1 00:00:15,980 --> 00:00:22,300 Hola a todos, soy Raúl Corraliza, profesor de química de segundo de bachillerato en el IES 2 00:00:22,300 --> 00:00:27,320 arquitecto Pedro Gumiel de Alcalá de Henares y os doy la bienvenida a esta serie de videoclases 3 00:00:27,320 --> 00:00:38,200 de la unidad 4 dedicada al estudio de la cinética química. En la videoclase de hoy estudiaremos la 4 00:00:38,200 --> 00:00:51,549 velocidad de reacción. En esta videoclase vamos a definir y caracterizar la velocidad de reacción. 5 00:00:52,329 --> 00:00:55,909 Puesto que la definición es algebraica vamos a asentar la notación que vamos a utilizar, 6 00:00:55,909 --> 00:01:11,069 Vamos a considerar, a lo largo de toda esta videoclase, una reacción química genérica dada por una ecuación como esta, en la que tenemos dos reactivos A y B mayúscula, que van a reaccionar entre sí para formar dos productos C y D mayúscula. 7 00:01:11,650 --> 00:01:21,209 A, B, C, D, estos coeficientes en minúscula que tenemos antes de A, B, C, D mayúscula, van a representar los coeficientes estequimétricos de la ecuación química ajustada. 8 00:01:21,209 --> 00:01:35,609 Bueno, pues la velocidad media de reacción en un intervalo de tiempo delta de t se define a partir de la tasa de variación media de la concentración o de reactivos y de productos en el tiempo de la siguiente manera. 9 00:01:36,269 --> 00:01:41,349 Fijaos que tenemos una única velocidad media de reacción definida de cuatro formas distintas. 10 00:01:41,349 --> 00:01:49,030 nosotros podemos definir la velocidad media de reacción como menos 1 partido por el coeficiente estequiométrico de la especie química A 11 00:01:49,030 --> 00:01:54,569 por la tasa de variación media de la concentración de A en función del tiempo 12 00:01:54,569 --> 00:02:03,489 o bien podríamos haber definido la velocidad media como menos 1 partido por el coeficiente estequiométrico de la especie química B 13 00:02:03,489 --> 00:02:09,770 por la tasa de variación media de la concentración del reactivo B en función del tiempo 14 00:02:09,770 --> 00:02:16,689 o bien la velocidad media como 1 partido por el coeficiente estequiométrico de uno cualquiera de los productos 15 00:02:16,689 --> 00:02:24,729 por la tasa de variación media, en este caso, aparición de los productos C o D en función del tiempo. 16 00:02:25,909 --> 00:02:31,490 La razón de ser de estos signos menos en el caso de los reactivos que no están en el caso de los productos 17 00:02:31,490 --> 00:02:36,569 es que la velocidad media de reacción es una magnitud definida negativa, 18 00:02:37,189 --> 00:02:47,469 Puesto que los productos están apareciendo, se están formando, la tasa de variación de la concentración en función del tiempo es positiva y no hay ningún problema. 19 00:02:47,969 --> 00:02:56,689 Pero dado que los reactivos están desapareciendo, la concentración de los reactivos está disminuyendo con el tiempo y esta tasa de variación media de los reactivos es negativa. 20 00:02:57,270 --> 00:03:03,610 Por eso tenemos que introducir en el caso de los reactivos este signo menos para que lo que tengamos sea una magnitud positiva. 21 00:03:04,349 --> 00:03:21,270 Por otro lado, nosotros queremos definir una velocidad media que sea la misma con independencia de cuál sea la especie química, ya sea reactivo o sea producto, que nosotros estemos monitorizando, con independencia de cuál sea la concentración que nosotros estemos estudiando en función del tiempo. 