Ejercicio resuelto de Cinética química · Química · 2020

a) Enumere los factores que influyen en la velocidad de una reacción química en un proceso homogéneo y explique brevemente cómo afecta cada uno de ellos a la misma. (1 punto)

b) Defina los siguientes conceptos e indique sus principales características (0,5 puntos por apartado):

i) mecanismo de reacción.

ii) proceso o reacción elemental.

$\textbf{a) Enumere los factores que influyen en la velocidad de una reacción química en un proceso homogéneo y explique brevemente cómo afecta cada uno de ellos a la misma. (1 punto)}$

Todos ellos se entienden desde la teoría de colisiones: para que haya reacción tiene que haber choques entre moléculas, y esos choques deben ser eficaces, es decir, tener energía suficiente para superar la energía de activación y producirse con la orientación adecuada.

$\textbf{La naturaleza de los reactivos.}$ Es el factor de fondo, y el único que no se puede manipular. Determina la energía de activación: una reacción que exige romper enlaces covalentes fuertes o reordenar mucho la estructura será intrínsecamente lenta, mientras que una reacción entre iones en disolución, que apenas requiere reorganización, puede ser casi instantánea.

$\textbf{La concentración de los reactivos.}$ Al aumentarla hay más partículas por unidad de volumen, de modo que la frecuencia de los choques crece y con ella la velocidad. La dependencia concreta la da la ecuación de velocidad, $v = k\,[\mathrm{A}]^m[\mathrm{B}]^n$, cuyos exponentes son experimentales. En reacciones entre gases, aumentar la presión equivale a aumentar la concentración.

$\textbf{La temperatura.}$ Es el factor más influyente. Al subirla, las moléculas se mueven más deprisa y chocan con más frecuencia, pero sobre todo crece enormemente la fracción de choques cuya energía supera la energía de activación. La relación es exponencial, según la ecuación de Arrhenius:

$k = A\,e^{-E_a/(R\,T)}$

Como regla aproximada, cada 10 °C de subida duplican la velocidad.

$\textbf{Los catalizadores.}$ Ofrecen un camino de reacción alternativo con menor energía de activación, con lo que una fracción mucho mayor de los choques resulta eficaz. No se consumen, aceleran por igual la reacción directa y la inversa y, por tanto, no desplazan el equilibrio ni modifican $\Delta H$: solo hacen que el equilibrio se alcance antes.

Conviene notar que el grado de división de los reactivos, que suele citarse en esta lista, solo interviene en procesos $\textbf{heterogéneos}$, donde la reacción ocurre en la superficie de contacto; en un proceso homogéneo, como pide el enunciado, no tiene sentido.

$\textbf{b) i) mecanismo de reacción. (0,5 puntos)}$

Es el conjunto ordenado de $\textbf{etapas elementales}$ por las que transcurre realmente una reacción química desde los reactivos hasta los productos. La ecuación global es solo el balance neto y casi nunca describe lo que ocurre a escala molecular.

Sus características principales son estas.

La $\textbf{suma}$ de las etapas debe reproducir la ecuación global, cancelándose las especies intermedias.

Aparecen $\textbf{intermedios de reacción}$, especies que se forman en una etapa y se consumen en otra posterior, y que no figuran en la ecuación global. No deben confundirse con los complejos activados, que no son especies aislables sino estados de transición.

La etapa más lenta es la $\textbf{etapa determinante de la velocidad}$: es ella la que fija la ecuación de velocidad del conjunto, del mismo modo que el tramo más estrecho de una carretera fija el flujo de todo el trayecto.

Un mecanismo nunca se demuestra, solo se propone: se acepta mientras sea compatible con la ecuación de velocidad observada experimentalmente.

$\textbf{b) ii) proceso o reacción elemental. (0,5 puntos)}$

Es cada una de las etapas de un mecanismo, es decir, un proceso que ocurre $\textbf{en un solo paso}$, tal y como está escrito, sin intermedios y a través de un único complejo activado.

Su característica más importante, y lo que la distingue de una reacción global, es que en una reacción elemental —y solo en ella— los $\textbf{órdenes de reacción coinciden con los coeficientes estequiométricos}$. Por eso su ecuación de velocidad sí se puede escribir directamente a partir de la ecuación química.

Se clasifican según su $\textbf{molecularidad}$, el número de partículas que intervienen en el choque:

Unimoleculares, cuando una sola molécula se descompone o se reordena; su ley de velocidad es de primer orden.

Bimoleculares, cuando chocan dos partículas; son con diferencia las más frecuentes y su ley es de segundo orden.

Trimoleculares, cuando chocan tres a la vez; son rarísimas, porque la probabilidad de un choque triple simultáneo y bien orientado es muy pequeña. No se conocen elementales de molecularidad mayor.