Cinética química

a) Órdenes de reacción

En $v = k\,[\text{NO}_2]^1\,[\text{F}_2]^1$ los exponentes son los órdenes parciales:

• Orden parcial respecto del $\text{NO}_2$: 1.
• Orden parcial respecto del $\text{F}_2$: 1.
• Orden total: $1 + 1 =$ 2.

b) ¿Es elemental?

Si la reacción transcurriera en una sola etapa, tal como está escrita (choque simultáneo de dos moléculas de $\text{NO}_2$ y una de $\text{F}_2$), su ecuación de velocidad tendría como exponentes los coeficientes estequiométricos:$$v_{\text{elemental}} = k\,[\text{NO}_2]^2\,[\text{F}_2] \qquad (\text{orden 3})$$La ecuación experimental es de orden 1 respecto del $\text{NO}_2$, no de orden 2. Como los órdenes no coinciden con los coeficientes, la reacción no es elemental: transcurre por un mecanismo de varias etapas. Por ejemplo, una etapa lenta $\text{NO}_2 + \text{F}_2 \rightarrow \text{NO}_2\text{F} + \text{F}$ seguida de otra rápida $\text{NO}_2 + \text{F} \rightarrow \text{NO}_2\text{F}$; la etapa lenta es la que fija la velocidad, y por eso $v = k\,[\text{NO}_2][\text{F}_2]$.

(Además, un choque simultáneo de tres moléculas es muy improbable.)

c) Unidades de $k$

La velocidad se mide en $\text{mol}\cdot\text{L}^{-1}\cdot\text{s}^{-1}$ y las concentraciones en $\text{mol}\cdot\text{L}^{-1}$. Despejando:$$k = \frac{v}{[\text{NO}_2]\,[\text{F}_2]} \;\Rightarrow\; [k] = \frac{\text{mol}\cdot\text{L}^{-1}\cdot\text{s}^{-1}}{(\text{mol}\cdot\text{L}^{-1})^2} = \text{L}\cdot\text{mol}^{-1}\cdot\text{s}^{-1}$$Es la unidad típica de una reacción de orden total 2.

d) Efecto de la temperatura (Arrhenius)$$k = A\,e^{-E_a/(RT)}$$Al aumentar $T$, el cociente $E_a/(RT)$ disminuye, así que el exponente $-E_a/(RT)$ es menos negativo y la exponencial aumenta. Por tanto, $k$ aumenta, y con ella la velocidad $v = k\,[\text{NO}_2][\text{F}_2]$ (a igualdad de concentraciones).

Interpretación: $e^{-E_a/(RT)}$ es la fracción de choques con energía suficiente para superar la energía de activación. A más temperatura, más moléculas tienen esa energía y más choques son eficaces.

En la simulación, la constante y la energía de activación son ilustrativas (el enunciado no las da); sirve para ver el orden 1 + 1 y cómo sube la velocidad con la temperatura.