Cinética Química
- Presentación
- Ampliación
- Video: ¿Cómo funciona el catalizador de los coches?
- P1: Ecuación velocidad, constante velocidad y orden reacción
- P2: Factores que influyen en la velocidad de una reacción
- + Cuestiones y problemas
- Selectividad CARM
- Resumen
Para una reacción general A + B → Productos, se han realizado tres experimentos mediante los que, partiendo de ciertas concentraciones iniciales de A y B, se obtuvieron los valores de velocidad de reacción:
Experimento | [A] (M) | [B] (M) | vreacción [(mol/L)/min] |
1 | 0,020 | 0,010 | 1,2·10-5 |
2 | 0,020 | 0,020 | 4,8·10-5 |
3 | 0,040 | 0,010 | 1,2·10-5 |
Determina:
- Órdenes parciales con respecto a los reactivos A y B.
- El orden global de la reacción.
- La ecuación de velocidad.
- El valor y las unidades de la constante de velocidad.
- La velocidad de reacción cuando las concentraciones iniciales de A y B son 0,03M.
SOLUCIÓN
a. En primer lugar, se analiza la influencia de cada reactivo en la velocidad de reacción. Comparando los experimentos 1 y 3, vemos que cuando solo varía [A], la velocidad no cambia. Así pues, la velocidad no depende de la concentración de esta sustancia, es decir, su orden es 0.
Al comparar ahora los experimentos 1 y 2, comprobamos que, al duplicarse [B], la velocidad se duplica (22). La ecuación de velocidad de esta reacción es de orden 2 con respecto a B:
b. El orden global de la reacción se establece a partir de los órdenes parciales; el orden de la reacción con respecto a A es 0, y con respecto a B es 2, luego el orden global es 0+2=2.
c. La ecuación de velocidad es.
d. Utilizando los datos de la tabla de los experimentos 1 y 2, calculamos el valor y las unidades de k:
e. Aplicando la ecuación de velocidad para esta reacción:
Una reacción química del tipo aA + bB → cC + dD tiene la siguiente ecuación de velocidad v=k[A]2[B]. En la tabla se recogen los datos de tres experimentos:
Experimento | [A] (M) | [B] (M) | vreacción [(mol/L)/min] |
1 | 0,012 | 0,006 | 1,8·10-9 |
2 | 0,006 | 0,006 | … |
3 | … | 0,012 | 1,44·10-8 |
Completa la tabla, determina la constante de velocidad y deduce el orden parcial y el orden total de la reacción.
Con los datos del primer experimento podremos conocer la constante de velocidad: Deducimos sus unidades del análisis dimensional de la ecuación: Por tanto, la constante de velocidad será: Para conocer la velocidad de reacción del segundo experimento, basta con sustituir los datos en la ecuación de velocidad: Del tercer experimento se desconoce la concentración inicial de A, se obtiene despejándola de la ecuación de velocidad: Obtendremos los órdenes parciales y totales de la reacción a partir de su ecuación de velocidad: el orden de la reacción con respecto a A es 2 (exponente de A en la ecuación de velocidad); el orden de la reacción con respecto a B es 1 (exponente de B en la ecuación de velocidad), y el orden global es 2 + 1 =3 (orden para A + orden para B).SOLUCIÓN
La energía de activación de cierta reacción química es 240 kJ/mol a 300 K. ¿A qué temperatura habría que trabajar para duplicar el valor de su constante de velocidad? ¿En qué factor cambiará la velocidad de reacción?
SOLUCIÓN
Utilizamos la expresión Arrhenius que relaciona la constante de velocidad de una reacción con la temperatura a la que se produce. Para las situaciones 1 y 2:
Si queremos duplicar la constante de velocidad y con los datos del enunciado (donde R=8,31 J/molK):
Las velocidades serán:
Dividiendo una entre otra:
Obsérvese que un incremento de tan solo 2ºC en la temperatura de la reacción basta para duplicar su velocidad.
La velocidad de reacción a + 2B →C en fase gaseosa solo depende de la temperatura y de la concentración de A, la velocidad, de tal manera que si se duplica la concentración de A, la velocidad de reacción también se duplica
- Justifica para que reactivo cambia más deprisa la concentración
- Indica los órdenes parciales respecto de A y de B y escribe la ecuación cinética.
- Indica las unidades de la constante cinética.
- ¿Cómo afecta a la velocidad de reacción una disminución del volumen a temperatura constante?