22 00:03:21,270 --> 00:03:45,210 Por eso tenemos que dividir entre los correspondientes coeficientes estegométricos, puesto que si por ejemplo aquí tuviéramos dos moles de A que reaccionan con un mole de B para producir C y D, nosotros tendríamos aquí una tasa de desaparición de A doble que la tasa de desaparición de B, puesto que por cada dos moles de A que desaparecen, desaparece solo un mole de B. 23 00:03:45,210 --> 00:03:49,990 para que esta velocidad media así definida sea la misma 24 00:03:49,990 --> 00:03:53,849 con independencia de que siga a que desaparece el doble de lo que 25 00:03:53,849 --> 00:03:58,150 desaparece b lo que vamos a hacer es dividir entre los coeficientes estequiométricos 26 00:03:58,150 --> 00:04:01,849 así que desaparece el doble de cantidad de a 27 00:04:01,849 --> 00:04:05,849 cuando desaparece una cierta cantidad de b bueno pues voy a dividir entre este 28 00:04:05,849 --> 00:04:10,090 coeficiente estequiométrico que es el doble del que yo tengo aquí así pues 29 00:04:10,090 --> 00:04:14,110 al dividir esa tasa de variación doble entre dos yo lo que voy a 30 00:04:14,110 --> 00:04:21,029 tener aquí son magnitudes que vayan a ser comparables. Con carácter general, la velocidad 31 00:04:21,029 --> 00:04:27,529 de reacción, la velocidad media de reacción, no es constante, sino que, como vemos en esta figura, 32 00:04:28,310 --> 00:04:34,670 tiende a disminuir con el tiempo. Aquí lo que tenemos representado en este gráfico es una 33 00:04:34,670 --> 00:04:41,290 reacción simple de A convirtiéndose en B en función del tiempo. Como estado inicial, tenemos 34 00:04:41,290 --> 00:04:48,949 dentro del reactor 50 moléculas de A y ninguna molécula de B. Conforme va pasando el tiempo lo 35 00:04:48,949 --> 00:04:56,610 que observamos es que la cantidad de moléculas de A, que es el reactivo, va decreciendo. Conforme va 36 00:04:56,610 --> 00:05:01,829 pasando el tiempo la cantidad de moléculas de B, que es el producto, va aumentando y lo que vemos 37 00:05:01,829 --> 00:05:09,490 es que la tasa de variación media, que sería la variación en la cantidad de A o bien la variación 38 00:05:09,490 --> 00:05:15,370 en la cantidad de B en función del tiempo va disminuyendo. La cantidad de moléculas 39 00:05:15,370 --> 00:05:21,269 de A decrece rápidamente en los primeros 10 segundos, algo menos rápidamente en los 40 00:05:21,269 --> 00:05:26,089 siguientes 10 segundos, menos rápidamente, menos rápidamente, menos rápidamente, cada 41 00:05:26,089 --> 00:05:34,389 vez más despacio. En cuanto a la aparición de B, de igual manera. El número de moléculas 42 00:05:34,389 --> 00:05:39,029 de B que aparece en los primeros 10 segundos es grande, luego aparecen menos y menos y 43 00:05:39,029 --> 00:05:44,970 menos y menos. Así que tiene sentido definir una tasa de variación media en un intervalo de tiempo, 44 00:05:45,209 --> 00:05:51,290 pero también es útil y es mucho más preciso definir una velocidad instantánea de reacción. 45 00:05:52,230 --> 00:05:57,189 De forma análoga a como ocurría en la cinemática que estudiamos en la física y química de primero 46 00:05:57,189 --> 00:06:02,930 de bachillerato, lo que vamos a hacer es, en lugar de considerar incrementos finitos, considerar el 47 00:06:02,930 --> 00:06:07,850 límite en el que este intervalo de tiempo tienda a cero. O sea que en lugar de considerar tasas de 48 00:06:07,850 --> 00:06:12,970 variación media, consideraremos tasas de variación instantánea y en lugar de considerar incrementos 49 00:06:12,970 --> 00:06:17,529 finitos, en el fondo lo que tendremos es la derivada de la función concentración en función 50 00:06:17,529 --> 00:06:23,810 del tiempo. Si en un momento dado en un ejercicio se nos pide por la velocidad de reacción, que 51 00:06:23,810 --> 00:06:29,269 escribamos la expresión de la velocidad de reacción en función de las concentraciones de reactivos y 52 00:06:29,269 --> 00:06:36,649 productos, podremos indistintamente escribir una u otra porque ambas representan en esencia la 53 00:06:36,649 --> 00:06:41,089 misma magnitud, la velocidad de reacción. Únicamente en el caso en el que nos hagan 54 00:06:41,089 --> 00:06:46,089 explícito la velocidad media o la velocidad instantánea, habremos de tener cuidado de 55 00:06:46,089 --> 00:06:51,290 