13.4
Determinando el Orden de Reacción
Las leyes de velocidad describen la relación entre la velocidad de reacción química y la concentración de sus reactivos. En una ley de velocidad, la c…
Para una reacción química, la ley de velocidad expresa la relación entre la velocidad de reacción y la concentración de reactivo. Los exponentes de las concentraciones de reactivo influyen en la velocidad de reacción individualmente y se denominan órdenes de reacción. El orden de reacción se determina experimentalmente empleando el método de velocidades iniciales, donde una reacción química se repite varias veces con concentraciones de reactivo variables para medir las velocidades de reacción iniciales.
Un aumento en la concentración de reactivo, que produce un aumento linealmente proporcional en la velocidad de reacción, caracteriza una reacción de primer orden. Si duplicar la concentración de reactivo cuadriplica la velocidad inicial, entonces se observa una reacción de segundo orden. Sin embargo, si el cambio de las concentraciones de reactivo no afecta los valores de la velocidad inicial, se observa una reacción de orden cero.
Cuando los datos obtenidos de las velocidades iniciales presentan una relación indiscernible entre el cambio en la concentración inicial de reactivo y la velocidad correspondiente, se calcula una relación de leyes de velocidad. Aquí, cualesquiera dos valores de concentración del reactivo y sus correspondientes velocidades de reacción se utilizan para determinar el orden de reacción. Pero, qué pasa con las reacciones con múltiples reactivos?
Primero, usando el método de velocidades iniciales, se determina individualmente el orden de reacción de cada reactivo. A continuación, los órdenes de reacción individuales se expresan como exponentes de sus respectivas concentraciones de reactivo para formular la ley de velocidad. Por último, la suma de los exponentes individuales de la ley de velocidad determina el orden de reacción general.
Si bien el orden de la reacción representa la dependencia de la velocidad de reacción de la concentración de reactivo, la constante de velocidad indica una medida directa de la velocidad de reacción relativa. La constante de velocidad k, es el coeficiente de proporcionalidad que relaciona la velocidad de reacción con el producto de las concentraciones de reactivo. La unidad de una constante de velocidad depende del orden de reacción general y se puede determinar reordenando la ley de velocidad para resolver la constante de velocidad.
Para una reacción de orden cero, k tiene la unidad de molaridad por segundo. La unidad para una reacción de primer orden es una sobre segundos, y para una reacción de segundo orden es una sobre molaridad-segundos. Una constante de velocidad grande indica una reacción rápida.
Por el contrario, una constante de velocidad menor indica una reacción lenta. Un valor de cero significa la ausencia de reacción química.
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Q1: What is the method of initial rates and how is it used to determine reaction order?
The method of initial rates involves repeating a chemical reaction multiple times with varying reactant concentrations to measure initial reaction rates. By comparing how the rate changes when concentration changes, you can determine the reaction order for each reactant. If doubling concentration doubles the rate, the reaction is first-order; if it quadruples the rate, it is second-order.
Q2: How do you determine the overall reaction order for a reaction with multiple reactants?
First, use the method of initial rates to determine the reaction order of each reactant individually by varying one reactant while keeping others constant. Then express these individual orders as exponents in the rate law equation. The overall reaction order equals the sum of all individual exponents from the rate law.
Q3: What does the rate constant represent and how does its value relate to reaction speed?
The rate constant k is the proportionality coefficient in the rate law that relates reaction rate to reactant concentrations. A large rate constant indicates a fast reaction, while a smaller rate constant indicates a slow reaction. A value of zero signifies the absence of any chemical reaction.
Q4: Why do rate constant units vary depending on the overall reaction order?
Rate constant units depend on the overall reaction order because the rate law must always produce rate units of mol/L·s. For zero-order reactions, k has units of mol/L·s. For first-order, k is 1/s. For second-order, k is 1/M·s. The units adjust so that multiplying k by concentration terms yields the correct rate units.
Q5: What is a ratio of rate laws and when is it used?
A ratio of rate laws is an algebraic approach used when initial rate data does not directly show the relationship between concentration and rate. By dividing one rate law equation by another using data from two different trials, concentration terms cancel out, allowing you to solve for the reaction order without calculating the rate constant first.
Q6: How do you calculate the rate constant once you know the reaction order?
Once you determine the reaction order and formulate the rate law, substitute the concentration and rate values from any experimental trial into the rate law equation. Solve algebraically for k. The units of k are determined by rearranging the rate law so that rate units of mol/L·s are produced when k is multiplied by the concentration terms.
Q7: Can reaction orders be predicted from the stoichiometric coefficients in a chemical equation?
No. Although reaction orders sometimes coincidentally match stoichiometric coefficients, this is not reliable. Rate laws may exhibit fractional orders or negative orders, and they are determined experimentally only. Stoichiometry alone cannot predict how reactant concentration affects reaction rate. The integrated rate law the dependence of concentration on time provides predictive tools instead.