¿Qué es la velocidad de una reacción?
Velocidad significa qué tan rápido. En una reacción R → P, la velocidad es el cambio de concentración en una unidad de tiempo. La concentración se escribe entre corchetes, como [R], en mol L⁻¹.
El reactivo se gasta, así que Δ[R] es negativo. Ponemos un signo menos para que la velocidad sea siempre positiva:
Velocidad = −Δ[R]/Δt = +Δ[P]/Δt
La unidad es mol L⁻¹ s⁻¹. Para los gases se puede usar atm s⁻¹.
Velocidad media y velocidad instantánea
La velocidad media es la velocidad durante un intervalo de tiempo. En la gráfica [R]–t, une dos puntos con una recta (una secante). Su pendiente, con signo menos, es la velocidad media.
La velocidad instantánea es la velocidad en un momento exacto. Traza una tangente (una recta que solo toca la curva) en ese instante. Su pendiente, con signo menos, es la velocidad instantánea: r = −d[R]/dt.
La curva se aplana con el tiempo, así que la velocidad instantánea sigue bajando a medida que se gasta el reactivo.
Velocidad con varias sustancias (estequiometría)
Cuando los números de la ecuación ajustada no son 1, divide cada cambio entre su número. Para 2HI → H₂ + I₂:
Velocidad = −½ Δ[HI]/Δt = Δ[H₂]/Δt = Δ[I₂]/Δt
Así, el HI desaparece el doble de rápido que aparece el H₂, pero la reacción tiene una sola velocidad.
Factores que cambian la velocidad
- Concentración (o presión en los gases): más partículas en el mismo espacio → más choques.
- Temperatura: las partículas se mueven más rápido y más de ellas tienen energía suficiente. Con frecuencia, subir 10 °C casi duplica la velocidad.
- Catalizador: ofrece un camino más fácil, así que la reacción va más rápido. No se gasta.
- Naturaleza de los reactivos y superficie de contacto: las reacciones entre iones en agua son muy rápidas; el polvo reacciona más rápido que un trozo grande.
- Luz: algunas reacciones (como la fotosíntesis) necesitan luz.
Ley de velocidad y constante de velocidad
Para aA + bB → productos, los experimentos dan la ley de velocidad:
Velocidad = k [A]^x [B]^y
x e y salen del experimento. Pueden ser iguales a a y b, o no. k es la constante de velocidad: la velocidad cuando todas las concentraciones valen 1 mol L⁻¹. k cambia con la temperatura, pero no con la concentración.
Unidades de k = (mol L⁻¹)^(1−n) s⁻¹, donde n es el orden. Orden cero: mol L⁻¹ s⁻¹. Primer orden: s⁻¹. Segundo orden: L mol⁻¹ s⁻¹.
Orden de una reacción
Orden = la suma de los exponentes de la ley de velocidad, x + y. Puede ser 0, 1, 2, 3 o incluso una fracción. Solo se halla con experimentos.
Prueba: duplica [A] y deja lo demás fijo. Velocidad igual → orden 0 en A; velocidad ×2 → orden 1; velocidad ×4 → orden 2.
Pseudo primer orden: cuando un reactivo está en enorme exceso (como el agua en la hidrólisis de un éster o del azúcar), su concentración casi no cambia. Entonces una reacción de segundo orden se comporta como de primer orden.
Molecularidad y pasos elementales
Una reacción elemental ocurre en un solo paso. Muchas reacciones son complejas: ocurren en varios pasos (el mecanismo).
La molecularidad es el número de partículas que deben chocar a la vez en un paso elemental: unimolecular (1), bimolecular (2), trimolecular (3). Siempre es un número entero y nunca cero. Más de 3 es casi imposible, porque es muy raro que tantas partículas se junten a la vez.
