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Contenido principal

Mecanismo de reacción y la ley de velocidad

Puntos más importantes

  • Un mecanismo de reacción es la secuencia de pasos elementales mediante los que se produce una reacción química.
  • Una reacción que se produce en dos o más pasos elementales se llama reacción compleja o de varios pasos.
  • Un intermedio de reacción es una especie química que se forma en un paso elemental y se consume en el paso siguiente.
  • El paso más lento de un mecanismo de reacción se conoce como paso determinante de la tasa.
  • El paso determinante de la tasa limita la tasa general y, por lo tanto, determina la ley de tasa de la reacción general.

Introducción: Reacciones de varios pasos

Una de las aplicaciones más importantes de la cinética es en el estudio de los mecanismos de reacción, o las secuencias de pasos mediante los que se producen las reacciones químicas. Por ejemplo, considera la reacción del dióxido de nitrógeno con el monóxido de carbono:
NOA2(g)+CO(g)NO(g)+CO2(g)
Según la ecuación balanceada, podríamos suponer que esta reacción se produce con una única colisión entre una molécula de dióxido de nitrógeno y una molécula de monóxido de carbono. En otras palabras, podríamos suponer que esta reacción es una reacción elemental.
Si ese fuera el caso, entonces la ley de tasa se basaría en los coeficientes de los reactivos de la ecuación química balanceada:
tasa=k[NOA2][CO]
Sin embargo, cuando se estudia esta reacción de manera experimental, se observa que la ley de tasa es
tasa=k[NOA2]2
Como la ley de tasa experimental no coincide con la que deriva de suponer una reacción elemental, sabemos de inmediato que la reacción debe incluir más de un paso. Las reacciones que se producen en dos o más pasos elementales se llaman reacciones complejas o de varios pasos. Como veremos en la próxima sección, podemos utilizar la ley de tasa experimental para ayudarnos a deducir los pasos individuales que podrían intervenir en un mecanismo de reacción de varios pasos.

Mecanismos de reacción de varios pasos

Una vez que se conoce la ley de tasa experimental de una reacción, los químicos pueden comenzar a idear e investigar mecanismos de reacción posibles. Como mínimo, un mecanismo de reacción posible debe cumplir con las siguientes dos condiciones:
  1. La suma de las ecuaciones de los pasos elementales del mecanismo debe ser la ecuación general de la reacción.
  2. El mecanismo debe ser coherente con la ley de tasa experimental.
Usemos estas condiciones para evaluar un mecanismo propuesto para la reacción entre NOA2 y CO. Por lo general, se cree que esta reacción se produce a través de dos pasos elementales:
Paso 1:NOA2(g)+NOA2(g)NO(g)+NOA3(g)Paso 2:NOA3(g)+CO(g)NOA2(g)+COA2(g)
Primero comprobemos que la suma de las ecuaciones de estos dos pasos sea la ecuación de la reacción general:
Paso 1:NOA2(g)+NOA2(g)NO(g)+NOA3(g)Paso 2:NOA3(g)+CO(g)NOA2(g)+COA2(g)NOA2(g)+CO(g)NO(g)+COA2(g)General:NOA2(g)+CO(g)NO(g)+COA2(g)
¡Comprobado! Nota que una molécula, NOA3, aparece en ambos pasos del mecanismo, pero no en la ecuación general. En este caso, NOA3 es un intermedio de reacción, una especie que se forma en un paso y se consume en el paso siguiente.
Después, determinemos si el mecanismo de dos pasos es coherente con la ley de tasa experimental. Para hacerlo, debemos saber cuál de los dos pasos es el paso determinante de la tasa, o el paso más lento del mecanismo. Como una reacción no se puede producir más rápido que su paso más lento, el paso determinante de la tasa efectivamente limita la tasa general de una reacción. Esto es análogo a cómo un atasco de tráfico limita la tasa general a la que se desplazan los carros por una autopista, incluso si otras partes de la autopista están despejadas.
En nuestro mecanismo propuesto, se cree que el paso determinante de la tasa es el paso 1:
Paso 1:NOA2(g)+NOA2(g)lentoNO(g)+NOA3(g)Paso 2:NOA3(g)+CO(g)rápidoNOA2(g)+COA2(g)
Como el paso 1 limita la tasa general de la reacción, la ley de tasa de este paso será la misma que la ley de tasa general. La ley de tasa predicha de la reacción general entonces es
tasa=k[NOA2]2
Esta ley de tasa concuerda con la ley de tasa determinada experimentalmente que vimos antes; por lo tanto, el mecanismo también cumple con la segunda condición (¡comprobado!). Como el mecanismo de reacción cumple con ambas condiciones, podemos decir con seguridad que es un mecanismo válido para la reacción.

Práctica: Analizar un mecanismo de reacción

A continuación se representan los pasos elementales de un mecanismo de reacción propuesto.
Paso 1:2NO(g)rápidoNA2OA2(g)Paso 2:NA2OA2(g)+HA2(g)lentoNA2O(g)+HA2O(g)Paso 3:NA2O(g)+HA2(g)rápidoNA2(g)+HA2O(g)
A partir de esta información, intenta responder las siguientes preguntas:
1. ¿Cuál es la ecuación general de la reacción?
Escoge 1 respuesta:

2. ¿Cuáles son los intermedios de reacción?
Elige todas las respuestas adecuadas:

3. ¿Cuál es el paso determinante de tasa?
Escoge 1 respuesta:

Resumen

  • Un mecanismo de reacción es la secuencia de pasos elementales mediante los que se produce una reacción química.
  • Una reacción que se produce en dos o más pasos elementales se llama reacción compleja o de varios pasos.
  • Un intermedio de reacción es una especie química que se forma en un paso elemental y se consume en el paso siguiente.
  • El paso más lento de un mecanismo de reacción se conoce como paso determinante de la tasa.
  • El paso determinante de la tasa limita la tasa general y, por lo tanto, determina la ley de tasa de la reacción general.

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