SOLUCIÓN
- De acuerdo con la estequiometría de la reacción, cada vez que desaparece un mol de A, desaparecen dos moles de B y aparece un mol de C. por tanto, la velocidad a la que desaparece B es el doble de la velocidad a la que desaparece A y aparece C.
- Según el enunciado, la velocidad es directamente proporcional a la concentración de A y no depende de la concentración de B junto la ecuación de velocidad es por tanto, v = K[A]. Es decir, el orden de la reacción para A es 1 (exponente de [A] en la ecuación de velocidad); el orden de la reacción para B es 0 exponentes de B en la ecuación de velocidad, y el orden global es 1 + 0 = 1.
- De la ecuación de velocidad se extrae, despejando K, que esta constante se mide en s-1.
- Al disminuir el volumen, aumenta la concentración de los reactivos. Puesto que la velocidad es proporcional a la concentración de la sustancia A, al disminuir el volumen aumentará igualmente la velocidad de la reacción
1. Escribe la expresión de la velocidad de reacción en función de la concentración de cada una de las especies que intervienen en el proceso de obtención de amoniaco. N2+3H2 →2NH3
2. Escribe las expresiones de la velocidad para las siguientes reacciones en términos de la desaparición de los reactivos y de la aparición de los productos: a) I–(aq) + ClO–(aq) → Cl–(aq) + IO–(aq) b) 3O2(g) → 2O3(g) c) 4NH3 (g) + 5O2 (g) → 4NO(g) + 6H2O(g) d) 2NO2 (g) → N2O4 (g) e) I2 (g) + H2 (g) → 2HI (g)
3. Se ha medido la velocidad en la reacción A + 2 B → C a 25 ºC, para lo que se han diseñado cuatro experimentos, obteniéndose como resultado la siguiente tabla de valores.
Experimento | [A]0 (M) | [B]0 (M) | v0 (mol·L-1·s-1) |
1 | 0,1 | 0,1 | 5,5·10-6 |
2 | 0,2 | 0,1 | 2,2·10-5 |
3 | 0,1 | 0,3 | 1,65·10-5 |
4 | 0,1 | 0,6 | 3,3·10-5 |
4. Sea la reacción que transcurre en una etapa simple: 2A+B → 3C donde A y B son los reactivos y C es el único producto. (a) Exprese la velocidad de reacción, vr, indicando sus unidades, en función del reactivo A y del producto C. (b) La ecuación cinética de esta reacción es vr=k[A][B]. Indique el orden total de la reacción, así como las unidades de la constante cinética, k.
5. En la reacción 2NO + 2 H2 → N2 + 2H2O, a 1100 K, se obtuvieron los siguientes datos:
[NO]inicial | [H2]inicial | Velocidad inicial |
0,005 | 0,0025 | 3·10-5 |
0,015 | 0,0025 | 9·10-5 |
0,015 | 0,010 | 3,6·10-4 |
6. Dada la reacción química; aA + bB → cC + dD; presente una expresión para su ecuación de velocidad y defina los órdenes de reacción total y parcial. Sol: v=k[A]α[B]β
7. El monóxido de nitrógeno NO, reacciona con hidrógeno formando óxido de dinitrógeno N2O:
2NO(g) + H2 (g) → N2O(g) + H2O(g)
En una serie de experimentos, se han obtenido los siguientes resultados:
Experimento | [NO] (M) | [H2] (M) | V0 (mol·L-1·s-1) |
1 | 0,064 | 0,022 | 2,6·10-2 |
2 | 0,064 | 0,044 | 5,2·10-2 |
3 | 0,128 | 0,022 | 5,2·10-2 |
Determinar la ecuación de velocidad y calcular el valor de la constante de velocidad. Sol.: v = 288,5 [NO]2·[H2]
8. Completa la siguiente tabla de valores correspondientes a una reacción: A+B → C la cual es de primer orden respecto a A y respecto a B.
Experimento | [A] (mol/L) | [B] (mol/L) | V0 (mol·L-1·s-1) |
1 | 0,1 | 0,2 | 5,8·10-5 |
2 | 0,3 | 2,17·10-4 | |
3 | 0,4 | 1,16·10-4 |
Experimento | [A]0 (mol/L) | [B]0 (mol/L) | v0 (mol·L-1·s-1) |
1 | 0,05 | 0,05 | 1,27·10-4 |
2 | 0,1 | 0,05 | 2,54·10-4 |
3 | 0,1 | 0,1 | 5,08·10-4 |
Determina
a) La ecuación de velocidad.
b) El valor de la constante de velocidad.
