Mecanismos de reacción: etapa lenta, intermedio y catalizador

Una reacción ajustada cuenta qué sustancias se consumen y producen en conjunto. Un mecanismo añade una propuesta sobre el recorrido. Confundir ambas descripciones lleva a copiar exponentes que la ecuación global no permite justificar.

Vamos a resolver tres mecanismos hipotéticos con especies representadas por letras. Son modelos didácticos originales, no mecanismos atribuidos a sustancias reales. El tercero introduce un preequilibrio como ampliación: no se afirma que ese desarrollo forme parte de todas las PAU.

Antes de predecir una velocidad, comprueba la suma

Una etapa declarada elemental permite relacionar sus reactivos con una ley de acción de masas. Por ejemplo, para un evento A + B → AB podemos escribir r = k[A][B]. Para la ecuación global de un proceso con varias etapas no basta mirar los coeficientes.

Un intermedio aparece como producto de una etapa y reactivo de otra. Un catalizador participa y se regenera. Ambos pueden desaparecer de la ecuación neta, así que la cancelación por sí sola no los distingue.

La sección académica de OpenStax sobre mecanismos respalda estas distinciones. Aquí tomaremos aproximaciones expresamente indicadas, a temperatura fija, sin convertir una etapa lenta en una regla universal para cualquier sistema.

Ejercicio 1: la reacción global tiene un coeficiente que no es un orden

Se propone este esquema, con una primera etapa mucho más lenta que la segunda:

1. A + B → AB, elemental y lenta.
2. AB + B → AB₂, elemental y rápida.

Las letras A y B representan componentes conservados del modelo. Tras el breve ajuste del intermedio, suponemos que la formación del producto está controlada por la primera etapa.

Paso 1. Suma sin borrar de memoria. A la izquierda aparecen A + B + AB + B; a la derecha, AB + AB₂. Cancelamos AB y queda A + 2B → AB₂.

Paso 2. Identifica el intermedio. AB se produce primero y se consume después. No es un reactivo neto que deba aparecer en la ecuación global.

Paso 3. Escribe la predicción cinética. La primera etapa elemental da r₁ = k₁[A][B]. En el régimen aproximado declarado, la aparición de AB₂ sigue esa tasa: v ≈ k₁[A][B].

Paso 4. Calcula un caso. Si k₁ = 0,30 L·mol⁻¹·s⁻¹, [A] = 0,200 mol·L⁻¹ y [B] = 0,100 mol·L⁻¹, obtenemos v ≈ 0,30·0,200·0,100 = 0,00600 mol·L⁻¹·s⁻¹.

La ecuación global consume dos B por AB₂ formado, pero la dependencia propuesta es de primer orden respecto a B. Bajo la aproximación, la velocidad neta de consumo de B es aproximadamente 2v = 0,0120 mol·L⁻¹·s⁻¹, mientras que la aparición de AB₂ es v. La estequiometría relaciona tasas de consumo y formación; no obliga a elevar [B] al cuadrado.

Si un experimento, en el mismo régimen y manteniendo A, mostrase que duplicar B cuadruplica la velocidad, la predicción de este modelo no encajaría con ese resultado. No sería correcto cambiar el exponente y declarar el mecanismo confirmado.

Ejercicio 2: una especie que vuelve no es un intermedio cualquiera

Considera otro esquema independiente:

1. A + C → AC, elemental y lenta.
2. AC + B → AB + C, elemental y rápida.

C está disponible al comenzar y se recupera al final. No proponemos que sea un catalizador real de una reacción conocida.

Paso 1. Obtén la ecuación neta. Sumando y cancelando AC y C resulta A + B → AB. La conservación también funciona componente a componente.

Paso 2. Sigue el recorrido de cada especie. AC se forma y después se consume: es el intermedio. C se consume en la primera etapa y se regenera en la segunda: cumple el papel de catalizador del modelo.