elegir o bien el incremento finito o bien los incrementos diferenciales, lo que serían 56 00:06:51,290 --> 00:06:58,660 las derivadas. Lo que hemos visto anteriormente es la forma de determinar la velocidad de 57 00:06:58,660 --> 00:07:03,279 reacción, monitorizando, siguiendo cómo cambia la concentración de uno o cualquiera 58 00:07:03,279 --> 00:07:08,199 de los reactivos o bien uno o cualquiera de los productos en función del tiempo. La ecuación 59 00:07:08,199 --> 00:07:15,199 de velocidad es una expresión matemática que lo que hace es relacionar la velocidad 60 00:07:15,199 --> 00:07:20,500 de reacción que hemos definido anteriormente con la concentración de los reactivos en 61 00:07:20,500 --> 00:07:26,120 cualquier instante de tiempo, sólo de los reactivos, no de los productos. La ecuación 62 00:07:26,120 --> 00:07:32,000 de velocidad toma esta forma en la cual la velocidad de reacción va a ser igual a una 63 00:07:32,000 --> 00:07:36,540 cierta constante que se denomina constante de velocidad, constante cinética o como podéis 64 00:07:36,540 --> 00:07:42,060 del coeficiente cinético de reacción que depende de cualquier parámetro que afecta la velocidad de 65 00:07:42,060 --> 00:07:48,079 reacción excepto las concentraciones y fundamentalmente esta constante va a depender de la 66 00:07:48,079 --> 00:07:54,160 temperatura y a continuación lo que vamos a tener multiplicando son las concentraciones de todos los 67 00:07:54,160 --> 00:08:01,240 reactivos elevados a unos ciertos exponentes que aquí representamos a prima b prima etcétera que 68 00:08:01,240 --> 00:08:07,139 se denominan órdenes parciales de reacción. A' es el orden parcial de reacción respecto al reactivo 69 00:08:07,139 --> 00:08:14,540 A, B' es el orden parcial de reacción respecto del reactivo B, etc. Estos órdenes parciales de 70 00:08:14,540 --> 00:08:21,639 reacción A' B' etc. se deben determinar experimentalmente y hay un resultado importante 71 00:08:21,639 --> 00:08:27,980 que debemos conocer y es que si una reacción química es elemental entonces estos coeficientes 72 00:08:27,980 --> 00:08:33,700 a' b' etcétera, los órdenes parciales de reacción, van a coincidir con los correspondientes 73 00:08:33,700 --> 00:08:40,179 coeficientes estequiométricos a y b. Insisto, si sabemos que la reacción es elemental, en ese caso 74 00:08:40,179 --> 00:08:45,360 podemos afirmar que estos órdenes parciales de reacción coinciden con los coeficientes 75 00:08:45,360 --> 00:08:50,860 estequiométricos. De cualquiera de las maneras, a la suma de los órdenes parciales de reacción se 76 00:08:50,860 --> 00:08:58,639 le denomina orden total de reacción. Esta forma de la ecuación de la velocidad junto con la 77 00:08:58,639 --> 00:09:05,299 expresión para la velocidad de reacción que hemos visto anteriormente nos permitiría determinar en 78 00:09:05,299 --> 00:09:11,299 cualquier instante de tiempo cuál es la concentración de reactivos y productos conocida la concentración 79 00:09:11,299 --> 00:09:18,279 en el instante inicial. Para ver cómo funciona esto de la determinación empírica de los órdenes 80 00:09:18,279 --> 00:09:23,559 parciales de reacción y de la constante cinética, vamos a considerar este ejemplo cuantitativo, 81 00:09:23,700 --> 00:09:31,580 donde tenemos la reacción de dos reactivos A y B para formar un producto C. Experimentalmente 82 00:09:31,580 --> 00:09:39,240 se obtienen los siguientes resultados. En un primer ensayo, con una concentración de A 0,1 molar y de 83 00:09:39,240 --> 00:09:46,500 B 0,1 molar, se mide una velocidad de reacción igual a 0,45 mol partido por litro y por segundo. 84 00:09:46,500 --> 00:09:56,919 En un segundo ensayo, con una concentración de A02 molar y de B01 molar, medimos una velocidad de reacción 0,90 mol partido por litro por segundo. 