Ecuación de la ley de velocidad: constante y orden de reacción

¿Qué es la ecuación de la ley de velocidad?

Ya sea que alguien esté estudiando una reacción química en química, biología molecular o bioquímica, es importante comprender no solo cuáles son los reactivos iniciales y los productos finales, sino también cómo avanza la reacción a lo largo del tiempo. El simple hecho de saber que se está produciendo una reacción a menudo no es muy útil para resolver problemas que involucran reacciones químicas.

Por ejemplo, una reacción puede ser rápida y ocurrir en segundos, mientras que otra puede ser más lenta y tardar horas, días o meses en ocurrir. ¿Qué sucedería si la reacción química tuviera algún impacto en el medio ambiente? Saber qué tan rápido ocurre la reacción a lo largo del tiempo proporcionaría datos extremadamente valiosos. En cualquier reacción química, la velocidad significa qué tan rápido se desarrolla la reacción a lo largo del tiempo. La velocidad de una reacción variará en función de factores como la identidad de los reactivos, la concentración de cada reactivo y la temperatura a la que ocurre la reacción.

Existe una fórmula matemática llamada ecuación de la ley de velocidad que permite calcular la velocidad de una reacción. Un ejemplo de cómo escribir la ecuación de la ley de velocidad (con los reactivos A y B) es el siguiente: {eq}r = k[A]^x[B]^y {/eq} donde los componentes de la ecuación son:

• Ley de velocidad, que es la ecuación completa, con la velocidad representada por r
• Constante de la ley de velocidad, representada por k
• Orden de reacción, representada por los exponentes x e y
• Concentración molar de los reactivos, representada por las letras A, B, etc., entre paréntesis.

Ley de velocidad

Los términos ley de velocidad y ecuación de la ley de velocidad son sinónimos e intercambiables entre sí. La ley de velocidad, con la velocidad representada por el símbolo r, representa la velocidad de una reacción por una unidad de tiempo establecida. La definición de velocidad de reacción siempre se expresa como una concentración (por ejemplo, molaridad o M, que es mol/L) sobre una unidad de tiempo (por ejemplo, segundos o s), con las unidades de velocidad de reacción escritas como concentración/tiempo, por ejemplo, M/s. Para determinar la ley de velocidad es necesario conocer la identidad de los reactivos, el orden de los reactivos y la constante de la ley de velocidad.

Orden de reacción

En la ley de velocidad, el orden de reacción se refiere a la concentración de reactivos, expresada como exponentes (p. ej., x e y ). ¿Cómo afecta el orden de una reacción a la velocidad? La concentración de cada reactivo, A y B, se multiplica por la potencia del orden de reacción.

• Para los reactivos A y B, donde x = 1 e y = 1, la ley de velocidad se expresa como {eq}r = k[A][B] {/eq}

• Para los reactivos A y B, donde x = 2 e y = 1, la ley de velocidad se expresa como {eq}r = k[A]^2[B] {/eq}
• Para los reactivos A y B, donde x = 1 e y = 2, la ley de velocidad se expresa como {eq}r = k[A][B]^2 {/eq}

Cómo determinar el orden de reacción:

El orden de reacción de una ecuación química es la suma de los exponentes de cada reactivo en la ecuación química. Por lo tanto, para {eq}r = k[A][B]^2 {/eq} el orden de reacción es 3, porque x = 1 e y = 2, con x + y = 3. En este caso, el reactivo A es de primer orden, el reactivo B es de segundo orden y toda la reacción es de tercer orden. Los tipos de reacciones de orden y sus definiciones incluyen:

• Reacciones de primer orden: ocurren cuando la suma de todos los exponentes de los reactivos es igual a 1, por ejemplo, {eq}r = k[A] {/eq}
• 
  Reacciones de segundo orden: ocurren cuando la suma de todos los exponentes de los reactivos es igual a 2, por ejemplo, {eq}r = k[A][B] {/eq}
• Reacciones de tercer orden: ocurren cuando la suma de todos los exponentes de los reactivos es igual a 3, por ejemplo, {eq}r = k[A][B]^2 {/eq}

• Reacciones de orden cero: Esto ocurre solo cuando la concentración de los reactivos no tiene ningún impacto en la velocidad de la reacción.
• Reacciones de pseudoorden: esto sucede cuando la concentración de uno de los reactivos no está incluida en el orden de reacción de la ecuación. Las reacciones de pseudoorden pueden ser pseudo-cero o pseudo-primer orden, por ejemplo, cuando una reacción de segundo orden actúa como una reacción de primer orden, o una reacción de primer orden actúa como una reacción de orden cero.
• Reacciones complejas: Las reacciones complejas son reacciones con múltiples pasos.

