Orden de reacción | charla quimica

Conceptos básicos

En este artículo, aprendemos todo sobre el orden de reacción, incluida su importancia, su efecto sobre la constante de velocidad y la ley de velocidad, y cómo calcularlo utilizando datos cinéticos.

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¿Qué es el orden de reacción?

En química, las reacciones pueden ocurrir rápidas, lentas o en cualquier punto intermedio. Los químicos tienden a caracterizar la cinética de una reacción a través de una ley de velocidad. Esta ley de velocidad tiende a depender de las concentraciones de uno o más reactivos. La velocidad de reacción es igual a la velocidad de formación de producto o consumo de reactivo, ajustada por coeficientes estequiométricos.

aA + bB → cC + dD

Tasa = k[A]norte[B]metro = ∆[C]/ct = ∆[D]/dt = -∆[A]/en = -∆[B]/bt

En las leyes de velocidad, las concentraciones de los reactivos se elevan a alguna potencia (n y m). Los químicos llaman a estos valores el orden de reacción, con respecto a cada reactivo.

La suma de los órdenes de reacción de los reactivos de dos órdenes da como resultado el orden de reacción general. El orden general de reacción tiene mucha importancia para los químicos, ya que determina la ley de velocidad de la reacción y la ley de velocidad integrada.

Observe que estos órdenes de reacción no dependen de la estequiometría de la reacción. Como exploramos en la siguiente sección, el orden de la reacción depende del mecanismo de la reacción. Por ejemplo, podemos imaginar que la reacción anterior es de primer orden con respecto al reactivo A y de segundo orden con respecto al reactivo B, lo que produce una reacción de tercer orden.

Tasa=k[A]1[B]2

También podemos imaginar reacciones que tienen un reactivo de orden cero. En tales casos, la velocidad total depende completamente de la concentración del otro reactivo o de ningún reactivo.

Tasa1=k[A]1[B]0=k[A]1

Tasa2=k[A]0[B]2= k[B]2

Tasa3=k[A]0[B]0=k

En verdad, las reacciones con un orden total de cero tienden a ser raras. Sin embargo, los químicos han encontrado algunos ejemplos que tienden a involucrar un catalizador o enzima en concentraciones mucho más bajas que los reactivos. En estos casos, a menudo se aplica la aproximación de estado estacionario. Por ejemplo, para todos los efectos, la degradación enzimática de etanol a acetaldehído tiene una cinética de orden cero.

oxidación de etanol a acetaldehído, un ejemplo de una reacción de orden cero

Orden de reacción y constantes de velocidad

Como habrás notado, cada ley de velocidad involucra alguna constante “k”. Los químicos llaman a este valor la constante de velocidad, que sirve para ajustar los valores de concentración de los reactivos para igualar la velocidad de reacción. Lo que es más importante, la constante de velocidad ajusta las unidades de la ley de velocidad para producir una velocidad en molares por segundo (Ms-1).

Para cumplir con esto, las unidades de la constante de velocidad pueden variar según el orden general de la reacción. Para reacciones de orden cero, la constante de velocidad tiene unidades de molar por segundo (Ms-1). En las reacciones de primer orden, la constante de velocidad tiene unidades de “por segundo” (s-1). Para reacciones de segundo orden, la constante de velocidad tiene unidades de “por molar por segundo” (M-1s-1). Por cada orden de reacción sucesiva, la potencia del molar disminuye en uno.

Orden Cero: k → Unidades: (Ms-1) = Sra.-1

Primer orden: k[A] →Unidades: (s-1)(M) = Sra.-1

Segundo orden: k[A][B] →Unidades: (M-1s-1(M)(M) = Sra.-1

Tercer orden: k[A][B]2 → Unidades: (M-2s-1)(M)(M2) = Sra.-1

Cómo encontrar el orden de reacción

Los métodos para encontrar el orden de reacción, en general y para reactivos dados, son los mismos que para encontrar la ley de velocidad. Esto se debe a que necesita conocer el orden de reacción para escribir una ley de velocidad.

Método de paso de determinación de la tasa

Como se mencionó antes, el orden de la reacción depende del mecanismo específico de la reacción, más que de la estequiometría. Muchos mecanismos de reacción involucran múltiples pasos elementales. Por ejemplo, la Snorte1 reacción de química orgánica implica dos pasos:

(H3C)3CBr + OH → (H3C)3COH + Br

  • Paso 1: (H3C)3CBr ⇌ (H3C)3C+ + hermano
  • Paso 2: (H3C)3C+ + OH → (H3C)3COH

Es importante destacar que el Paso 1 ocurre a una velocidad mucho más lenta que el Paso 2. Como resultado, el Paso 1 sirve como el paso que determina la velocidad, lo que significa que es igual a la velocidad general de reacción. Por lo tanto, nuestro paso determinante de la velocidad produce nuestra ley de velocidad, dependiendo de la estequiometría de los reactivos en ese paso:

Tasa = k[(H3C)3CBr]

Para ser claros, solo la estequiometría del paso determinante de la velocidad influye en la ley de la velocidad no la estequiometría de la reacción global.

Dado que solo una molécula de reactivo participa en el paso determinante de la velocidad, el Snorte1 por lo tanto debe ser de primer orden en general. Además, dado que el bromuro de terc-butilo ((H3C)3CBr) tiene un coeficiente estequiométrico de 1, la reacción debe ser de primer orden con respecto al bromuro de terc-butilo. Hidróxido (OH) no participa en el paso determinante de la velocidad, por lo que la reacción es de orden cero con respecto al hidróxido.

Método de datos empíricos

Sin embargo, si no conoce el mecanismo y el paso que determina la velocidad de una reacción, puede determinar los órdenes de reacción a través de datos empíricos. Específicamente, debe realizar múltiples ensayos de una reacción, ajustando la concentración de los reactivos. Las concentraciones de los reactivos, por tanto, afectan a la velocidad de reacción en función de sus órdenes de reacción, que se pueden medir mediante espectrofotometría. La reacción del reloj de yodo proporciona un buen ejemplo de una reacción cuya cinética se puede determinar a través de este método.

La reacción del reloj de yodo procede mediante la siguiente reacción:

2S2O32- + 6 horas+ + 3H2O2 + 6I → 2I3 + 6H2O + S4O62-

El triyoduro forma un complejo que absorbe la luz azul (590 nm), lo que significa que un espectrofotómetro puede medir su tasa de formación. Para encontrar el orden de reacción, ejecute esta reacción cinco veces, variando las concentraciones iniciales de cada reactivo:

datos de prueba cinética para la reacción del reloj de yodo para producir el orden de reacción

Al comparar ensayos específicos, encontramos que el trióxido de disulfuro y los protones acuosos no afectan la velocidad de reacción, mientras que el yoduro y el peróxido de hidrógeno tienen un efecto uno a uno. Esto por lo tanto significa que la reacción es de primer orden con respecto al yoduro y al peróxido de hidrógeno y de orden cero para los demás. En general, la reacción es de segundo orden.

Tasa = k[H2O2][I]

Si desea ver un análisis en profundidad de los datos cinéticos para generar el orden de reacción y la ley de velocidad, consulte este artículo.

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