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) Justificación del orden de reacción respecto al peróxido

0,10 p. La ecuación de la velocidad de la reacción se puede escribir así: $\boldsymbol{v = k\,[\text{H}_2\text{O}_2]^{\alpha}}$, en que $\alpha$ es el orden de reacción respecto al peróxido de hidrógeno.

De la tabla de datos experimentales, de los experimentos (1) y (3) se puede ver el efecto de la concentración de peróxido de hidrógeno en la velocidad de la reacción:$$[\text{H}_2\text{O}_2]_{\text{exp }3} / [\text{H}_2\text{O}_2]_{\text{exp }1} = 0{,}30 / 0{,}15 = 2 \quad \text{y} \quad v_{\text{exp }3} / v_{\text{exp }1} = 12{,}7 \cdot 10^{-3} / 6{,}3 \cdot 10^{-3} = 2$$Cálculo con los experimentos (3) y (2):$$[\text{H}_2\text{O}_2]_{\text{exp }3} / [\text{H}_2\text{O}_2]_{\text{exp }2} = 0{,}30 / 0{,}25 = 1{,}2 \quad \text{y} \quad v_{\text{exp }3} / v_{\text{exp }2} = 12{,}7 \cdot 10^{-3} / 10{,}5 \cdot 10^{-3} = 1{,}2$$$\Rightarrow$ Se observa que al duplicar la concentración de peróxido de hidrógeno se duplica la velocidad (experimentos 1 y 3). Se comprueba que la relación se mantiene constante con la segunda tanda de experimentos.

$\Rightarrow$ Esto indica que el orden de reacción respecto al peróxido de hidrógeno es 1.

0,50 p. $\boldsymbol{\alpha = 1}$; la reacción es de orden 1 respecto al $\text{H}_2\text{O}_2$

Cálculo de la constante de velocidad y justificación de las unidades

• Tomando la velocidad inicial de la reacción y las concentraciones iniciales de $\text{H}_2\text{O}_2$ en un experimento (el tercero, por ejemplo), se encuentra lo siguiente:

$$v = k\,[\text{H}_2\text{O}_2]$$Cambio de unidades: $12{,}7 \cdot 10^{-3}\ \text{mmol L}^{-1}\,\text{s}^{-1} \times (1\ \text{mol} / 1000\ \text{mmol}) = 12{,}7 \cdot 10^{-6}\ \text{mol L}^{-1}\,\text{s}^{-1}$

Experimento 3: $12{,}7 \cdot 10^{-6}\ \text{mmol L}^{-1}\,\text{s}^{-1} = k\,(0{,}30\ \text{mmol L}^{-1})^{1}$

0,35 p.$$k = \frac{v}{[\text{H}_2\text{O}_2]} \;\rightarrow\; k = \frac{12{,}7 \cdot 10^{-6}\ \text{mol L}^{-1}\,\text{s}^{-1}}{0{,}30\ \text{mol L}^{-1}} = \boldsymbol{4{,}2\ 10^{-5}\ \text{s}^{-1}}$$

• Justificación en función de la ley de velocidad; las unidades de velocidad son $\dfrac{\text{mol}}{\text{L}\cdot\text{s}}$. Por tanto:

0,20 p.$$\frac{\text{mol}}{\text{L}\cdot\text{s}} = k\,\frac{\text{mol}}{\text{L}} \;\rightarrow\; k = \frac{1}{\text{s}}$$0,10 p. $\Rightarrow$ La expresión completa de la velocidad es: $\boldsymbol{v = 4{,}2\ 10^{-5}\ [\text{H}_2\text{O}_2]}$

b) Efecto del KI según el modelo cinético de colisiones

0,10 p. El KI es un catalizador. Un catalizador es una sustancia que se añade a la reacción, sin consumirse, y aumenta la velocidad de reacción.

0,30 p. Un catalizador modifica el mecanismo de la reacción y consigue que en el nuevo mecanismo disminuya la energía de activación, y aumente la velocidad de reacción.

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.

Efecto del KI en la entalpía de la reacción

0,25 p. Si la reacción se hace en presencia de un catalizador, la reacción global será la misma y, por tanto, la variación de entalpía de la reacción no se modifica, ya que solo depende de la entalpía de reactivos y productos.

$\Rightarrow$ Un catalizador no modifica la entalpía de la reacción.

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

Efecto del aumento de temperatura a volumen constante

0,30 p. Un aumento de la temperatura manteniendo el volumen constante implica que tendremos más moléculas de reactivo con una energía cinética mínima para producir choques efectivos (es decir, más proporción de choques efectivos) y, por tanto, aumentará la velocidad de la reacción.

$\Rightarrow$ Al aumentar la temperatura, la probabilidad de que las moléculas choquen aumenta y, por tanto, aumentará la velocidad de la reacción.

Efecto del aumento del volumen a temperatura constante

0,30 p. Un aumento del volumen manteniendo la temperatura constante implica que la concentración de las partículas reaccionantes disminuirá, lo cual hace que la probabilidad de que se produzcan choques efectivos que den lugar a la reacción también disminuya y, por tanto, también lo hará la velocidad de reacción.

$\Rightarrow$ Al aumentar el volumen, la probabilidad de que choquen las moléculas disminuye y, por tanto, disminuirá la velocidad de la reacción.