10. Para una determinada reacción general, A → productos, se han obtenido los siguientes datos.
Experimento | [A] (mol/L) | v0 (mol·L-1·s-1) |
1 | 0,02 | 4,8·10-6 |
2 | 0,03 | 1,08·10-5 |
3 | 0,05 | 3,0·10-5 |
a) El orden de reacción b) El valor de la constante de velocidad. Sol: a) α = 2; b) k = 0,012
13. La velocidad de la reacción A + 2 B → C en fase gaseosa solo depende de la temperatura y de la concentración de A, de tal manera que si se duplica la concentración de A la velocidad de reacción también se duplica.
a) Justifique para qué reactivo cambia más deprisa la concentración.b) Indique los órdenes parciales respecto de A y B y escriba la ecuación cinética. c) Indique las unidades de la velocidad de reacción y de la constante cinética. d) Justifique cómo afecta a la velocidad de reacción una disminución de volumen a temperatura constante.
14. La reacción 2X + Y → X2Y tiene ordenes de reacción 2 y 1 respecto a los reactivos X e Y, respectivamente.
a) ¿Cuál es el orden total de la reacción? Escriba la ecuación velocidad del proceso. b) ¿Qué relación existe entre la velocidad de desaparición de X y la de aparición de X2Y?c) ¿En qué unidades se puede expresar la velocidad de esta reacción? ¿Y la constante de velocidad? d) ¿De qué factor depende el valor de la constante de velocidad de esta reacción? Razone la respuesta.
15. La energía de activación para la reacción A + B → C + D es 32 kJ, y para su inversa, 58 kJ ¿Cómo será la reacción directa, exotérmica o endotérmica? Suponiendo que la energía media de los productos es 30 kJ ¿cuál será la de los reactivos? Sol: ΔHr = 56 kJ
16. Para una reacción química a 300 ºC ΔH = +150 kJ ¿Cuál sería el valor mínimo que podrá tener Ea a dicha temperatura?
K (1/M·s) | 0,011 | 0,035 | 0,105 | 0,343 | 0,789 |
T (K) | 700 | 730 | 760 | 790 | 810 |
Calcular la Ea en kJ/mol para dicha reacción. Datos: R = 8,31 J/(K·mol)-2
18. La constante de velocidad de una reacción a 25 ºC es 3,46·10-2. ¿Cuál será la energía de activación a 350 K sabiendo que la Ea de la misma es 50,2 kJ/mol? Datos: R = 8,31 J/(K·mol) Sol: Ea= 47379 J
19. A 20 ºC la constante de velocidad para la descomposición de una sustancia es 3,2·10-6 s-1 y su valor a 50 ºC es de 7,4·10-6 s-1. Calcula la energía de activación de la misma. Dato: R = 8,306 J/(K·mol) Sol: Ea = 21957 J
20. Calcula la energía de activación para una reacción cuya velocidad se multiplica por 4 al pasar la temperatura de 290 K a 312 K. Datos: R = 8,31 J/(K·mol).
21. Mediante un diagrama de energía-coordenada de la reacción, justifique en cada caso si la velocidad de reacción depende de la diferencia de energía entre: (a) Reactivos y productos, en cualquier estado de agregación. (b) Reactivos y productos, en su estado estándar. (c) Reactivos y estado de transición (d) Productos y estado de transición.
22. Una reacción tiene una constante de velocidad que se duplica cuando la temperatura aumenta de 25 a 35 ºC. ¿Cuál será su energía de activación? (R = 8,31 J / mol·K) Sol: Ea = 52860,41 J/mol
23. Explique brevemente el significado de los siguientes conceptos cinéticos: a) Velocidad de reacción b) Ecuación de velocidad. c) Energía de activación.
FACTORES
24 La reacción de descomposición del NO2 en NO y O2 es de orden 2. Escribir la ecuación de la velocidad de reacción. Cuando se duplica la concentración de NO2, ¿cuánto aumentará la velocidad de descomposición?
25. Si a una reacción le añadimos un catalizador, razona si las siguientes frases son verdaderas o falsas: a) La entalpía de la reacción disminuye. b) El orden de reacción disminuye. c) La velocidad de la reacción aumenta.
26. En la figura están representadas las variaciones de energía potencial durante el transcurso de dos reacciones químicas: Reacción A y Reacción B.De las siguientes proposiciones indique cuáles son correctas y cuáles no lo son y por qué. (a) La reacción A es endotérmica y la reacción B es exotérmica. (b) La variación de entalpía en ambas reacciones es la misma. (c) La energía de activación de la reacción A es mayor que la E de activación de la reacción B. (d) Un aumento de temperatura en la reacción A aumenta la cantidad de producto formada. (e) En aumento de temperatura en la reacción B incrementa la energía cinética de las moléculas que intervienen en la reacción.