Paso 3. Predice la tasa en el régimen de primera etapa limitante. v ≈ k₁[A][C]. Que C no figure en la ecuación global no significa que su concentración sea irrelevante para la cinética.

Paso 4. Compara condiciones. Con [A] fija, pasar [C] de 0,0100 a 0,0250 mol·L⁻¹ multiplica la predicción por 2,5. Si la velocidad inicial era 0,00400 mol·L⁻¹·s⁻¹, el modelo prevé 0,0100 bajo las mismas condiciones.

Esta comparación no dice que el catalizador pueda aumentar indefinidamente la velocidad en cualquier concentración. Sólo aplica el esquema y el régimen dados. Tampoco significa que C aporte producto neto: se recupera durante el ciclo.

Una comprobación verbal útil es empezar la explicación por el primer uso de cada especie. Decir únicamente «se cancela» omite la diferencia entre formación y regeneración.

Ejercicio 3: elimina un intermedio mediante un preequilibrio

En este tercer modelo se establecen estas condiciones:

1. 2A ⇌ A₂, equilibrio rápido.
2. A₂ + B → A₂B, etapa elemental lenta.

Suponemos que el primer proceso permanece muy próximo a su equilibrio mientras transcurre lentamente el segundo. Las concentraciones dadas son de especies libres, no concentraciones analíticas totales.

Paso 1. Comprueba el balance. La combinación neta consume 2A + B y forma A₂B. El dímero A₂ actúa como intermedio.

Paso 2. Escribe la etapa lenta. v ≈ k₂[A₂][B]. Todavía aparece una concentración intermedia.

Paso 3. Usa el supuesto de equilibrio. Definimos Kc = [A₂]/[A]², con concentraciones en mol·L⁻¹. Así, [A₂] = Kc[A]² y v ≈ k₂Kc[A]²[B].

Paso 4. Sustituye. Si Kc = 2,00 L·mol⁻¹, k₂ = 0,400 L·mol⁻¹·s⁻¹, [A] = 0,100 mol·L⁻¹ y [B] = 0,300 mol·L⁻¹, entonces [A₂] = 2,00·0,100² = 0,0200 mol·L⁻¹. La tasa es 0,400·0,0200·0,300 = 0,00240 mol·L⁻¹·s⁻¹.

La constante combinada vale 0,800 L²·mol⁻²·s⁻¹. Sustituir directamente 0,800·0,100²·0,300 reproduce la misma velocidad.

El total de unidades A libres y dimerizadas sería [A] + 2[A₂] = 0,140 mol·L⁻¹. Usar 0,140 en lugar de la concentración libre 0,100 cambiaría indebidamente el cálculo.

Contrasta la propuesta con evidencia independiente

La práctica de velocidades iniciales trabaja el camino desde datos hacia una ley. Aquí hemos recorrido la dirección contraria: una propuesta y unos supuestos generan una predicción que debe compararse con datos.

Anota en el formulario de Química qué condición autoriza cada paso. Una ecuación cinética sin el supuesto que la sostiene puede parecer correcta y aplicarse al régimen equivocado.

Preguntas frecuentes

¿Puedo copiar los coeficientes de la reacción global como órdenes?

No. Esa relación directa corresponde a una etapa declarada elemental, con la convención de velocidad adecuada; no se aplica automáticamente a una reacción global de varias etapas.

¿Intermedio y catalizador se cancelan en la suma de etapas?

Pueden cancelarse ambos, pero su recorrido difiere: el intermedio se forma y después se consume; el catalizador participa y se regenera.

¿Una ley de velocidad compatible demuestra un mecanismo único?

No. La compatibilidad es una condición necesaria, pero otros mecanismos pueden generar la misma ley en determinadas condiciones.

Separa suma, recorrido y predicción

Vuelve al primer esquema y escribe tres líneas: reacción neta, identidad del intermedio y dependencia de velocidad. Ninguna sustituye a las otras. Después explica qué medida pondría a prueba la predicción sin afirmar que una coincidencia demuestra un mecanismo único.

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