Introducción

Relevancia del Tema

La Cinética Química: Ley de Velocidad es una parte crucial de la Química porque nos permite entender la rapidez o lentitud con la que ocurre una reacción química y qué factores pueden afectarla. El estudio de esta ley permite predecir el comportamiento temporal y cuantitativo de una reacción química, ayudando en diversas aplicaciones prácticas, desde la optimización de procesos industriales hasta el desarrollo de nuevos medicamentos.

Contextualización

Este tema se encuentra dentro del Módulo de Cinética Química, que es uno de los pilares de la Química Física. En la secuencia didáctica, la Ley de Velocidad es una extensión natural de los estudios de reacciones químicas, después de comprender conceptos fundamentales como reactivos, productos, estequiometría y balance de ecuaciones químicas.

El tema anterior, Factores que Afectan la Velocidad de Reacción, es fundamental para la comprensión de la Ley de Velocidad, ya que introduce los factores que influyen en la rapidez de la reacción. La Ley de Velocidad, a su vez, profundiza en el estudio de estos factores y aporta un enfoque más cuantitativo al tema, permitiendo la expresión matemática de la tasa de reacción.

Por lo tanto, el estudio de la Ley de Velocidad es un paso esencial en la comprensión de cómo ocurre la Química, preparando al alumno para la complejidad de los temas futuros, como el estudio del equilibrio químico y de la electroquímica.

Desarrollo Teórico

Componentes

• Velocidad de Reacción: Es una medida de la rapidez con la que se consumen los reactivos y se forman los productos. Especifica cuánto tiempo lleva que una cantidad específica de reactivos sea consumida o que una cantidad específica de productos sea formada.

• Ley de Velocidad: Una ecuación química balanceada describe la proporción con la que los reactivos reaccionan para formar los productos según la estequiometría de la reacción. La ley de velocidad, por su parte, describe la proporción con la que los reactivos colisionan efectivamente para formar los productos.

• Factores que Afectan la Velocidad de Reacción: Incluyen la concentración de los reactivos, la temperatura, la presión, el área de superficie de los reactivos y la presencia de un catalizador. La ley de velocidad proporciona una manera de cuantificar el efecto de cada uno de estos factores en la velocidad de una reacción.

• Orden de Reacción: La suma de los exponentes en la ley de velocidad para cada reactivo determina el orden global de la reacción. El orden de reacción con respecto a un reactivo específico es el exponente al que se eleva la concentración de ese reactivo en la ley de velocidad. El orden de la reacción puede ser cero, uno, dos o incluso fraccionario.

Términos Clave

• Velocidad Instantánea: La velocidad de la reacción en un instante específico.

• Ley de Velocidad (o Ecuación de Velocidad): La expresión matemática que relaciona la velocidad de una reacción con la concentración de los reactivos.

• Constante de Velocidad (k): Un valor constante que aparece en la ecuación de velocidad. Depende de la temperatura, del medio en el que ocurre la reacción y de la presencia o ausencia de un catalizador.

• Orden Total de la Reacción (n): La suma de los exponentes en la ley de velocidad. El orden total de la reacción es el orden cuando se consideran todos los reactivos.

• Mecanismo de la Reacción: Paso a paso teórico por el cual ocurre una reacción química. Cada etapa es una reacción elemental, en la que las moléculas colisionan y forman productos.

Ejemplos y Casos

• Descomposición del N2O5: El experimento clásico que involucra la descomposición del N2O5 en NO2 y O2 (2N2O5(g) -> 4NO2(g) + O2(g)) ejemplifica la aplicación de la Ley de Velocidad. Se midieron las velocidades iniciales de la reacción a diferentes concentraciones de N2O5 y se determinó el orden de la reacción.

• Reacción entre Yoduro de Potasio y Ácido Sulfúrico: Otro ejemplo es la reacción entre Yoduro de Potasio y Ácido Sulfúrico (KI(aq) + H2SO4(aq) -> 2HI(aq) + K2SO4(aq)). Se midió la velocidad de esta reacción a diferentes concentraciones de KI y H2SO4, ayudando a entender cómo la concentración de reactivos afecta la velocidad de la reacción.

• Reacción del Yoduro de Hidrógeno con el Ozono: El caso de la reacción del Yoduro de Hidrógeno con el Ozono se utiliza para ilustrar la influencia de la temperatura en la velocidad de reacción, con el calor suministrado alterando significativamente la rapidez con la que los reactivos colisionan.

Resumen Detallado

Puntos Relevantes

• Velocidad de Reacción: Consiste en la rapidez con la que ocurre una reacción química, medida por la tasa de cambio de concentración de los reactivos o aparición de productos en relación al tiempo.
• Ley de Velocidad: Describe la influencia de la concentración de los reactivos en la velocidad de reacción. Se expresa mediante una ecuación en la que cada término se eleva a un exponente determinado, llamado orden con respecto a ese reactivo.
• Factores que Afectan la Velocidad de Reacción: Comprende la concentración de los reactivos, la temperatura, la presión, el área de superficie de los reactivos y la acción de un catalizador. La ley de velocidad es una herramienta para cuantificar el efecto de cada uno de estos factores.
• Orden de Reacción: Es la suma de los exponentes en la ley de velocidad. Puede variar desde cero hasta cualquier número entero o fraccionario.

Conclusiones

• La Ley de Velocidad es un instrumento poderoso para prever y controlar la velocidad de una reacción química, ayudando a entender cómo las concentraciones de los reactivos influyen en el proceso.
• La orden de reacción proporciona detalles sobre la relación entre la concentración de un reactivo y la velocidad de la reacción. Una orden de reacción alta indica que pequeños cambios en la concentración causan grandes variaciones en la velocidad.
• Los mecanismos de reacción son fundamentales para comprender las etapas por las cuales ocurre una reacción. Una reacción puede tener un mecanismo de varios pasos, cada uno con su propia ley de velocidad.

Ejercicios

1. Ejercicio 1: Dada la reacción A + B -> C, cuya ley de velocidad fue determinada como v = k[A]²[B]. ¿Cuál es el orden total de la reacción? ¿Y con respecto a los reactivos A y B?
2. Ejercicio 2: Si la ley de velocidad de una reacción es v = k[C]², ¿qué significa esto sobre la influencia del reactivo C en la velocidad de la reacción?
3. Ejercicio 3: Si la velocidad de una reacción se duplica cuando se duplica la concentración de uno de los reactivos, ¿cuál es el orden de la reacción con respecto a ese reactivo?