Velocidad de una reacción química

Definición de velocidad de reacción

La cinética química estudia cómo de rápido se produce una reacción química, además de los mecanismos por los cuales transcurre. 

Para medir cómo de rápido se lleva a cabo una reacción solo hay que ver cómo varían las concentraciones de sus reactivos o productos. 

Imaginemos una reacción genérica:

Podemos definir la velocidad de desaparición de A como el cociente entre la variación de A respecto al tiempo:

Y lo mismo para cualquier otro reactivo. 

Sin embargo, la velocidad de desaparición de un reactivo no es exactamente igual a la velocidad de la reacción. Fíjate, por ejemplo, en la descomposición del amoniaco en nitrógeno e hidrógeno:

El amoniaco desaparece el doble de rápido de lo que aparece el nitrógeno, así que medir la velocidad a partir de uno u otro reactivo daría cambios en el resultado. Lo cual no tiene sentido. 

Para unificar las distintas velocidades y definir una velocidad de reacción única, v, debemos dividir cada expresión individual entre su coeficiente estequiométrico, y añadir un signo negativo a los reactivos, cuya variación de concentración es negativa, para que la velocidad quede positiva:

Así obtenemos la velocidad promedio de la reacción, independientemente del reactivo del que partamos. 

Igual que hacemos en física, si queremos calcular la velocidad instantánea, es decir, la velocidad cuando la variación de tiempo es prácticamente cero, podemos usar el concepto de derivada:

La concentración de los reactivos en el SI se mide en , o . Por tanto, la velocidad se mide siempre en .

Veamos un ejemplo de cómo interpretar todo esto:

Ejemplo: Considera la reacción de descomposición térmica del fosfano: 

4 PH3 (g) → P4 (g) + 6 H2 (g)

En un momento dado se está formando P4 a una velocidad de 0,013 mol · L-1 · s-1. ¿A qué velocidad se está formando el hidrógeno? ¿Cuál es la velocidad de desaparición del PH3?

Sabemos que la velocidad de desaparición de los reactivos y la de aparición de los productos no tiene por qué ser igual, ya que depende del coeficiente estequiométrico de cada especie. 

Pero también sabemos que la velocidad de rección es igual para todas las especies. 

Para la velocidad del hidrógeno, planteamos la expresión de velocidad con el P4 y el H2.

Despejando la velocidad de reacción del hidrógeno:

Haremos lo mismo con la expresión de la velocidad con el P4 y PH3:

Despejando la velocidad de desaparición del fosfano:

Ejercicios resueltos 

1. Para la reacción: 2A(g) + B(g) → 3C(g), se observa que, en un determinado momento, la concentración de C aumenta a una razón de 0.5 mol·L⁻¹·s⁻¹. ¿Cuál es la velocidad de reacción en ese instante? ¿Y las velocidades de variación de [A] y [B]?

Solución

Al hablar de velocidad instantánea, emplearemos la versión diferencial de la ecuación. 

Para la velocidad de reacción:

Las velocidades de reacción de A y B podemos calcularlas a partir de la velocidad global del proceso:

La velocidad de desaparición de A es de 0,334 mol · L-1 · s-1

La velocidad de desaparición de B es de 0,167 mol · L-1 · s-1

2. En la descomposición del fosfano, la velocidad de formación de P₄ es de 2.5 mmol·L⁻¹·min⁻¹. Expresa la velocidad de desaparición del PH₃ en mol·L⁻¹·s⁻¹.

4 PH3 (g) → P4 (g) + 6 H2 (g)

Solución

Primero, convertimos las unidades de la velocidad de formación de P₄:

Ahora, utilizamos la relación estequiométrica de la reacción de descomposición del fosfano:

La velocidad de descomposición del PH3 es de 1,67 · 104 mol· L-1 · s-1.

3. Para la reacción: 3A(g) + 2B(g) → C(g) + 2D(g). En un recipiente de 2.0 L, se introducen inicialmente 4.0 moles de A y 3.0 moles de B. Se observa que, después de cierto tiempo, la velocidad de formación de C es de 0.1 mol·L⁻¹·s⁻¹. En ese instante, calcula:

a) La velocidad de reacción. 

b) La velocidad de desaparición de A y B. 

Solución

a) La velocidad de reacción. 

b) La velocidad de desaparición de A y B. 

Expresando la velocidad en función de cada reactivo:

La velocidad de desaparición de A es de 0,3 mol·L-1·s-1

La velocidad de desaparición de B es de 0,2 mol·L-1·s-1