85 00:09:56,919 --> 00:10:07,659 Y en un tercer ensayo, con una concentración de A01 molar y de B02 molar, medimos una velocidad de reacción 1,80 mol partido por litro y partido por segundo. 86 00:10:08,639 --> 00:10:24,539 Nosotros sabemos que la ecuación de velocidad toma la forma velocidad igual a constante cinética multiplicado por las concentraciones de todos los reactivos, A y B, elevado a unos ciertos valores que son los órdenes parciales de reacción. 87 00:10:25,580 --> 00:10:30,860 Y lo que vamos a hacer es lo siguiente. Vamos a comparar el primer y segundo ensayo. 88 00:10:30,860 --> 00:10:50,000 Y comprobamos que, manteniendo constante la concentración de B y únicamente variando la concentración de A, resulta que al doblar la concentración de A, de 0,1 a 0,2, también se dobla la velocidad de reacción y pasa de 0,45 a 0,90. 89 00:10:50,879 --> 00:10:55,860 Eso quiere decir que la velocidad de reacción y la concentración de A son directamente proporcionales. 90 00:10:55,860 --> 00:11:04,919 Así que el orden parcial de reacción de la ecuación con respecto del reactivo A tiene que ser 1. 91 00:11:05,480 --> 00:11:12,799 Y en la velocidad de reacción, en la ecuación de velocidad, debo tener velocidad igual a K por la concentración de A elevado a 1. 92 00:11:12,799 --> 00:11:21,100 De tal forma que si yo esta concentración la multiplicara por 2, observaría la velocidad multiplicada por 2, que es lo que realmente ocurre. 93 00:11:22,240 --> 00:11:28,220 Esto por oposición a lo que yo observo cuando comparo los ensayos 1 y 3. 94 00:11:28,980 --> 00:11:34,720 En este caso, la concentración de A permanece constante, 0,1 molar, 0,1 molar, no varía. 95 00:11:34,720 --> 00:11:54,779 Y lo que observamos es que al doblar la concentración de B, porque aquí teníamos 0,1 molar y aquí tenemos 0,2 molar, la velocidad de reacción se cuadruplica, porque 0,45, que es la velocidad en el primer ensayo multiplicada por 4, es igual a 1,80 mol partido por litro y partido por segundo. 96 00:11:55,559 --> 00:12:02,340 El que al duplicar la concentración de B haga que la velocidad se multiplique por 4, no por 2, sino por 4, 97 00:12:02,919 --> 00:12:08,080 nos da la idea de que el orden parcial de reacción con respecto al reactivo B tiene que ser igual a 2. 98 00:12:09,120 --> 00:12:14,620 Y que en la ecuación de velocidad lo que debo tener es velocidad igual a constante, etc., etc., 99 00:12:14,620 --> 00:12:17,440 por la concentración de B elevada al cuadrado. 100 00:12:17,700 --> 00:12:22,940 De tal forma que al duplicar la concentración de B, 2 al cuadrado es igual a 4, 101 00:12:22,940 --> 00:12:27,580 yo lo que mida sea una velocidad que sea el cuádruple, que es lo que realmente ocurre. 102 00:12:28,500 --> 00:12:32,500 Así que comparando los ensayos 1 y 2 donde la concentración de B es constante 103 00:12:32,500 --> 00:12:36,440 y los ensayos 1 y 3 donde ahora es la concentración de A la que es constante 104 00:12:36,440 --> 00:12:41,440 hemos podido determinar que el orden parcial de reacción con respecto a A es 1 105 00:12:41,440 --> 00:12:45,799 y el orden parcial con respecto a B es 2 y que la ecuación de velocidad toma esta forma 106 00:12:45,799 --> 00:12:49,840 constante por concentración de A por concentración de B al cuadrado. 107 00:12:49,840 --> 00:13:00,179 Así que, al duplicar la concentración de A, la velocidad se duplica, al duplicar la concentración de B, 2 al cuadrado es 4, la velocidad de reacción se cuadruplica. 108 00:13:01,600 --> 00:13:10,580 Para poder determinar la constante cinética, lo que tenemos que hacer es tomar uno o cualquiera de estos ensayos, yo personalmente he tomado el primero de ellos, 109 00:13:10,580 --> 00:13:16,600 y sustituir todos los valores conocidos de concentración de A, concentración de B y velocidad de reacción 110 00:13:16,600 --> 00:13:19,960 para poder despejar el valor de la constante cinética. 