Dependencia de la concentración
La cinética química y la ley de la velocidad de reacción
La cinética química se refiere a la velocidad de una reacción química. La velocidad depende d…
La medida de la rapidez con la que se produce una reacción se denomina velocidad de reacción. Para una reacción de un solo paso, la velocidad es igual al cambio en la concentración de cada reactivo o producto a lo largo del tiempo multiplicado por el inverso del coeficiente estequiométrico correspondiente. Puedes pensar en el cambio en la concentración a lo largo del tiempo como la concentración en el tiempo t menos la concentración inicial dividida por t. Las velocidades de reacción son siempre positivas, por lo que las expresiones reactivas tienen signos negativos. Es posible que estas tasas no sean iguales en reacciones de varios pasos, pero aún podemos usar esta relación como una estimación de la reacción general.
La ley de tasas, o ecuación de tasas, describe la relación entre la velocidad de la reacción y las concentraciones de reactivos. En esta ecuación, k es la constante de velocidad, A y B son los dos reactivos, y m y n son sus respectivos órdenes de reacción. El orden de reacción describe la relación entre la concentración de un reactivo y la velocidad y no está relacionado con la estequiometría. Es vital recordar que el orden de reacción no es el mismo que el coeficiente del reactivo en la ecuación equilibrada.
Cuando una reacción involucra dos o más reactivos, debemos considerar el orden de reacción para cada reactivo. El orden de reacción general es igual a la suma de los órdenes de reacción de los reactivos. Por ejemplo, si el reactivo A es de primer orden y el reactivo B es de orden cero, el orden de reacción general es uno. Los órdenes de reacción más comunes en las reacciones simples son de orden cero, primer orden y segundo orden. Vamos a repasarlos usando una reacción unimolecular como ejemplo.
Si la reacción es de orden cero, la concentración del reactivo no tiene ningún efecto sobre la velocidad de reacción. Por lo tanto, la velocidad de reacción es igual a k, la constante de la velocidad. Un gráfico de la velocidad de reacción con respecto a la concentración es una línea horizontal.
En las relaciones de primer orden, la concentración de reactivo está relacionada linealmente con la velocidad de reacción. Por lo tanto, la tasa es igual a la constante de velocidad por la concentración del reactivo. Un gráfico de la velocidad de reacción con respecto a la concentración será lineal, con k como pendiente.
Si la reacción es de segundo orden, existe una relación cuadrática entre la concentración y la velocidad. Por lo tanto, la tasa es igual a la constante de tasa por la concentración al cuadrado. Un gráfico de la tasa con respecto a la concentración será parabólico, con k como pendiente.
La constante de velocidad, k, es un valor dependiente de la temperatura que relaciona la energía de activación de la reacción con la velocidad de reacción. Explorará esto en el próximo experimento de laboratorio.
Las velocidades de reacción generalmente se dan en moles por litro por segundo. La velocidad tiene las mismas unidades, independientemente del orden de reacción. Por lo tanto, la constante de velocidad tiene diferentes unidades, dependiendo del orden de reacción. Por ejemplo, si A es de primer orden y B es de orden cero, entonces tenemos un ejemplo de moles por litro en la ecuación de tasa. Por lo tanto, la constante de velocidad debe estar en segundos inversos.
Entonces, ¿cómo determinamos el orden de reacción? El orden de reacción debe determinarse experimentalmente mediante una serie de pruebas. Si tiene dos reactivos, un método es mantener constante la concentración de un reactivo, variar el otro y cronometrar el tiempo que se tarda en producir una cierta cantidad de producto. El mismo proceso se repite para el segundo reactivo. A continuación, puede estimar el orden de cada reactivo trazando la velocidad en función de la concentración variable de los reactivos y viendo si parece un gráfico de cero, primer o segundo orden. Hacer coincidir tus datos con la ecuación de tasa correspondiente también te permitirá calcular k.
En este laboratorio, determinará los órdenes de reacción de dos reactivos variando sus concentraciones y cronometrando el tiempo que tarda la reacción en progresar hasta volverse opaca la solución.
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La medida de la rapidez con la que se produce una reacción se denomina velocidad de reacción. Para una reacción de un solo paso, la velocidad es igual al cambio en la concentración de cada reactivo o producto a lo largo del tiempo multiplicado por el inverso del coeficiente estequiométrico correspondiente. Puedes pensar en el cambio en la concentración a lo largo del tiempo como la concentración en el tiempo t menos la concentración inicial dividida por t. Las velocidades de reacción son siempre positivas, por lo que las expresiones reactivas tienen signos negativos. Es posible que estas tasas no sean iguales en reacciones de varios pasos, pero aún podemos usar esta relación como una estimación de la reacción general.
La ley de tasas, o ecuación de tasas, describe la relación entre la velocidad de la reacción y las concentraciones de reactivos. En esta ecuación, k es la constante de velocidad, A y B son los dos reactivos, y m y n son sus respectivos órdenes de reacción. El orden de reacción describe la relación entre la concentración de un reactivo y la velocidad y no está relacionado con la estequiometría. Es vital recordar que el orden de reacción no es el mismo que el coeficiente del reactivo en la ecuación equilibrada.
