Cinética química — leyes de velocidad, órdenes y Arrhenius

La cinética química es el estudio de la rapidez de reacción. Explica qué tan rápido los reactivos se convierten en productos, cómo la concentración cambia la velocidad y por qué una temperatura más alta suele hacer que una reacción ocurra más rápido.

Para muchas reacciones, la ley de velocidad determinada experimentalmente se escribe como

$$rate = k[A]^m[B]^n$$

Aquí, $k$ es la constante de velocidad, $[A]$ y $[B]$ son concentraciones, y $m$ y $n$ son los órdenes de reacción. El orden global es $m+n$.

La forma más rápida de leer esto es: los exponentes te dicen qué tan fuertemente responde la velocidad a la concentración, mientras que la ecuación de Arrhenius ayuda a explicar por qué $k$ normalmente aumenta cuando aumenta la temperatura.

Qué Significa Una Ley De Velocidad

Una ley de velocidad relaciona la velocidad de reacción con la concentración para una reacción específica bajo un conjunto específico de condiciones. Si una reacción es de primer orden en $A$, duplicar $[A]$ duplica la velocidad. Si es de segundo orden en $A$, duplicar $[A]$ hace que la velocidad sea cuatro veces mayor.

Esto es diferente de la estequiometría. La estequiometría te dice cuánto reacciona. La cinética te dice qué tan rápido reacciona.

No supongas los exponentes de la ley de velocidad a partir de la ecuación ajustada, a menos que estés tratando explícitamente con una etapa elemental. Para una reacción global, los órdenes normalmente se determinan experimentalmente.

Orden De Reacción En Lenguaje Sencillo

El orden de reacción te dice qué tan sensible es la velocidad a la concentración.

• Orden cero en $A$: cambiar $[A]$ no cambia la velocidad en ese intervalo.
• Primer orden en $A$: la velocidad es proporcional a $[A]$.
• Segundo orden en $A$: la velocidad es proporcional a $[A]^2$.

Los órdenes no tienen que coincidir con los coeficientes de la ecuación global, y no siempre son números enteros en mecanismos más complicados. Sin embargo, en la mayoría de los problemas introductorios, los casos principales que conviene reconocer rápido son orden cero, primer orden y segundo orden.

Ejemplo Resuelto: Predecir El Cambio De Velocidad

Supón que los experimentos muestran que

$$rate = k[A]^2[B]$$

Compara dos experimentos realizados a la misma temperatura.

En el experimento 1, $[A] = 0.10$ y $[B] = 0.20$.

En el experimento 2, $[A]$ se duplica a $0.20$ mientras $[B]$ permanece igual.

Como la velocidad es proporcional a $[A]^2$, duplicar $[A]$ cambia la velocidad por un factor de

$$2^2 = 4$$

Así que el experimento 2 tiene una velocidad cuatro veces mayor.

Si en cambio mantuvieras fijo $[A]$ y duplicaras $[B]$, la velocidad solo se duplicaría porque $[B]$ aparece con exponente 1.

Esa es la habilidad central en las preguntas sobre leyes de velocidad: cambia una concentración a la vez, lee su exponente y convierte ese exponente en un factor de cambio de la velocidad.

Cómo La Ecuación De Arrhenius Explica La Temperatura

La temperatura afecta la velocidad principalmente a través de la constante de velocidad $k$. Un modelo estándar es

$$k = A e^{-E_a/(RT)}$$

Aquí:

• $A$ es el factor preexponencial
• $E_a$ es la energía de activación
• $R$ es la constante de los gases
• $T$ es la temperatura absoluta en kelvin

La idea principal es más útil que memorizar la fórmula. Cuando la temperatura aumenta, una fracción mayor de las colisiones tiene suficiente energía para superar la barrera de activación, así que $k$ normalmente aumenta.

Si $E_a$ es mayor, la reacción en general es más sensible a la temperatura. Si un catalizador proporciona una vía diferente con una energía de activación menor, la reacción puede hacerse más rápida a la misma temperatura.

Constante De Velocidad Vs. Orden De Reacción

Los estudiantes suelen confundir estos conceptos porque ambos aparecen en la misma ecuación.

El orden de reacción proviene de los exponentes en la ley de velocidad, así que te dice cómo cambia la velocidad con la concentración. La constante de velocidad $k$ es la constante de proporcionalidad de esa ley bajo un conjunto dado de condiciones.

Si cambia la temperatura, $k$ suele cambiar. El orden normalmente no cambia solo porque la temperatura haya cambiado un poco, aunque un mecanismo distinto o un intervalo de concentración diferente pueden hacer que el comportamiento efectivo sea más complicado.

Errores Comunes En Cinética Química

Sacar Los Órdenes De La Ecuación Ajustada

Ese atajo no es fiable para una reacción global. Usa datos experimentales a menos que el problema diga que la etapa es elemental.

Olvidar Que Arrhenius Usa Kelvin

En la ecuación de Arrhenius, la temperatura debe ser temperatura absoluta. Usar grados Celsius directamente da una relación incorrecta.

Confundir Una Reacción Rápida Con Un Gran Rendimiento En Equilibrio

Una reacción rápida alcanza su resultado pronto. Eso no significa que produzca más producto en el equilibrio. La velocidad y el equilibrio responden preguntas diferentes.

Tratar Los Catalizadores Como Si Cambiaran La Estequiometría

Un catalizador cambia la vía de reacción y a menudo cambia la velocidad, pero no cambia la reacción global ajustada.

Dónde Se Usa La Cinética Química

La cinética química es importante en química industrial, combustión, química atmosférica, estudios de enzimas, corrosión, ciencia de baterías y estabilidad de fármacos. En cada caso, la pregunta práctica es la misma: ¿qué tan rápido cambia el sistema en condiciones reales?

Fuera del laboratorio, la misma idea ayuda a explicar la vida útil, los efectos de la temperatura y por qué algunas reacciones necesitan un catalizador para ocurrir en una escala de tiempo útil.

Prueba Un Problema Similar

Toma la ley de velocidad $rate = k[A][B]^2$. Primero predice qué pasa si $[A]$ se duplica. Luego predice qué pasa si $[B]$ se duplica. Si eso te resulta claro, prueba un caso más en el que $[B]$ se reduce a la mitad.