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Velocidad de reacción y ecuación de velocidad
Problema
2024 · Extraordinaria · Titular
B.3
Examen

A la temperatura de 45C45 ^\circ\text{C} se produce la reacción: 2NX2OX5(g)4NOX2(g)+OX2(g)\ce{2 N2O5 (g) -> 4 NO2 (g) + O2 (g)}, con una velocidad de descomposición del NX2OX5\ce{N2O5} de veldesc molL1s1{{vel_desc}} \text{ mol} \cdot \text{L}^{-1} \cdot \text{s}^{-1}.

a) Determine, en esas mismas condiciones, la velocidad a la que se forma el NOX2\ce{NO2} y el OX2\ce{O2}.b) Sabiendo que la constante de velocidad a 45C45 ^\circ\text{C}, es kvel s1{{k_vel}} \text{ s}^{-1}, escriba justificadamente la ecuación de velocidad de la reacción y calcule la velocidad de reacción cuando la concentración de NX2OX5\ce{N2O5} es concreact molL1{{conc_react}} \text{ mol} \cdot \text{L}^{-1}.c) Utilizando la ecuación de Arrhenius, justifique si es verdadera la siguiente afirmación: “La velocidad de una reacción puede aumentar si se lleva a cabo por un mecanismo diferente en el que se rebaje su energía de activación, por el uso de un catalizador adecuado”.
Cinética químicaVelocidad de reacción
a) Determine, en esas mismas condiciones, la velocidad a la que se forma el NOX2\ce{NO2} y el OX2\ce{O2}.
2NX2OX5(g)>4NOX2(g)+OX2(g)\ce{2 N2O5 (g)} -> \ce{4 NO2 (g) + O2 (g)}

La velocidad de la reacción se relaciona con la variación de las concentraciones de reactivos y productos a través de sus coeficientes estequiométricos:

v=12d[NX2OX5]dt=14d[NOX2]dt=d[OX2]dtv = -\frac{1}{2} \frac{d[\ce{N2O5}]}{dt} = \frac{1}{4} \frac{d[\ce{NO2}]}{dt} = \frac{d[\ce{O2}]}{dt}

A partir de la velocidad de descomposición proporcionada para el NX2OX5\ce{N2O5}, d[NX2OX5]dt=veldesc molL1s1-\frac{d[\ce{N2O5}]}{dt} = {{vel_desc}} \text{ mol} \cdot \text{L}^{-1} \cdot \text{s}^{-1}, se determinan las velocidades de formación de los productos:

vform(NOX2)=d[NOX2]dt=2(d[NX2OX5]dt)=2veldesc molL1s1v_{\text{form}}(\ce{NO2}) = \frac{d[\ce{NO2}]}{dt} = 2 \cdot \left( -\frac{d[\ce{N2O5}]}{dt} \right) = 2 \cdot {{vel_desc}} \text{ mol} \cdot \text{L}^{-1} \cdot \text{s}^{-1}
vform(OX2)=d[OX2]dt=12(d[NX2OX5]dt)=0,5veldesc molL1s1v_{\text{form}}(\ce{O2}) = \frac{d[\ce{O2}]}{dt} = \frac{1}{2} \cdot \left( -\frac{d[\ce{N2O5}]}{dt} \right) = 0,5 \cdot {{vel_desc}} \text{ mol} \cdot \text{L}^{-1} \cdot \text{s}^{-1}
b) Sabiendo que la constante de velocidad a 45C45 ^\circ\text{C}, es kvel s1{{k_vel}} \text{ s}^{-1}, escriba justificadamente la ecuación de velocidad de la reacción y calcule la velocidad de reacción cuando la concentración de NX2OX5\ce{N2O5} es concreact molL1{{conc_react}} \text{ mol} \cdot \text{L}^{-1}.

El orden de reacción se deduce a partir de las unidades de la constante de velocidad kk. Dado que las unidades son s1\text{s}^{-1} (inversa del tiempo), la reacción es de primer orden global (n=1n = 1). Por lo tanto, la ley o ecuación de velocidad es:

v=k[NX2OX5]v = k [\ce{N2O5}]

Sustituyendo los valores para la concentración indicada de concreact molL1{{conc_react}} \text{ mol} \cdot \text{L}^{-1}:

v=kvel s1concreact molL1=(kvelconcreact) molL1s1v = {{k_vel}} \text{ s}^{-1} \cdot {{conc_react}} \text{ mol} \cdot \text{L}^{-1} = ({{k_vel}} \cdot {{conc_react}}) \text{ mol} \cdot \text{L}^{-1} \cdot \text{s}^{-1}
c) Utilizando la ecuación de Arrhenius, justifique si es verdadera la siguiente afirmación: “La velocidad de una reacción puede aumentar si se lleva a cabo por un mecanismo diferente en el que se rebaje su energía de activación, por el uso de un catalizador adecuado”.

Verdadero. La dependencia de la constante de velocidad con la temperatura y la energía de activación viene dada por la ecuación de Arrhenius:

k=AeEaRTk = A \cdot e^{-\frac{E_a}{R T}}

Un catalizador proporciona una ruta de reacción alternativa con una menor energía de activación (EaE_a). Al disminuir EaE_a, el factor exponencial eEa/RTe^{-E_a/RT} aumenta, ya que el exponente se vuelve menos negativo. Como consecuencia, la constante kk aumenta y, según la ley de velocidad, la velocidad de la reacción también aumenta.