Ecuación de velocidad y constante de velocidad
La velocidad en una reacción química es dependiente de la concentración que exista de reactivos. La relación, matemáticamente hablando, que indica la dependencia de la velocidad con respecto a las concentraciones de los reactivos, se conoce como ecuación de velocidad, y hace referencia a una expresión que debe hallarse de manera experimental.
Ejemplo: reacción del cloro con monóxido de nitrógeno que da lugar a cloruro de nitrosilo
2NO (g) + Cl2 (g) → 2 NOCl (g)
La ecuación de velocidad que se determina experimentalmente sería:
Velocidad = K [NO]^2 [Cl2]
En dicho caso, la ecuación de velocidad nos hace referencia a que la velocidad de la reacción tiene relación con las concentraciones del cloro y el monóxido de nitrógeno. Así, la velocidad de reacción es directamente proporcional a la concentración de Cl2, así como también lo es a la concentración de NO, elevada ésta al cuadrado. Es por esto que se dice que el tipo de reacción es de primer orden con respecto al cloro y de segundo orden, respecto al monóxido de nitrógeno.
En toda reacción, el exponente al cual se encuentre elevada la concentración de un reactivo en la ecuación de velocidad, se conocerá como orden parcial respecto a dicho reactivo. La sumación de los órdenes parciales, lo que se conoce como la suma de todos los exponentes que aparecen en la ecuación de velocidad, se les da el nombre de orden total de la reacción. En el ejemplo anteriormente propuesto, el orden total es igual a 3.
Los órdenes parciales que respectan de las concentraciones de los reactivos tienen coincidencia con los coeficientes estequiométricos de las diferentes ecuaciones químicas. Sin embargo, se debe indicar que en un inicio no hay relación entre ellos.
La expresión para la ecuación de velocidad es:
Velocidad = K [A]^n[B]^m
De donde n y m se consiguen de manera experimental, y hacen referencia al orden parcial de la reacción del reactivo A y el reactivo B, siendo la suma de n y m la que determine el orden total de dicha reacción.
A la constante de proporcionalidad se le designa la letra K, y se la conoce como constante de velocidad. Esta suele ser la velocidad de la reacción cuando las concentraciones de los reactivos en su totalidad son la unidad, es decir, 1 mol/l.
La K, es específica para cada reacción, y es dependiente de la temperatura. Las unidades en las que se expresa K, están determinadas por el orden de la reacción en total, y se deben adaptar a las condiciones en las que la velocidad se exprese.
Para la determinación de la ecuación de velocidad en una reacción química, se debe investigar la dependencia que tiene la velocidad con respecto a la concentración de los reactivos que participan en la reacción, por lo que es necesario saber los órdenes parciales, y el valor de la constante de velocidad.
Una manera fácil de hallar la ecuación de velocidad es usar el método de la velocidad inicial, en el cual se determina la velocidad de la reacción al inicio de ésta. En el momento inicial de la reacción, las concentraciones de los reactivos se encuentra aún elevadas, y la velocidad instantánea es sencilla de medir con gran precisión. Esto consiste en variar la concentración de uno de los reactivos, manteniendo las concentraciones de los demás reactivos constantes, y así poder estudiar como varía o se modifica la velocidad.
Además de la concentración de los reactivos, existen otros factores que también pueden afectar la velocidad de una reacción química. Entre ellos, la temperatura es uno de los más significativos. A medida que la temperatura aumenta, las partículas de los reactivos se mueven más rápido y colisionan con más frecuencia y energía, lo que puede aumentar la velocidad de la reacción. De hecho, la constante de velocidad K es altamente sensible a los cambios de temperatura.
Otro factor que puede influir en la velocidad de la reacción es la presión, especialmente en las reacciones que involucran gases. Un aumento en la presión puede aumentar la concentración de los reactivos, lo que a su vez puede aumentar la velocidad de la reacción.
Además, la presencia de un catalizador puede alterar significativamente la velocidad de una reacción. Los catalizadores son sustancias que aumentan la velocidad de una reacción al proporcionar un camino alternativo con una energía de activación más baja.
Es importante mencionar que la ecuación de velocidad no puede predecir cómo cambiará la velocidad de una reacción en respuesta a cambios en estos factores. Para ello, se requiere un conocimiento más profundo de la termodinámica y la cinética química.
Finalmente, es importante destacar que la ecuación de velocidad es una herramienta esencial en el campo de la cinética química, ya que permite a los científicos predecir cómo se desarrollará una reacción química bajo diferentes condiciones. Esto es especialmente útil en la industria química, donde la eficiencia y la seguridad son de suma importancia.
