18.14: Paso de Determinación de la Tasa
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Paso de determinación de la tasa
La determinación de un mecanismo de reacción sólo se puede hacer en el laboratorio. Cuando se produce una reacción en una secuencia de etapas elementales, la velocidad de reacción general se rige por cualquiera de esas etapas que sea la más lenta. La etapa de determinación de la velocidad es la etapa más lenta en la secuencia de etapas en un mecanismo de reacción. Imagínese conducir por una carretera de un solo carril donde no es posible pasar otro vehículo. La tasa de flujo de tráfico en una carretera de este tipo estaría dictada por cualquier automóvil que viaje a la velocidad más baja. El paso de determinación de la velocidad es un concepto similar a este carro lento que determina la tasa de flujo de tráfico: la velocidad de reacción general está determinada por la parte más lenta del proceso.
Descomposición del peróxido de hidrógeno
Recordemos que un catalizador es una sustancia que aumenta la velocidad de una reacción química sin ser consumida. Los catalizadores reducen la energía de activación global para una reacción al proporcionar un mecanismo alternativo para que la reacción siga. Uno de esos catalizadores para la descomposición del peróxido de hidrógeno es el ión yoduro\(\left( \ce{I^-} \right)\).
\[2 \ce{H_2O_2} \left( aq \right) \overset{\ce{I^-}}{\rightarrow} 2 \ce{H_2O} \left( l \right) + \ce{O_2} \left( g \right)\nonumber \]
Por experimento, se encuentra que la velocidad de reacción es de primer orden con respecto a ambos\(\ce{H_2O_2}\) y\(ce{I^-}\), y segundo orden general.
\[\text{rate} = k \left[ \ce{H_2O_2} \right] \left[ \ce{I^-} \right]\nonumber \]
La reacción no puede ocurrir en un solo paso correspondiente a la ecuación equilibrada global. Si lo hiciera, la reacción sería de segundo orden con respecto a\(\ce{H_2O_2}\), ya que el coeficiente del\(\ce{H_2O_2}\) en la ecuación equilibrada es un 2. Se puede construir un mecanismo de reacción que da cuenta de la ley de velocidad, y para la detección del\(\ce{IO^-}\) ion como intermedio. Consta de dos pasos elementales bimoleculares:
Paso 1:\(\ce{H_2O_2} \left( aq \right) + \ce{I^-} \left( aq \right) \rightarrow \ce{H_2O} \left( l \right) + \ce{IO^-} \left( aq \right)\)
Paso 2:\(\ce{H_2O_2} \left( aq \right) + \ce{IO^-} \left( aq \right) \rightarrow \ce{H_2O_2} \left( l \right) + \ce{O_2} \left( g \right) + \ce{I^-} \left( aq \right)\)
Si el paso 2 es el paso determinante de la velocidad, entonces la ley de velocidad para ese paso será la ley de velocidad para la reacción general.
\[\text{rate} = k \left[ \ce{H_2O_2} \right] \left[ \ce{I^-} \right]\nonumber \]
La ley de tarifas para el paso lento del mecanismo propuesto concuerda con la ley general de tarifas determinada experimentalmente. El\(\ce{IO^-}\) está presente como intermedio en la reacción. El catalizador de yoduro también aparece en el mecanismo. Se consume en el primer paso elemental y luego se regenera en el segundo paso. Este es el requisito para que un catalizador no se consuma en la reacción.
Resumen
- Se define el paso determinante de la velocidad en una reacción.
- Se describe el proceso para determinar el paso de determinación de la tasa.