solo las que chocan con más energía que la energía de activación Eₐ pueden reaccionar. Al subir la temperatura crece mucho la proporción de moléculas con mucha energía, y un catalizador abre un camino nuevo con una Eₐ menor para que reaccionen más moléculas. El efecto de la concentración se expresa con la ecuación de velocidad v = k[A]^m[B]^n, cuyos órdenes m y n se determinan experimentalmente. Al cambiar en los diagramas la temperatura, Eₐ y el catalizador, cambia la proporción de moléculas que pueden reaccionar, que aparece como un número.

¿Por qué algunas reacciones son lentas?

💡 Excursionistas que cruzan un puerto
①Para que haya reacción, las moléculas deben chocar con fuerza suficiente para cruzar un puerto llamado energía de activación Eₐ
②Incluso a una misma temperatura las moléculas tienen energías cinéticas variadas, así que solo algunas logran cruzarlo
③Cuanto más alta es la temperatura, más moléculas rápidas hay y más cruzan el puerto
④Por eso los alimentos se estropean más despacio en la nevera
⑤La velocidad de reacción es la cantidad de reactivo consumida, o de producto formada, por unidad de tiempo

Temperatura y distribución de energías

25 °C
50
🔍 Qué se lee en el diagrama
①El área bajo cada curva es el número total de moléculas, así que no cambia con la temperatura
②Al subir la temperatura la curva se vuelve más baja y ancha, con una cola derecha más gruesa
③El área sombreada a la derecha de la línea Eₐ son las moléculas que pueden reaccionar, y su proporción es el número de la línea inferior
④Al subir Eₐ, el área sombreada se reduce deprisa
⑤Para que se vea la forma, el diagrama pone Eₐ más baja que en las reacciones reales. En una reacción real Eₐ está mucho más lejos en la cola, así que subir 10 °C cerca de la temperatura ambiente casi duplica la proporción de moléculas que la superan

El efecto de un catalizador

sin catalizador
💡 Qué hace un catalizador
①Un catalizador abre un camino de reacción nuevo con una Eₐ más baja
②Con un puerto más bajo, muchas más moléculas pueden cruzarlo a la misma temperatura, como muestran las dos proporciones de la línea inferior del diagrama
③El catalizador sigue ahí después de la reacción: no se consume
④Baja la Eₐ de la reacción directa y de la inversa a la vez, así que ΔH y la posición de equilibrio no cambian

La ecuación de velocidad

Ecuación de velocidad
v = k[A]m[B]n
k: constante de velocidad; m y n: órdenes de reacción (se determinan experimentalmente)
Ecuación de Arrhenius
k = Ae-E_a/RT
Una temperatura más alta o una Eₐ más baja aumentan k y aceleran la reacción
📐 Concentración y velocidad
①Una concentración de reactivo más alta significa más choques y una reacción más rápida
②Los órdenes m y n se determinan solo experimentalmente, con independencia de los coeficientes de la ecuación
③Una reacción de orden cero no depende de la concentración, una de primer orden es proporcional a ella y una de segundo orden, a su cuadrado
④La vida media (t½) es el tiempo que tarda un reactivo en reducirse a la mitad de su cantidad inicial

Ejemplos resueltos

Ejemplo 1
En una reacción con ecuación de velocidad v = k[A][B], ¿cuántas veces aumenta la velocidad si solo se duplica [A]?
1
El orden respecto de [A] es 1, así que la velocidad es directamente proporcional a [A].
v = k[A][B], primer orden en [A]
2
Si [A] se duplica, la velocidad también.
v ∝ [A] ⇒ × 2
▸ Se duplica
Los exponentes de la ecuación de velocidad son los órdenes; con orden 1, duplicar la concentración duplica la velocidad.
Ejemplo 2
En una reacción, al duplicar [A] la velocidad se multiplica por 4. ¿Cuál es el orden respecto de A?
1
La velocidad es proporcional a [A]m, así que al duplicar [A] la velocidad se multiplica por 2m.
2m = 4
2
Halla el m que cumple 2m = 4.
2m = 4 = 22 ⇒ m = 2
▸ Segundo orden (m = 2)
Los órdenes de reacción salen de resultados experimentales como este, no de los coeficientes de la ecuación: se mira cuántas veces aumentó la velocidad y se iguala a 2m.

Resumen

Fórmula clave
v = k[A]m[B]n
La constante de velocidad k depende de la temperatura y de la energía de activación
Problema tipo CSAT, adaptado
¿Qué afirmación sobre un catalizador es INCORRECTA?
①Reduce la energía de activación para acelerar la reacción
②Acelera tanto la reacción directa como la inversa
③No se consume durante la reacción
④Cambia la constante de equilibrio K y la posición de equilibrio
⑤Proporciona una nueva ruta de reacción
▸ ④ Cambia la constante de equilibrio K y la posición de equilibrio
1
Un catalizador baja a la vez la energía de activación de la reacción directa y la inversa; solo hace que el equilibrio se alcance antes.
2
K y la posición de equilibrio no cambian, así que la ④ no es correcta.
🎯 Puntos clave
①En v = k[A]^m[B]^n, m y n se determinan solo experimentalmente y no tienen que ver con los coeficientes
②Una temperatura más alta aumenta la proporción de moléculas por encima de Eₐ y acelera la reacción
③Un catalizador acelera la reacción bajando Eₐ, pero no cambia ni ΔH ni la posición de equilibrio
④Más concentración significa choques más frecuentes y una reacción más rápida
⑤La vida media de una reacción de primer orden es constante, sea cual sea la concentración inicial (el mismo patrón que la desintegración radiactiva)
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