27. Los siguientes datos describen 4 reacciones químicas del tipo A + B → C + D
Energía de activación (kJ/mol) |
∆G (kJ/mol)
|
∆H (kJ/mol)
|
|
Reacción I | 1 | -2 | 0,2 |
Reacción II | 0,5 | 5 | -0,8 |
Reacción III | 0,7 | 0,7 | 0,6 |
Reacción IV | 1,5 | -0,5 | -0,3 |
28. Razone si la velocidad de reacción depende de: (a) Si el proceso es exotérmico. (b) Si el proceso es espontáneo. (c) Si los enlaces que se rompen son más fuertes que los que se forman. (d) La temperatura y la presión a las que se realiza el proceso. d) Orden de reacción.
29. Para la reacción en fase gaseosa ideal: A + B → C + D Cuya ecuación cinética o “ley de velocidad” es v = k [A], indique como varía la velocidad de reacción: a) Al disminuir el volumen del sistema a la mitad. b) Al variar las concentraciones de los productos, sin modificar el volumen del sistema. c) Al utilizar un catalizador. d) Al aumentar la temperatura.
30. La ecuación de velocidad para el proceso de reducción de HCrO4− con HSO3− en medio ácido es: v=k[HCrO4−] [HSO3−][H+] a) Indique las unidades de la constante de velocidad (k). b) Indique el orden total de la reacción y los ordenes parciales correspondientes a las tres especies. c) Explique los factores que influyen en la constante de velocidad de la reacción. d) Indique de que forma se puede aumentar la velocidad de reacción, sin variar la temperatura y la composición.
31. Discuta el efecto de cuatro factores que afectan a la velocidad de una reacción química según la Teoría de Colisiones.
32. La reacción en fase gaseosa A + B → C + D es endotérmica y su ecuación cinética es v = k·[A]. Justifique si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas: (a) El reactivo A se consume más deprisa que el B. (b) Un aumento de la presión total produce un aumento de la velocidad de reacción. (c) Una vez iniciada la reacción, la velocidad de reacción es constante si la temperatura no varía. (d) Por ser endotérmica, un aumento de temperatura disminuye la velocidad de reacción. Sol: a) F; b) V; c) F; d) F.
33. La reacción A + B → C es un proceso elemental, responda razonadamente a las siguientes cuestiones: a) ¿Cuáles son las unidades de la velocidad de reacción? b) Escriba la expresión de velocidad en función de las concentraciones.c) Indique la molecularidad y los ordenes parciales de reacción. d) ¿Se modifica la velocidad de reacción si las concentraciones iniciales de A y B se mantienen constantes pero cambia la temperatura del experimento?
35.La reacción en fase gaseosa 2 A + B → 3 C es una reacción elemental y por tanto de orden 2 respecto de A y de orden 1 respecto de B. a) Formule la expresión para la ecuación de la velocidad. b) Indique las unidades de la velocidad de reacción y de la constante cinética. c) Justifique como afecta a la velocidad de reacción un aumento de la temperatura a volumen constante. d) Justifique como afecta a la velocidad de reacción un aumento del volumen a temperatura constante.
SEPTIEMBRE 2017
Sabiendo que la energía de activación para la reacción: A + B → C + D es igual a 30 kJ, y para la reacción inversa su valor es 50 kJ:
- Indique justificadamente si la reacción directa será exotérmica o endotérmica (0,8 puntos)
- Si la energía media de los productos de la reacción directa es igual a 35 kJ, ¿Cuál será la energía de los reactivos? (0,8 puntos)
- Justifique como afectaría la presencia de un catalizador positivo a la energía de activación y al orden de la reacción directa (0,6 puntos)
JUNIO 2018
Una reacción química transcurre a través las siguientes etapas elementales:
i) H2 + ICl → HI + HCl lenta
ii) HI + ICl → I2 + HCl rápida
- Escriba la ecuación global para la reacción. (0,4 p.)
- ¿Cuál será la ecuación de velocidad de la reacción, el orden de reacción global y las unidades de la constante de velocidad? (0,9 p.)
- Explique si alguna de las especies involucradas en la reacción es un intermedio. (0,3 p.)
- ¿Qué le ocurre a la velocidad de reacción (v) durante el transcurso de la reacción (aumenta, disminuye o permanece constante)? Explique su respuesta. (0,4 p.)