Cuando una reacción involucra dos o más reactivos, debemos considerar el orden de reacción para cada reactivo. El orden de reacción general es igual a la suma de los órdenes de reacción de los reactivos. Por ejemplo, si el reactivo A es de primer orden y el reactivo B es de orden cero, el orden de reacción general es uno. Los órdenes de reacción más comunes en las reacciones simples son de orden cero, primer orden y segundo orden. Vamos a repasarlos usando una reacción unimolecular como ejemplo.
Si la reacción es de orden cero, la concentración del reactivo no tiene ningún efecto sobre la velocidad de reacción. Por lo tanto, la velocidad de reacción es igual a k, la constante de la velocidad. Un gráfico de la velocidad de reacción con respecto a la concentración es una línea horizontal.
En las relaciones de primer orden, la concentración de reactivo está relacionada linealmente con la velocidad de reacción. Por lo tanto, la tasa es igual a la constante de velocidad por la concentración del reactivo. Un gráfico de la velocidad de reacción con respecto a la concentración será lineal, con k como pendiente.
Si la reacción es de segundo orden, existe una relación cuadrática entre la concentración y la velocidad. Por lo tanto, la tasa es igual a la constante de tasa por la concentración al cuadrado. Un gráfico de la tasa con respecto a la concentración será parabólico, con k como pendiente.
La constante de velocidad, k, es un valor dependiente de la temperatura que relaciona la energía de activación de la reacción con la velocidad de reacción. Explorará esto en el próximo experimento de laboratorio.
Las velocidades de reacción generalmente se dan en moles por litro por segundo. La velocidad tiene las mismas unidades, independientemente del orden de reacción. Por lo tanto, la constante de velocidad tiene diferentes unidades, dependiendo del orden de reacción. Por ejemplo, si A es de primer orden y B es de orden cero, entonces tenemos un ejemplo de moles por litro en la ecuación de tasa. Por lo tanto, la constante de velocidad debe estar en segundos inversos.
Entonces, ¿cómo determinamos el orden de reacción? El orden de reacción debe determinarse experimentalmente mediante una serie de pruebas. Si tiene dos reactivos, un método es mantener constante la concentración de un reactivo, variar el otro y cronometrar el tiempo que se tarda en producir una cierta cantidad de producto. El mismo proceso se repite para el segundo reactivo. A continuación, puede estimar el orden de cada reactivo trazando la velocidad en función de la concentración variable de los reactivos y viendo si parece un gráfico de cero, primer o segundo orden. Hacer coincidir tus datos con la ecuación de tasa correspondiente también te permitirá calcular k.
En este laboratorio, determinará los órdenes de reacción de dos reactivos variando sus concentraciones y cronometrando el tiempo que tarda la reacción en progresar hasta volverse opaca la solución.
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Q1: What is the difference between reaction order and stoichiometric coefficients?
Reaction order describes how reactant concentration affects reaction rate and must be determined experimentally. Stoichiometric coefficients are the numbers in the balanced chemical equation and do not determine reaction order. For example, a reactant with a coefficient of 2 could be zero-order, first-order, or second-order depending on its actual relationship to the reaction rate.
Q2: How does concentration affect the reaction rate in a zero-order reaction?
In a zero-order reaction, reactant concentration has no effect on the reaction rate. The rate equals only the rate constant k, making the reaction rate independent of how much reactant is present. A graph of reaction rate versus concentration appears as a horizontal line.
Q3: What is the mathematical relationship between concentration and rate in first-order reactions?
In first-order reactions, reactant concentration is linearly related to the reaction rate. The rate equation is rate = k[A], where k is the rate constant and [A] is the reactant concentration. Doubling the concentration doubles the reaction rate, and the graph is linear with slope k.
Q4: How does doubling a reactant's concentration affect a second-order reaction?
In second-order reactions, there is a quadratic relationship between concentration and rate. When you double the reactant concentration, the reaction rate increases by a factor of four. The rate equation is rate = k[A]², and the concentration-versus-rate graph appears parabolic.
Q5: Why does the rate constant have different units depending on reaction order?
The rate constant k must have units that make the overall rate expression equal moles per liter per second. For zero-order reactions, k has units M/s. For first-order, k is 1/s. For second-order, k is 1/(M·s). The units adjust so the rate always has consistent dimensions regardless of reaction order.
Q6: What experimental method is used to determine the reaction order of each reactant?
To determine reaction order, hold one reactant's concentration constant while varying the other, then measure the time for the reaction to progress to a visible endpoint. Repeat for each reactant. Compare how reaction time changes with concentration: constant time indicates zero-order, linear changes indicate first-order, and a factor-of-four change when concentration doubles indicates second-order.
Q7: How is the overall reaction order calculated when a reaction has multiple reactants?
The overall reaction order is the sum of the individual reaction orders for each reactant. For example, if reactant A is first-order (m = 1) and reactant B is zero-order (n = 0), the overall reaction order is one. This sum determines how the combined concentrations of all reactants affect the total reaction rate.