Calculadora de cinética química

El equilibrio indica hasta dónde puede llegar una reacción; la cinética indica con qué rapidez llega realmente, y una reacción permitida termodinámicamente pero detenida cinéticamente (como el diamante que se convierte en grafito, o el hierro que se oxida durante siglos) es un hecho habitual de la química. La cinética mide con qué rapidez cambia la concentración, y su objeto central es la ley de velocidad: velocidad = k[A]ⁿ, donde n es el orden de reacción y k la constante de velocidad. En la muestra, una reacción de primer orden con k = 0,01 s⁻¹ a [A] = 0,5 M va a 5,000×10⁻³ M/s.

El orden indica con qué sensibilidad la velocidad depende de la concentración. Orden cero: velocidad = k, constante: la reacción va a su máximo por alguna otra razón (una superficie de catalizador saturada, una enzima al límite, suministro de luz), así que [A] cae en línea recta hasta agotarse. Primer orden: velocidad ∝ [A]: cada molécula se descompone independientemente de sus vecinas; la desintegración radiactiva y la mayoría de las descomposiciones térmicas pertenecen a este grupo. Segundo orden: velocidad ∝ [A]²: dos moléculas deben chocar, así que la dilución perjudica de forma cuadrática. Las unidades de k cambian con el orden (M·s⁻¹ para cero, s⁻¹ para primero, M⁻¹·s⁻¹ para segundo), por eso el selector de unidades de la página sigue al desplegable del orden. La prueba experimental honesta es el método de las velocidades iniciales: duplique una concentración cada vez y observe si la velocidad se mantiene (cero), se duplica (primero) o se cuadruplica (segundo).

La ley de velocidad diferencial describe la pendiente; la ley de velocidad integrada la integra y da una curva real de [A] frente al tiempo. El primer orden da una exponencial pura: la muestra parte de 1,0 M con k = 0,01 s⁻¹, y tras t = 100 s queda e⁻¹ = 0,3679 M (36,79 % restante). Esta es también la típica prueba de laboratorio para medir el orden: represente ln[A] frente a t, 1/[A] frente a t, o [A] frente a t; la que dé una recta indica el orden (primero, segundo o cero, respectivamente).

Solo las reacciones de primer orden tienen una vida media independiente de la concentración, t½ = ln2/k: la k = 0,01 s⁻¹ de la muestra da 69,31 s sin importar cuánto material quede. Orden cero: t½ = [A]₀/2k se acorta a medida que el suministro se agota. Segundo orden: t½ = 1/(k[A]₀) crece a medida que baja la concentración; la dilución hace que las reacciones de segundo orden se alarguen al final. La constancia de las vidas medias de primer orden es precisamente la razón por la que funciona la datación radiactiva; esa historia continúa en la página de Química nuclear.

Las constantes de velocidad no son constantes: ceden ante la temperatura, k = A·e^−Ea/RT. La energía de activación Ea es la colina que deben escalar las moléculas antes de reaccionar; la fracción que la supera escala como e^−Ea/RT, y A (el factor preexponencial, aproximadamente con qué frecuencia ocurren choques con la orientación adecuada) fija el techo. Las cifras son llamativas: con Ea = 50 kJ/mol a 300 K, Ea/RT ≈ 20, así que solo unas 2 partes en 10⁹ de los intentos tienen éxito; aun así, la muestra produce k ≈ 19,7 s⁻¹ porque A = 10¹⁰ s⁻¹ lo multiplica de nuevo. Esta sensibilidad es la conocida regla práctica de que 10 °C de calentamiento aproximadamente duplican la velocidad de una reacción típica, y por eso los alimentos se conservan en el congelador y la leche se estropea sobre la encimera caliente.

• El orden se deduce de los coeficientes de la ecuación. Solo en las reacciones elementales de un paso. Para cualquier reacción compuesta, duplicar [A] y observar la velocidad es la única prueba honesta.
• Un catalizador desplaza el equilibrio. Reduce Ea, acelerando igual la reacción directa e inversa: el equilibrio se alcanza antes, exactamente en el mismo lugar (véase Equilibrio).
• Una k mayor significa más producto. k trata de la velocidad; K, de la extensión. Una reacción rápida puede terminar muy lejos de completarse, y una lenta puede estar muy favorecida hacia los productos.
• La vida media de primer orden depende de cuánto se tenga. Es el único orden en el que no depende: 69,31 s en la muestra, empezando tanto desde 1 M como desde 0,001 M.

Herramientas relacionadas: Equilibrio (hasta dónde llegan las reacciones), Química nuclear (desintegración de primer orden a escala nuclear) y Balanceador de ecuaciones (las recetas con las que se comparan las velocidades).