Cinética química

Solución oficial

Corrección oficial de la PAU de Cataluña (Generalitat de Catalunya), traducida del catalán. Las puntuaciones de cada paso son las de la pauta de corrección.

a) Determinación del orden de reacción

0,10 p. La ecuación de la velocidad de la reacción se puede escribir: $\boldsymbol{v = k\,[\text{O}_3]^{\alpha}\,[\text{NO}]^{\beta}}$

donde $\alpha$ es el orden de reacción respecto al ozono y $\beta$ es el orden de reacción respecto al monóxido de nitrógeno.

0,40 p. De la tabla de datos experimentales se pueden comparar los experimentos (2) y (3), que tienen la misma concentración de ozono:

Tercer experimento: $37{,}8\ \text{mol L}^{-1}\,\text{s}^{-1} = k\,(0{,}015\ \text{mol L}^{-1})^{\alpha}\,(0{,}030\ \text{mol L}^{-1})^{\beta}$

Segundo experimento: $12{,}6\ \text{mol L}^{-1}\,\text{s}^{-1} = k\,(0{,}015\ \text{mol L}^{-1})^{\alpha}\,(0{,}010\ \text{mol L}^{-1})^{\beta}$

Al dividir tenemos: $3 = 1\times 3^{\beta} \Rightarrow \beta = 1$; la reacción será de orden 1 respecto al NO.

0,40 p. De la tabla de datos experimentales podemos comparar los experimentos (1) y (4), que tienen la misma velocidad:

Primer experimento: $42\ \text{mol L}^{-1}\,\text{s}^{-1} = k\,(0{,}020\ \text{mol L}^{-1})^{\alpha}\,(0{,}025\ \text{mol L}^{-1})^{\beta}$

Cuarto experimento: $42\ \text{mol L}^{-1}\,\text{s}^{-1} = k\,(0{,}010\ \text{mol L}^{-1})^{\alpha}\,(0{,}050\ \text{mol L}^{-1})^{\beta}$

Al dividir se encuentra: $1 = 2^{\alpha}\times(0{,}5)^{1} \Rightarrow \alpha = 1$; la reacción será de orden 1 respecto al O₃.

0,10 p. El orden total de la reacción es igual a la suma de $\alpha + \beta = 2$.

Cálculo de la constante de velocidad

0,25 p. Tomando la velocidad inicial de la reacción y las concentraciones iniciales de cada reactivo en un experimento (el primero, por ejemplo) se encuentra:

Experimento 1: $42\ \text{mol L}^{-1}\,\text{s}^{-1} = k\,(0{,}020\ \text{mol L}^{-1})^{1}\,(0{,}025\ \text{mol L}^{-1})^{1}$$$\Rightarrow \boldsymbol{k = 84.000\ \text{mol}^{-1}\,\text{L s}^{-1}}$$La expresión completa de la velocidad es: $v = 84.000\,[\text{O}_3]\,[\text{NO}]$

b) Efecto de la temperatura y del volumen según el modelo cinético de colisiones

Efecto de la temperatura

0,30 p. Un aumento de la temperatura implica que tendremos más moléculas con una energía cinética mínima para hacer choques eficaces (es decir, más proporción de choques eficaces) y, por tanto, aumentará la velocidad de la reacción.

Efecto del volumen

0,30 p. Al aumentar el volumen, la probabilidad de que choquen las moléculas disminuye y, por tanto, disminuye la velocidad de la reacción.

Qué es un catalizador

0,30 p. Un catalizador es una sustancia que se añade a la reacción, sin consumirse, y aumenta la velocidad de reacción.

Un catalizador modifica el mecanismo de la reacción, consiguiendo que en el nuevo mecanismo disminuya la energía de activación, y aumente la velocidad de reacción.

0,35 p. Justificación: deben emplear uno de los dos modelos

Justificación según el modelo cinético del estado de transición o complejo activado

La velocidad de una reacción depende de la energía de activación o la energía que deben alcanzar las moléculas de reactivos para llegar al estado de transición: cuanto más pequeña sea, más alta será la velocidad, y el catalizador disminuirá la energía de activación.

Justificación según el modelo cinético de colisiones

La velocidad de una reacción es proporcional al número de choques entre las moléculas de reactivos por unidad de volumen y tiempo. La energía de activación es la energía cinética mínima que deben alcanzar las moléculas de reactivo para reaccionar cuando chocan: cuanto más pequeña sea, más alta será la velocidad.