Ejercicio resuelto de Velocidad · Química · Navarra · 2021

Para la reacción $2\,\text{NO}(g) + \text{O}_2(g) \rightarrow 2\,\text{NO}_2(g)$ se ha determinado experimentalmente que su ecuación de velocidad es $v = k\,[\text{NO}]^{2}$. El mecanismo propuesto es el siguiente:

Etapa 1: $2\,\text{NO}(g) \rightarrow \text{N}_2\text{O}_2(g)$; Etapa 2: $\text{N}_2\text{O}_2(g) + \text{O}_2(g) \rightarrow 2\,\text{NO}_2(g)$.

i) Justifique cuál de las dos etapas es la etapa lenta. Justifique cómo afectará a la velocidad de la reacción duplicar la concentración de NO. ¿Y duplicar la concentración de $\text{O}_2$? [1,0 punto]

ii) Explique brevemente el funcionamiento de un catalizador. ¿Influirá en la velocidad de la reacción? ¿Y en la cantidad de producto obtenido? [1,0 punto]

$\textbf{i) Justifique cuál de las dos etapas es la etapa lenta. Justifique cómo afectará a la velocidad de la reacción duplicar la concentración de NO. ¿Y duplicar la concentración de O₂? [1,0 punto]}$

En un mecanismo por etapas, la velocidad global la impone la etapa $\textbf{más lenta}$, y solo las especies que intervienen hasta ella —incluida— aparecen en la ley de velocidad.

La ley experimental es $v = k\,[\mathrm{NO}]^2$: depende del NO y no del oxígeno. Eso solo encaja si la etapa lenta es la $\textbf{primera}$, que es elemental y bimolecular en NO:

$2\,\mathrm{NO(g)} \rightarrow \mathrm{N_2O_2(g)} \qquad v = k\,[\mathrm{NO}]^2$

El oxígeno solo entra en la segunda etapa, que al ser rápida consume el intermedio en cuanto se forma y no condiciona el ritmo del proceso.

Al duplicar la concentración de NO, como está elevada al cuadrado:

$v' = k\,(2\,[\mathrm{NO}])^2 = 4\,k\,[\mathrm{NO}]^2 = 4\,v$

La velocidad se multiplica por $\textbf{cuatro}$. En cambio, duplicar la concentración de oxígeno $\textbf{no la altera}$: su orden de reacción es cero.

$\textbf{ii) Explique brevemente el funcionamiento de un catalizador. ¿Influirá en la velocidad de la reacción? ¿Y en la cantidad de producto obtenido? [1,0 punto]}$

Un catalizador es una sustancia que se recupera inalterada al final de la reacción y que abre un $\textbf{mecanismo alternativo}$ con una energía de activación menor. No aporta energía ni empuja la reacción: lo que hace es rebajar la barrera, de modo que a la misma temperatura una fracción mucho mayor de choques resulta eficaz.

Sobre la velocidad, por tanto, $\textbf{sí influye}$, y mucho: la aumenta.

Sobre la cantidad de producto, $\textbf{no influye}$. Los niveles de reactivos y productos no se mueven, así que $\Delta H$ es el mismo y la constante de equilibrio tampoco cambia: el catalizador acelera por igual la reacción directa y la inversa. Lo único que se consigue es llegar antes al mismo punto final.