JUNIO 2019
Considere la siguiente reacción química en fase gaseosa: 2 NO2 → 2 NO + O2 cuya velocidad de reacción viene dada por la expresión: v = k [NO2]2
- Indique cuál es el orden de reacción y las unidades de k. (0,5 p.)
- Si en un determinado instante el O2 se está formando a una velocidad de 0,8 mol‧L ‧s, explique a qué velocidad se estará consumiendo el NO2, en ese mismo instante. (0,5 p.)
- ¿Qué le ocurre a la velocidad de reacción (v) durante el transcurso de la reacción (aumenta, disminuye o permanece constante)? Explique su respuesta. (0,5 p.)
- ¿Qué le ocurrirá a la constante de velocidad (k) si se aumenta la temperatura (k aumenta, disminuye o permanece constante)? Explique su respuesta. (0,5 p.)
SEPTIEMBRE 2020
Se sabe que la reacción A + B → C es de 2º orden con respecto a A y de 1er orden con respecto a B.
- Escriba la ecuación de velocidad de la reacción. (0,25 p)
- ¿Es dicha reacción un proceso elemental? Justifique su respuesta. (0,25 p)
- ¿Cuáles son las unidades de la velocidad de reacción (v) y de la constante de velocidad (k)? (0,5 p)
- ¿Cómo variarán v y k si se duplica la concentración de A? (0,5 p)
- ¿Cómo afectará a v y a k una disminución de la temperatura? (0,5 p)
JUNIO 2021
El siguiente diagrama entálpico corresponde a la reacción 2A → B + C:
- Copie el diagrama en la hoja de respuestas e indique si las flechas corresponden a Ead (Ea de la reacción directa), Eai (reacción inversa) o ΔH. (0,3 p)
- Fijándose en los valores de E, calcule (con su signo correspondiente) Ead, Eai y ΔH(reacción directa).(0,4 p)
- ¿Cuál será la energía del estado de transición (complejo activado)? (0,25 p)
- Escriba la expresión general de ΔH(reacción directa) en función de Ead y Eai, y compruebe que secumple. (0,3 p)
- Explique si la reacción directa es endotérmica o exotérmica. (0,25 p)
- Explique si la adición de un catalizador afectaría a la velocidad de la reacción y a ΔH. (0,5 p)
JULIO 2021
La descomposición de O3 a O2 transcurre a través del siguiente mecanismo, en dos etapas elementales:
i) O3 → O2 + O lenta. i) O + O3 → 2O2 rápida
- Escriba la ecuación global para la reacción. (0,4 p)
- Según el mecanismo propuesto, ¿cuál será la ecuación de velocidad de la reacción, el orden de reacción global y las unidades de la constante de velocidad? (0,9 p)
- Explique si alguna de las especies involucradas en la reacción es un intermedio. (0,3 p)
- ¿Cómo afectará a la velocidad de reacción y a la constante de velocidad un aumento de T? (0,4 p)
Velocidad de reacción
- La velocidad instantánea de reacción es la variación, en un instante determinado, de la concentración de cada una de las sustancias que intervienen en el proceso en la unidad de tiempo.
- Para una reacción genérica irreversible: aA + bB → cC + dD
Ecuación o Ley de velocidad
- La ecuación de velocidad expresa la relación matemática entre la velocidad de una reacción y la concentración de los reactivos.
- Para una reacción genérica irreversible: aA + bB → cC + dD
- α, orden parcial respecto a A y β, orden parcial respecto a B.
- α + β, orden global de la reacción
Mecanismo de reacción
- El mecanismo de una reacción es el conjunto de reacciones sencillas, llamadas etapas elementales, que representan el avance de la reacción global a escala molecular. En algunas etapas pueden aparecer intermedios de reacción que no están en el proceso global.
- La velocidad de reacción en un proceso articulado en varias etapas elementales viene dada por la velocidad de la etapa más lenta (etapa determinante).
Teorías de las reacciones químicas
Teoría de colisiones
En ambos casos se requiere un choque eficaz. Se producirá si las partículas chocan con energía suficiente y orientación adecuada.
Factores que afectan a la velocidad de una reacción
- Temperatura. Un aumento de la temperatura, aumenta la velocidad de las reacciones.
- Concentración (presión). Su aumento aumenta la velocidad de las reacciones.
- Naturaleza de los reactivos.
- Superficies de contacto. La disminución en el tamaño de la partícula aumenta la velocidad de reacción.
- Catalizador. Alteran la velocidad de la reacción sin sufrir un cambio neto.
FUENTE: Inicia DUAL QUÍMICA 2º BACHILLERATO Oxford EDUCACIÓN