¿Cómo encontrar la constante de tasa?

La constante de velocidad es un número que representa la relación entre la concentración de reactivos y la velocidad de reacción en una reacción química particular a una temperatura determinada. Para encontrar el valor de la constante de velocidad, k, que difiere para cada reacción química, se requieren datos experimentales. Para encontrar las constantes de velocidad para cada reacción, es necesario resolver k en la ecuación de la ley de velocidad y luego introducir los valores de los datos experimentales.

Un ejemplo de cómo hallar la ecuación de la constante de velocidad, donde {eq}r = k[A][B]^2 {/eq}, por ejemplo, es resolver para k, lo que da {eq}k = \frac{r}{[A][B]^2} {/eq} como la ecuación de la constante de velocidad. Debido a que las concentraciones de A y B se expresan en unidades de M y las unidades de k se expresan como M/s, las unidades de la constante de velocidad para k son {eq}\frac{1}{M^2s} {/eq}. En la siguiente sección de esta lección se cubre un ejemplo de cómo hallar valores para el orden de una reacción, la constante de velocidad y la ley de velocidad usando datos experimentales.

Resumen de la lección

En química y ciencias bioquímicas relacionadas, la velocidad de algo describe qué tan rápido ocurre una reacción química a lo largo del tiempo. Comprender la velocidad es muy importante para comprender completamente los impactos de las reacciones químicas. Por ejemplo, si una sustancia química en la atmósfera provocó la descomposición del ozono, calcular la velocidad de reacción sería fundamental para comprender sus posibles impactos ambientales. La ecuación de la ley de velocidad, también llamada ley de velocidad, es una fórmula matemática para calcular la velocidad de una reacción, expresada como {eq}r = k[A]^x[B]^y {/eq} cuando la ecuación química es A + B {eq}\rightarrow {/eq} productos. En la ley de velocidad, la letra r representa la velocidad calculada, la letra k representa la constante de la ley de velocidad, las letras {eq}[A] {/eq} y {eq}[B] {/eq} representan la concentración molar de cada reactivo, y los exponentes x e y representan el orden de la reacción.

Los exponentes x e y se calculan a partir de datos experimentales. Por ejemplo, si la concentración de A es 0,02 M en el experimento 1 y 0,04 M en el experimento 2, la concentración de B no cambia y la velocidad aumenta de 0,125 M/s a 0,250 M/s, esto significa que la concentración de A se duplicó entre el experimento 1 y 2, mientras que la velocidad también se duplicó. Por lo tanto, para calcular x, use la ecuación {eq}2^x = 2 {/eq}, donde al resolver x = 1. Debido a que x es 1, el reactivo A es una reacción de primer orden. Si el valor de y también se calculó en 1, entonces el reactivo B también es una reacción de primer orden. Entonces, si x = 1 e y = 1 según los datos experimentales para los reactivos A y B, toda la reacción química es de segundo orden, porque x + y = 2. Calcular la constante de la ley de velocidad, k, también requiere datos experimentales. Si se sabe, a partir de un conjunto diferente de datos experimentales, por ejemplo, que x = 1 e y = 1, {eq}[A] {/eq} = 0,20 M, {eq}[B] {/eq} = 0,20 M y la velocidad inicial es 0,126 M/s, se puede determinar k. Para calcular k, introduzca estos valores en la ecuación de la ley de velocidad {eq}r = k[A][B] {/eq} y resuelva, donde k = 3,15{eq}(M^2s)^{-1} {/eq}.

Rodrigo Ricardo Editor y fundador