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Concentración y Ley de Velocidad
La velocidad de una reacción se ve afectada por las concentraciones de los reactivos. Las leyes de velocidad (leyes de velocidad diferencial) o ecuaci…
La velocidad de una reacción depende a menudo de las concentraciones de reactivo. Para cualquier reacción, la relación entre la velocidad de reacción y las concentraciones de reactivo se puede expresar matemáticamente usando una ley de velocidad o la ecuación de velocidad. En una ley de velocidad, k es la constante de proporcionalidad, o la constante de velocidad, y n es el orden de reacción con respecto a un solo reactivo, cuyo valor suele ser un número entero.
En las leyes de velocidad para reacciones de reactivos múltiples, el orden de reacción general es la suma de todos los órdenes de reactivos. Para cada reactivo, la velocidad de reacción, la constante de velocidad, la concentración y el orden de reacción se determinan experimentalmente. La ley de velocidad expresa la relación entre todos estos parámetros.
Los órdenes de reactivos individuales comúnmente toman los valores 0, 1 o 2 y, según el orden de reacción general, las reacciones químicas se pueden clasificar como reacciones de orden cero, de primer orden o de segundo orden. Una reacción química de un solo reactivo, o unimolecular, para la cual la velocidad de reacción permanece constante durante toda su duración es una reacción de orden cero. El orden de los reactivos en una reacción de orden cero es cero y, de acuerdo con la ley de velocidad, la concentración de reactivos se eleva a la potencia cero.
Dado que el valor de cualquier número elevado a la potencia cero es uno, la velocidad de reacción de una reacción de orden cero es igual a la constante de velocidad y, por lo tanto, independiente de la concentración de reactivo. Por lo tanto, en una reacción de orden cero, incluso cuando la concentración del reactivo disminuye, la velocidad de reacción no disminuye. Una reacción química unimolecular donde la velocidad de reacción es directamente proporcional a la concentración del reactivo es una reacción de primer orden.
El orden de los reactivos para una reacción de primer orden es uno y, según la ley de velocidad, la concentración del reactivo se eleva a la primera potencia. Dado que el valor de cualquier número elevado a la potencia de uno sigue siendo el mismo, la velocidad de reacción de una reacción de primer orden depende directamente de la concentración de reactivo. A medida que disminuye la concentración de reactivo, la velocidad de reacción disminuye proporcionalmente de manera lineal.
Una reacción química unimolecular donde la velocidad de reacción depende del cuadrado de la concentración del reactivo es una reacción de segundo orden. El orden de los reactivos es dos y la concentración del reactivo se eleva a la segunda potencia. Por consiguiente, la velocidad de reacción en una reacción de segundo orden depende directamente del cuadrado de la concentración de reactivo.
A medida que disminuye la concentración de reactivo, la velocidad de reacción disminuye exponencialmente de manera cuadrática.
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Q1: What is a rate law and how does it relate to reactant concentration?
A rate law is a mathematical expression describing the relationship between reaction rate and reactant concentrations. It expresses how the rate depends on the concentration of each reactant raised to a specific power, called the reaction order. The rate law includes the rate constant k, which is specific to a particular reaction at a given temperature, and the reaction orders for each reactant, which are determined experimentally.
Q2: How are reaction orders and the rate constant determined experimentally?
Reaction orders and the rate constant are determined by observing how the reaction rate changes as reactant concentrations vary. A common experimental approach is the method of initial rates, which involves measuring reaction rates using different initial reactant concentrations. Comparing these measured rates allows chemists to determine the reaction orders and subsequently calculate the rate constant to formulate the rate law.
Q3: What happens to the reaction rate in a zero-order reaction as reactant concentration decreases?
In a zero-order reaction, the reaction rate remains constant throughout and is independent of reactant concentration. Since the reactant concentration is raised to the zeroth power in the rate law, any number raised to zero equals one, making the rate equal to the rate constant alone. Therefore, even as the reactant concentration decreases, the reaction rate does not slow down.
Q4: How does reactant concentration affect the rate of a first-order reaction?
In a first-order reaction, the reaction rate is directly and linearly proportional to reactant concentration. The reactant concentration is raised to the first power in the rate law, so the rate depends directly on the concentration value. As the reactant concentration decreases, the reaction rate decreases proportionally in a linear manner.
Q5: Why does a second-order reaction rate decrease exponentially as concentration drops?
In a second-order reaction, the reactant concentration is raised to the second power in the rate law, making the rate dependent on the square of the concentration. This quadratic relationship means small changes in concentration produce larger changes in rate. As reactant concentration decreases, the reaction rate decreases exponentially rather than linearly, following the squared concentration term.
Q6: What is the overall reaction order and how is it calculated?
The overall reaction order is the sum of the individual reaction orders for all reactants in the rate law. For example, in a reaction that is first-order in reactant A and second-order in reactant B, the overall reaction order is three (1 + 2 = 3). The overall order determines the mathematical dependence of the reaction rate on all reactant concentrations combined.
Q7: Can reaction orders be predicted from the stoichiometric coefficients of a reaction?
No, reaction orders cannot be reliably predicted from stoichiometric coefficients. Rate laws are determined by experiment only and must be established through direct observation of how reaction rates change with concentration. Reaction orders can be integers, fractions, negative, or zero, and this experimental determination is essential for accurately describing reaction kinetics.