Ejercicio resuelto de Velocidad · Química · 2022

3. Una reacción transcurre a través de dos etapas elementales: i) $\mathrm{NO_2(g)\ +\ F_2\ (g)\ \longrightarrow\ NO_2F(g)\ +\ F(g)}$
ii) $\mathrm{NO_2(g)\ +\ F(g)\ \longrightarrow\ NO_2F(g)}$

I) Escriba la ecuación global para la reacción. (0,5 p)
II) Si para la reacción global $v = k[\mathrm{NO_2}][\mathrm{F_2}]$, explique cuál será la etapa de reacción más lenta. (0,5 p)
III) Explique si alguna de las especies involucradas en la reacción es un intermedio. (0,5 p)
IV) Explique cómo variarán v y k durante el transcurso de la reacción. (0,5 p)

$\textbf{I) Escriba la ecuación global para la reacción. (0{,}5 p)}$

La ecuación global se obtiene sumando las dos etapas y cancelando lo que aparece a los dos lados:

$\mathrm{NO_2} + \mathrm{F_2} + \mathrm{NO_2} + \mathrm{F} \rightarrow \mathrm{NO_2F} + \mathrm{F} + \mathrm{NO_2F}$

Se elimina el átomo de flúor, que figura como producto de la primera etapa y como reactivo de la segunda:

$2\,\mathrm{NO_2(g)} + \mathrm{F_2(g)} \rightarrow 2\,\mathrm{NO_2F(g)}$

$\textbf{II) Si para la reacción global }v = k[\mathrm{NO_2}][\mathrm{F_2}]\textbf{, explique cuál será la etapa de reacción más lenta. (0{,}5 p)}$

La velocidad global la marca la etapa lenta, que actúa como cuello de botella, de modo que la ley de velocidad experimental tiene que coincidir con la de esa etapa.

La primera etapa es elemental, así que su ley se lee de su estequiometría:

$v_1 = k_1\,[\mathrm{NO_2}]\,[\mathrm{F_2}]$

que es exactamente la ley dada. La segunda, en cambio, daría $v_2 = k_2[\mathrm{NO_2}][\mathrm{F}]$, con un intermedio que no aparece en la ley global.

La etapa lenta es, por tanto, la $\textbf{primera}$.

$\textbf{III) Explique si alguna de las especies involucradas en la reacción es un intermedio. (0{,}5 p)}$

Sí: el átomo de flúor, $\mathrm{F(g)}$. Se forma en la primera etapa y se consume íntegramente en la segunda, de modo que no figura ni entre los reactivos ni entre los productos de la ecuación global.

Como además se produce en la etapa lenta y se consume en la rápida, su concentración se mantiene muy pequeña durante todo el proceso.

$\textbf{IV) Explique cómo variarán v y k durante el transcurso de la reacción. (0{,}5 p)}$

La velocidad $\textbf{disminuye}$. Es proporcional a las concentraciones de $\mathrm{NO_2}$ y $\mathrm{F_2}$, y ambas van bajando a medida que los reactivos se consumen. La reacción empieza rápida y se va frenando.

La constante $k$, en cambio, $\textbf{no varía}$. Solo depende de la temperatura, de la energía de activación y de si hay catalizador, según la ecuación de Arrhenius; las concentraciones no la afectan, y por eso se llama constante.