111 00:13:20,159 --> 00:13:21,000 Y eso es lo que he hecho aquí. 112 00:13:21,320 --> 00:13:28,559 He despejado la constante cinética, que será velocidad dividido entre concentración de A por concentración de B al cuadrado. 113 00:13:29,299 --> 00:13:35,059 He sustituido los valores numéricos 0,45 para la velocidad, 0,1 y 0,1 para las concentraciones 114 00:13:35,059 --> 00:13:38,340 y operando obtengo el valor numérico 450. 115 00:13:38,340 --> 00:13:44,179 cuenta. Es muy importante en un momento dado ser capaz de determinar las unidades de la 116 00:13:44,179 --> 00:13:50,240 constante cinética con corrección y es que las unidades de la constante dependen de cuáles 117 00:13:50,240 --> 00:13:54,139 sean los órdenes parciales. En concreto ya veremos, dependen de cuál sea el orden total 118 00:13:54,139 --> 00:14:00,720 de reacción. Y una forma de determinar las unidades de la constante es sencillamente 119 00:14:00,720 --> 00:14:06,299 operar algebraicamente con las unidades de las magnitudes aquí involucradas. Aquí lo 120 00:14:06,299 --> 00:14:09,980 hecho en paralelo la parte numérica y las unidades, pero si solamente tuviéramos que 121 00:14:09,980 --> 00:14:15,120 determinar las unidades de K podríamos, a partir de esta expresión, decir que las unidades 122 00:14:15,120 --> 00:14:21,279 de K son, veamos, las de V, mol partido por litro y por segundo, aquí lo teníamos, dividido 123 00:14:21,279 --> 00:14:28,299 entre unidades de concentración de A, sería mol partido por litro, por unidades de concentración 124 00:14:28,299 --> 00:14:32,779 de B, que es mol partido por litro, elevado al cuadrado, puesto que aquí tengo la concentración 125 00:14:32,779 --> 00:14:37,559 de B elevado al cuadrado. Mol partido por litro y partido por segundo me quedaría en 126 00:14:37,559 --> 00:14:42,720 el numerador. Aquí en total, mol por mol al cuadrado es mol al cubo. Litro por litro 127 00:14:42,720 --> 00:14:47,779 al cuadrado es litro al cubo. No es casualidad los cubos, este 3 es el orden total de la 128 00:14:47,779 --> 00:14:53,700 reacción. Y operando, mol partido por mol al cubo me va a quedar mol al cuadrado en 129 00:14:53,700 --> 00:15:00,340 el denominador. Litro en el denominador entre litro al cubo en el denominador del denominador 130 00:15:00,340 --> 00:15:05,639 me va a quedar litro al cuadrado en el numerador y en cuanto a este segundo me va a quedar aquí en 131 00:15:05,639 --> 00:15:11,080 el denominador. Y las unidades de K en este caso son litro cuadrado partido de mol al cuadrado y 132 00:15:11,080 --> 00:15:18,120 partido de segundo. Si nosotros tenemos la concentración en mol partido por litro es habitual 133 00:15:18,120 --> 00:15:23,759 que en K nos encontremos con las unidades intercambiadas litro en el numerador y mol en el 134 00:15:23,759 --> 00:15:29,419 denominador. Si el tiempo, la unidad de tiempo con la que hemos determinado la velocidad es segundo, 135 00:15:29,419 --> 00:15:36,220 es normal tener segundo a la menos 1 en las unidades de v y es normal tener segundo a la menos 1 en las unidades de k. 136 00:15:37,000 --> 00:15:43,320 Y en cuanto a este 2 y este 2, no nos debería llamar la atención, es una unidad menos del orden total de reacción, 137 00:15:43,879 --> 00:15:49,419 lo cual viene a su vez de tener aquí este cubo y este cubo el orden total de reacción. 138 00:15:50,460 --> 00:15:57,580 Con esto que hemos visto acerca de la ecuación de velocidad, ya podéis resolver los ejercicios propuestos 2, 3 y 4. 139 00:15:57,580 --> 00:16:06,419 En el aula virtual de la asignatura tenéis disponibles otros recursos, ejercicios y cuestionarios. 140 00:16:07,080 --> 00:16:10,820 Asimismo, tenéis más información en las fuentes bibliográficas y en la web. 141 00:16:11,559 --> 00:16:17,039 No dudéis en traer vuestras dudas e inquietudes a clase o al foro de dudas de la unidad en el aula virtual. 142 00:16:17,659 --> 00:16:19,179 Un saludo y hasta pronto.