Otros · Nivel: 2-Bachillerato · Dificultad: alta

Ecuación de Arrhenius: ejercicios resueltos

Cálculo de energía de activación y constante k a distintas temperaturas con la ecuación de Arrhenius.

La ecuación de Arrhenius es fundamental en cinética química para entender cómo la velocidad de una reacción depende de la temperatura. Estos ejercicios están diseñados para ayudarte a calcular la energía de activación y predecir constantes de velocidad a diferentes temperaturas, así como entender el concepto de tiempo de vida media.

Ejercicios resueltos

Ejercicio 1

Enunciado: Calcula la energía de activación (Ea) de una reacción sabiendo que la constante de velocidad k1 a 300 K es 2,5 x 10^-3 s^-1 y k2 a 350 K es 8,0 x 10^-3 s^-1.

Datos: k1 = 2,5 x 10^-3 s^-1, k2 = 8,0 x 10^-3 s^-1, T1 = 300 K, T2 = 350 K, R = 8,314 J/mol·K.

Resolución paso a paso:

  1. Utiliza la ecuación de Arrhenius: ln(k2/k1) = Ea/R × (1/T1 - 1/T2).
  2. Calcula ln(k2/k1): ln(8,0 x 10^-3 / 2,5 x 10^-3) = ln(3,2) ≈ 1.163.
  3. Calcula (1/T1 - 1/T2): (1/300 - 1/350) = 0.00095238 - 0.00085714 = 0.00009524 K^-1.
  4. Despeja Ea: Ea = (1,163 × 8,314) / 0.00009524 = 101,500 J/mol.

Solución: Ea = 101,5 kJ/mol.

Ejercicio 2

Enunciado: Predice la constante de velocidad k3 a 400 K para la reacción del ejercicio anterior.

Datos: k1 = 2,5 x 10^-3 s^-1, T1 = 300 K, T3 = 400 K, Ea = 101,5 kJ/mol.

Resolución paso a paso:

  1. Convierte Ea a J/mol: Ea = 101,500 J/mol.
  2. Usa la ecuación de Arrhenius: ln(k3/k1) = Ea/R × (1/T1 - 1/T3).
  3. Calcula (1/T1 - 1/T3): (1/300 - 1/400) = 0.00095238 - 0,00075 = 0.00020238 K^-1.
  4. Calcula ln(k3/k1): ln(k3/2,5 x 10^-3) = (101,500 / 8,314) × 0.00020238 = 2.47.
  5. Despeja k3: k3 = 2,5 x 10^-3 × e^2,47 ≈ 0,022 s^-1.

Solución: k3 ≈ 0,022 s^-1.

Ejercicio 3

Enunciado: Calcula el tiempo de vida media de una reacción de primer orden con k = 0,022 s^-1.

Datos: k = 0,022 s^-1.

Resolución paso a paso:

  1. Para una reacción de primer orden, el tiempo de vida media (t1/2) se calcula como t1/2 = ln(2) / k.
  2. Calcula ln(2) ≈ 0.693.
  3. Sustituye en la fórmula: t1/2 = 0,693 / 0,022 ≈ 31,5 s.

Solución: t1/2 ≈ 31,5 s.

Ejercicio 4

Enunciado: Una reacción tiene una constante de velocidad k1 = 1,0 x 10^-4 s^-1 a 298 K. Si la energía de activación es 75 kJ/mol, ¿cuál será la constante de velocidad a 350 K?

Datos: k1 = 1,0 x 10^-4 s^-1, T1 = 298 K, T2 = 350 K, Ea = 75 kJ/mol.