En una reacción compleja, el paso más lento (el paso que determina la velocidad) controla la velocidad total.
| Orden | Molecularidad |
|---|---|
| Sale del experimento | Sale del mecanismo (teoría) |
| Puede ser 0 o una fracción | Número entero 1, 2, 3; nunca 0 |
| Para la reacción global | Solo para cada paso elemental |
Pruébalo en casa
Toma dos vasos de agua, uno frío y otro tibio. Echa media pastilla efervescente (o una cucharada de bicarbonato con zumo de limón) en cada uno al mismo tiempo. Cuenta los segundos hasta que termine la efervescencia. Gana el vaso tibio: la temperatura aumenta la velocidad. Ahora compara una pastilla triturada con una entera: más superficie, más velocidad. En el 3D, primero predice y luego mueve el deslizador para comprobarlo.
Fórmulas y definiciones clave
- Velocidad = −Δ[R]/Δt = +Δ[P]/Δt
- Velocidad instantánea r = −d[R]/dt
- Para aA + bB → cC + dD: velocidad = −(1/a)Δ[A]/Δt = −(1/b)Δ[B]/Δt = (1/c)Δ[C]/Δt
- Ley de velocidad: v = k[A]^x[B]^y, orden = x + y
- Unidad de k = (mol L⁻¹)^(1−n) s⁻¹
Ejemplos resueltos
1. En R → P, [R] baja de 0.80 mol/L a 0.50 mol/L en 20 s. Calcula la velocidad media.
Δ[R] = 0.50 − 0.80 = −0.30 mol/L. Velocidad media = −Δ[R]/Δt = 0.30/20 = 0.015 mol L⁻¹ s⁻¹.
2. En 2N₂O₅ → 4NO₂ + O₂, el N₂O₅ desaparece a 0.02 mol L⁻¹ s⁻¹. Calcula la velocidad de formación del NO₂ y del O₂, y la velocidad de la reacción.
Velocidad de la reacción = ½ × 0.02 = 0.01 mol L⁻¹ s⁻¹. El NO₂ se forma a 4 × 0.01 = 0.04 mol L⁻¹ s⁻¹. El O₂ se forma a 1 × 0.01 = 0.01 mol L⁻¹ s⁻¹.
3. Velocidad = k[A][B]². ¿Cuál es el orden respecto a A, respecto a B y el orden total?
Orden en A = 1, orden en B = 2, orden total = 1 + 2 = 3.
4. Halla la unidad de k para una reacción de segundo orden (concentración en mol/L, tiempo en s).
Unidad = (mol L⁻¹)^(1−2) s⁻¹ = (mol L⁻¹)⁻¹ s⁻¹ = L mol⁻¹ s⁻¹.
5. Velocidad = k[A]². Si [A] se hace 3 veces mayor, ¿cómo cambia la velocidad?
Nueva velocidad = k(3[A])² = 9k[A]². La velocidad se hace 9 veces mayor.
6. Datos para A + B → productos: [A]=0.1,[B]=0.1 → velocidad 2×10⁻³; [A]=0.2,[B]=0.1 → 4×10⁻³; [A]=0.1,[B]=0.2 → 8×10⁻³ (mol L⁻¹ s⁻¹). Halla la ley de velocidad y k.
Al duplicar A (filas 1→2): la velocidad ×2, así que el orden en A = 1. Al duplicar B (filas 1→3): la velocidad ×4, así que el orden en B = 2. Velocidad = k[A][B]². k = 2×10⁻³ / (0.1 × 0.1²) = 2×10⁻³ / 10⁻³ = 2 L² mol⁻² s⁻¹.
7. El mecanismo de 2NO + O₂ → 2NO₂ es: (1) 2NO ⇌ N₂O₂ (rápido), (2) N₂O₂ + O₂ → 2NO₂ (lento). ¿Cuál es la molecularidad de cada paso?
En el paso 1 chocan 2 moléculas de NO: bimolecular. En el paso 2 chocan N₂O₂ y O₂: también bimolecular. El paso 2, que es lento, decide la velocidad.
Errores comunes
- Olvidar el signo menos en un reactivo: la velocidad siempre es positiva, por eso se usa −Δ[R]/Δt.
- Sacar el orden de la ecuación ajustada. El orden solo sale del experimento.
- Confundir orden y molecularidad: el orden puede ser 0 o ½, la molecularidad no.
- Olvidar dividir entre el coeficiente (como ½ en 2HI) al escribir la velocidad de la reacción.