¿Qué es el paso para determinar la tasa?
El paso determinante de la velocidad (RDS o paso RD) se define como el paso más lento en una reacción química de varios pasos que limita su velocidad general. El paso determinante de la velocidad también puede denominarse paso limitante de la velocidad y tiene la energía de activación más alta, es decir, la energía mínima requerida para que ocurra una reacción. En cinética química, el RDS permite la predicción y el control de las velocidades de reacción. Cuanto mayor sea la cantidad de energía de activación necesaria para que los reactivos experimenten un cambio químico, más lenta será la velocidad de la reacción. Por tanto, la energía de activación de una reacción química muestra una proporcionalidad inversa con su velocidad.
La determinación del RDS requiere un análisis del mecanismo de reacción, teniendo en cuenta varios factores, incluida la energía de activación de cada paso. El paso que determina la velocidad es crucial para optimizar la eficacia de la reacción en diversos procesos industriales, como la síntesis de fármacos y la producción de polímeros.
Comprender el paso limitante de la tasa
Una reacción química se refiere al proceso mediante el cual un conjunto de moléculas, llamadas reactivos, interactúan entre sí y se transforman en un nuevo conjunto de moléculas con composiciones distintas a las de los reactivos. Estas nuevas moléculas se llaman productos. Las reacciones químicas se representan en forma de ecuaciones, como se muestra a continuación:
{eq}A + B \rightarrow \text{Productos} {/eq}
En la reacción anterior, A y B son reactivos que interactúan entre sí, experimentando cambios químicos y formando productos.
¿Qué es una Reacción Química? Definición y Ejemplos
En muchas reacciones, hay varios pasos. Los reactivos primero se transforman en moléculas intermedias, que luego reaccionan más y sufren cambios químicos para formar los productos finales. De los múltiples pasos, el paso más lento determina la velocidad de reacción general. A continuación se muestra un ejemplo que aclara una reacción de varios pasos:
{eq}A + \text{B} \ {{\rightleftharpoons}^{\text{rápido}}} \text{Intermedios} {{\rightarrow}^{\text{lento}}} \text{Productos finales} {/eq}
En el ejemplo anterior, la transformación de los intermedios en productos finales es el paso más lento. Este paso determina la velocidad de reacción general y es, por lo tanto, el RDS o paso limitante de la velocidad.
Cómo encontrar el paso determinante de la tasa
Identificar el paso determinante de la velocidad es crucial para comprender una reacción química. Para determinar este paso, la reacción general se representa como una ecuación balanceada y luego se divide en pasos de reacción elementales. A continuación se muestra un ejemplo de una ecuación balanceada:
{eq}\text{na}A + \text{nb}B \rightarrow \text{ni}I \rightarrow \text{np}P {/eq}
Encontrar constantes de velocidad y ordenar reacciones: gráfico y ley de velocidad
donde A y B son reactivos, I es el intermedio, P es el producto y na, nb, ni y np son los números respectivos de moléculas de A, B, I y P en la reacción.
La velocidad de reacción de cada paso elemental se calcula y se compara con la de los otros pasos. El paso con la velocidad de reacción más lenta es el paso que determina la velocidad.
La velocidad de reacción se estima utilizando la ecuación de la ley de velocidad. Para la reacción representativa {eq}A + B \rightarrow \text{Products} {/eq}, la ecuación de la ley de velocidad es la siguiente:
{eq}v = k [A]^{x} [B]^{y} {/eq},
donde v es la velocidad de reacción; k es la constante de velocidad; y x e y son los órdenes de la reacción referentes a A y B, respectivamente; y {eq}[A] {/eq}y {eq}[B] {/eq} son las concentraciones de los reactivos.
Reacción de Desprendimiento de Gases: Resumen y ejemplos
El primer paso es el paso determinante de la velocidad de una reacción química cuando tiene la velocidad de reacción más lenta. Sin embargo, cuando el primer paso en una reacción de varios pasos tiene una velocidad de reacción rápida y forma reversiblemente intermediarios que alcanzan un estado de equilibrio antes del paso que determina la velocidad, se logra un preequilibrio. A continuación se muestra un ejemplo para dilucidar el preequilibrio:
{eq}A + B \rightleftharpoons I \rightarrow P {/eq}
En el mecanismo de reacción anterior, el primer paso es reversible y el segundo paso es irreversible.
Si el segundo paso es el paso determinante de la velocidad, la concentración del intermedio I aumenta mientras se establece un equilibrio con los reactivos A y B.
Finalmente, el paso determinante de la tasa prevista requiere validación experimental.
Ejemplo de gráfico de pasos determinante de la tasa
Trazar un gráfico de las energías de activación involucradas en los pasos elementales de una reacción química de varios pasos con respecto a la coordenada de la reacción permite identificar el paso determinante de la velocidad. Para ilustrar gráficamente el paso que determina la velocidad, aquí se representa una reacción representativa:
{eq}R \rightleftharpoons I \rightarrow P {/eq}
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En el gráfico de pasos que determina la velocidad, R representa los reactivos, I representa los intermedios y P representa los productos. El primer paso es reversible y el segundo irreversible. La energía de activación requerida para que R experimente un cambio químico y forme I es menor que la requerida para iniciar cambios químicos en I para formar P.
La energía de activación es inversamente proporcional a la velocidad de una reacción química. En una reacción química de varios pasos, una energía de activación más baja se asocia con un paso más rápido, mientras que una energía de activación más alta indica un paso más lento. El paso elemental con la mayor energía de activación es el paso más lento de la reacción química y determina su velocidad de reacción general. Por tanto, el paso determinante de la velocidad puede identificarse en función de su energía de activación.
En el gráfico anterior, el cambio químico de I a P tiene la energía de activación más alta, lo que indica la velocidad de reacción más lenta. Por lo tanto, este paso es el paso determinante de la velocidad en la reacción dada.
Resumen de la lección
En una reacción química de varios pasos, el paso más lento que limita la velocidad general de la reacción se define como el paso determinante de la velocidad. Este paso tiene la energía de activación más alta, que es la energía mínima necesaria para que se produzca una reacción. La energía de activación muestra una proporcionalidad inversa con la velocidad de una reacción. En otras palabras, cuanto mayor sea la energía de activación de una reacción química, más lenta será la velocidad de reacción. Trazar gráficos de las energías de activación de pasos elementales en una reacción química representa un método útil para identificar el paso determinante de la velocidad.
Para encontrar el paso que determina la velocidad, se representa una reacción química como una ecuación balanceada y luego se divide en pasos elementales. La velocidad de reacción de cada paso se calcula y se compara con la de los otros pasos. La velocidad de reacción más baja corresponde al paso que determina la velocidad. Las velocidades de reacción se estiman utilizando la ecuación de la ley de velocidad, que es una ecuación que muestra la relación entre la velocidad de una reacción y las concentraciones de los reactivos. Cuando los reactivos producen intermediarios a un ritmo rápido antes del paso que determina la velocidad y se establece un equilibrio, surge un estado de preequilibrio. El paso determinante de la velocidad es crucial para predecir y controlar la cinética química de una reacción.
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