Resolución paso a paso:

  1. Convierte Ea a J/mol: Ea = 75,000 J/mol.
  2. Usa la ecuación de Arrhenius: ln(k2/k1) = Ea/R × (1/T1 - 1/T2).
  3. Calcula (1/T1 - 1/T2): (1/298 - 1/350) = 0,003356 - 0,002857 = 0,000499 K^-1.
  4. Calcula ln(k2/k1): ln(k2/1,0 x 10^-4) = (75,000 / 8,314) × 0,000499 ≈ 4.50.
  5. Despeja k2: k2 = 1,0 x 10^-4 × e^4,50 ≈ 0,011 s^-1.

Solución: k2 ≈ 0,011 s^-1.

Ejercicio 5

Enunciado: Determina la energía de activación si la constante de velocidad de una reacción se duplica al aumentar la temperatura de 293 K a 313 K.

Datos: k2/k1 = 2, T1 = 293 K, T2 = 313 K.

Resolución paso a paso:

  1. Usa la ecuación de Arrhenius: ln(k2/k1) = Ea/R × (1/T1 - 1/T2).
  2. Calcula ln(2) ≈ 0.693.
  3. Calcula (1/T1 - 1/T2): (1/293 - 1/313) = 0,003413 - 0,003195 = 0,000218 K^-1.
  4. Despeja Ea: Ea = (0,693 × 8,314) / 0,000218 = 26,400 J/mol.

Solución: Ea = 26,4 kJ/mol.

Ejercicio 6

Enunciado: Una reacción tiene una constante de velocidad de 5,0 x 10^-5 s^-1 a 273 K. Si la energía de activación es 50 kJ/mol, ¿cuál será la constante de velocidad a 323 K?

Datos: k1 = 5,0 x 10^-5 s^-1, T1 = 273 K, T2 = 323 K, Ea = 50 kJ/mol.

Resolución paso a paso:

  1. Convierte Ea a J/mol: Ea = 50,000 J/mol.
  2. Usa la ecuación de Arrhenius: ln(k2/k1) = Ea/R × (1/T1 - 1/T2).
  3. Calcula (1/T1 - 1/T2): (1/273 - 1/323) = 0,003663 - 0,003096 = 0,000567 K^-1.
  4. Calcula ln(k2/k1): ln(k2/5,0 x 10^-5) = (50,000 / 8,314) × 0,000567 ≈ 3.41.
  5. Despeja k2: k2 = 5,0 x 10^-5 × e^3,41 ≈ 0,001 s^-1.

Solución: k2 ≈ 0,001 s^-1.

Errores frecuentes

  1. No convertir la energía de activación a las mismas unidades: Asegúrate de que Ea esté en J/mol cuando uses R = 8,314 J/mol·K.
  2. Errores en el cálculo de diferencias de inversos de temperatura: Calcula cuidadosamente (1/T1 - 1/T2) para evitar errores significativos.
  3. Olvidar el uso de la función exponencial: Después de calcular ln(k2/k1), recuerda usar la función exponencial para despejar k2.

Preguntas frecuentes

¿Qué es la ecuación de Arrhenius?
La ecuación de Arrhenius describe cómo la constante de velocidad de una reacción química depende de la temperatura y la energía de activación. Se expresa como k = A * e^(-Ea/RT), donde k es la constante de velocidad, A es el factor preexponencial, Ea es la energía de activación, R es la constante de los gases ideales, y T es la temperatura en Kelvin.
¿Por qué es importante la energía de activación?
La energía de activación es crucial porque determina la velocidad de una reacción química. Una menor energía de activación significa que más moléculas tienen suficiente energía para reaccionar, aumentando la velocidad de la reacción.
¿Cómo afecta la temperatura a la velocidad de reacción?
A medida que la temperatura aumenta, la velocidad de reacción generalmente aumenta debido a que más moléculas tienen energía suficiente para superar la barrera de energía de activación.
¿Qué significa el tiempo de vida media en una reacción de primer orden?
El tiempo de vida media es el tiempo necesario para que la concentración de un reactivo se reduzca a la mitad de su valor inicial. En reacciones de primer orden, es constante y se calcula como t1/2 = ln(2) / k.

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