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Velocidad de reacción. Ecuación de velocidad

Velocidad de reacción. Ecuación de velocidad

Desde el punto de vista químico, existe gran interés en controlar y, si es posible, predecir la velocidad de las reacciones químicas. Por ejemplo, es conveniente que las reacciones responsables de la descomposición de los alimentos sean lo más lentas posibles; sin embargo, interesa acelerar la velocidad de las reacciones implicadas en procesos productivos para que su explotación comercial sea más rentable. El control de la velocidad de las reacciones químicas implica conocer los factores que influyen sobre ellas, de lo cual se encarga la cinética química.

Velocidad de reacción

La velocidad de una reacción química relaciona el cambio en la concentración de reactivos o productos con el tiempo y se expresa, usualmente, en mol/l × s.

Durante el transcurso de una reacción, las moléculas de reactivos van desapareciendo, al tiempo que se forman los productos. La velocidad de la reacción se puede estudiar observando la disminución de la concentración de reactivos o el aumento de la concentración de productos. En la reacción:

Br2 (ac) + H - COOH (ac) ® 2 HBr (ac) + CO2 (g)

su velocidad se establece midiendo la variación de la concentración de los reactivos o de los productos con el tiempo. Si se selecciona un producto, la expresión de la velocidad tiene signo positivo, ya que la variación de su concentración siempre es positiva.

Si se selecciona el reactivo Br2, su velocidad de desaparición tendrá signo negativo:

Factores que afectan a la velocidad de reacción

  • Estado físico: las reacciones químicas en disolución en las que participan iones, como las reacciones de neutralización ácido-base (ver t20) son mucho más rápidas que las reacciones en las que deben romperse enlaces covalentes. En las reacciones heterogéneas, su velocidad depende de la superficie de contacto entre las dos fases y está tanto más favorecida cuanto mayor es el estado de división.
  • Concentración de los reactivos: la velocidad de reacción se incrementa cuando lo hacen algunas de las concentraciones de los reactivos.
  • Temperatura: el incremento de temperatura, generalmente, aumenta la velocidad de reacción.
  • Catalizadores: éstos no alteran el estado de equilibrio químico (ver t16), pero sí aumentan la velocidad con que se alcanza éste.

Ecuación de velocidad y constante de velocidad

La relación matemática que indica la dependencia de la velocidad respecto a las concentraciones de los reactivos se llama ecuación de velocidad y es una expresión que debe determinarse experimentalmente. Para la siguiente reacción:

2 NO (g) + Cl2 (g)® 2 NOCl (g)

la ecuación de velocidad hallada experimentalmente es:

Velocidad = k [NO]2[Cl2]

La velocidad de reacción es directamente proporcional a la concentración de Cl2 y al cuadrado de la concentración de NO. Por ello, la reacción es de primer orden respecto al cloro y de segundo orden respecto al monóxido de nitrógeno.

En una reacción, el exponente al que se encuentra elevada la concentración de un reactivo en la ecuación de velocidad se llama orden parcial respecto a ese reactivo. La suma de los órdenes parciales, esto es, la suma de todos los exponentes de la ecuación de velocidad, es el orden total de la reacción. En el ejemplo, el orden total es 3.

En general, para una reacción química del tipo:

aA + bB ® cC + dD

la expresión de la ecuación de velocidad es:

Velocidad = k [A]n[B]m

donde n y m se obtienen experimentalmente y representan el orden parcial de la reacción respecto al reactivo A y al reactivo B. La suma m + n determina el orden total de la reacción.

La constante de proporcionalidad se designa con la letra k y se denomina constante de velocidad. Formalmente, es la velocidad de la reacción cuando las concentraciones de todos los reactivos son la unidad.

La constante de velocidad es específica para cada reacción química y depende de la temperatura.

Las unidades de k vienen determinadas por el orden de la reacción y deben adaptarse a la condición de que la velocidad debe expresarse en las unidades mol/l × s (variación de la concentración por unidad de tiempo).

 

Determinación de la ecuación de velocidad

La ecuación de velocidad puede determinarse de forma sencilla mediante el método de la velocidad inicial, cuando las concentraciones de los reactivos son todavía elevadas y puede medirse la velocidad instantánea. La estrategia consiste en estudiar cómo se modifica la velocidad variando la concentración de uno de los reactivos, manteniendo constante la del resto.

Variación de la concentración de Br2 en función del tiempo.

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