Cinética Química: La Velocidad de las Reacciones
La cinética química es la rama de la química que estudia la velocidad de las reacciones químicas, los factores que la afectan y los mecanismos a través de los cuales ocurren.
Definición de Velocidad de Reacción
La velocidad de reacción representa la rapidez con la que tiene lugar la transformación química de los reactivos en productos. Aunque la velocidad de los procesos químicos es de gran importancia, resulta muy difícil predecir qué proceso será rápido y cuál será lento. Puesto que la velocidad es el cociente entre una concentración y el tiempo, la unidad en la que se expresa normalmente es mol·L-1·s-1.
Componentes de la Ecuación de Velocidad
En la ecuación de velocidad, los siguientes términos representan:
- v: la velocidad instantánea.
- [A], [B]…: las concentraciones molares de los reactivos en un instante dado.
- K: la constante de velocidad o coeficiente cinético.
- Los exponentes α y β: se llaman, respectivamente, orden de la reacción respecto al reactivo A y orden de la reacción respecto al reactivo B. La suma de α + β es el orden total de la reacción.
Orden Parcial de una Reacción
El orden parcial de una reacción es una magnitud que se determina experimentalmente e indica cómo depende la velocidad de reacción de la concentración de un reactivo específico.
Teorías de la Velocidad de Reacción
Teoría de las Colisiones de las Reacciones Químicas
Una reacción química supone la ruptura de enlaces en los reactivos y la formación de otros nuevos en los productos. Para que esto ocurra, las moléculas de los reactivos tienen que entrar en contacto, es decir, deben colisionar. Para que las colisiones sean eficaces (y se produzca la reacción) se requieren dos condiciones:
- Las moléculas reaccionantes deben tener suficiente energía para que, al chocar, puedan romperse algunos enlaces (o relajarse mucho). Estas moléculas se llaman moléculas activadas, y la energía mínima requerida se llama energía de activación.
- Los choques deben verificarse con una orientación adecuada.
Teoría del Estado de Transición de las Reacciones Químicas
Esta teoría supone que la reacción transcurre a través del llamado complejo activado o complejo de transición, que es un agregado constituido por moléculas reaccionantes, en el que algunos de los enlaces se han relajado (o roto) y se han empezado a formar nuevos enlaces. Debido a su elevada energía, el complejo activado es muy inestable y se descompone inmediatamente, originando los productos de la reacción. Para que se forme el complejo activado, las moléculas de los reactivos deben absorber una energía adicional que es la energía de activación. Cuanto mayor sea el valor de la energía de activación, menor será, en general, la velocidad de reacción, ya que pocos choques de moléculas serán eficaces. Por el contrario, en las reacciones con baja energía de activación, la velocidad de reacción se ve favorecida por ser mayor el número de choques eficaces. Debido a la existencia del estado de transición, aunque una reacción sea exotérmica (ΔH < 0) y espontánea (ΔG < 0), necesita una aportación energética para comenzar a producirse. Gracias a la necesidad de una energía de activación, el folio que estás leyendo no se quema espontáneamente en la atmósfera de oxígeno que respiramos.
Complejo Activado o Complejo de Transición: Definición
El complejo activado o complejo de transición es un agregado constituido por moléculas reaccionantes, en el que algunos de los enlaces se han relajado (o roto) y se han empezado a formar nuevos enlaces. Debido a su elevada energía, el complejo activado es muy inestable y se descompone inmediatamente, originando los productos de la reacción.
Energía de Activación: Definición
La energía de activación es la energía adicional que las moléculas de los reactivos deben absorber para que se forme el complejo activado. Cuanto mayor sea el valor de la energía de activación, menor será, en general, la velocidad de reacción, ya que pocos choques de moléculas serán eficaces. Por el contrario, en las reacciones con baja energía de activación, la velocidad de reacción se ve favorecida por ser mayor el número de choques eficaces.
Factores que Influyen en la Velocidad de Reacción
Influencia de la Temperatura
Experimentalmente se comprueba que al aumentar la temperatura se produce un aumento importante de la velocidad de reacción. Esto se debe a que al elevar la temperatura, aumenta mucho el porcentaje de moléculas activadas (es decir, con energía cinética superior a la energía de activación), y con ello, el número de choques eficaces.
Influencia de las Concentraciones
En reacciones homogéneas (aquellas en que reactivos y productos están en la misma fase), un aumento de la concentración de los reactivos favorece la velocidad de la reacción, ya que al aumentar el número de partículas por unidad de volumen se produce un aumento del número de colisiones entre las partículas, siendo esta la primera condición para que las sustancias reaccionen. Ejemplo: La reacción de Zn con H2SO4 es más rápida a mayor concentración de H2SO4.
Influencia de la Naturaleza, Estado Físico y Grado de División de los Reactivos
Naturaleza de los Reactivos
Las reacciones que no implican un reajuste de enlaces suelen ser muy rápidas (reacciones entre iones). En cambio, las que requieren romper y formar enlaces suelen ser muy lentas. Hay otras reacciones que aparentemente parecen lentas y, sin embargo, no lo son; tal es el caso de la siguiente reacción: 5 Feà5 Fe. La explicación de que sea rápida es que transcurre a través de varios pasos mucho más simples, llamados reacciones elementales.
Estado Físico de los Reactivos
Las reacciones entre gases o entre sustancias disueltas suceden con mayor rapidez que si las sustancias están en estado sólido. En el primer caso es mayor el número de choques entre las moléculas, lo que favorece la velocidad de reacción.
Grado de División de los Reactivos
En las reacciones heterogéneas, los reactivos están en fases diferentes, por ejemplo, cuando un sólido reacciona con un líquido o con un gas. En este caso, la reacción solo tiene lugar en la superficie de contacto, por lo que la velocidad de reacción aumenta mucho al aumentar el área de dicha superficie. Por tanto, las reacciones pueden ser muy rápidas si los reactivos sólidos se encuentran finamente divididos.
Influencia de los Catalizadores
Los catalizadores son sustancias que aumentan la velocidad de reacción porque rebajan la energía de activación, consiguiendo que la reacción transcurra por un camino más fácil. Los catalizadores toman parte activa en la reacción, formando compuestos intermedios lábiles (capaces de transformarse en otros más estables), que se descomponen enseguida regenerando el catalizador, por lo que este no se consume. Además, no producen ninguna alteración química permanente en la reacción, ni tampoco alteran las funciones termodinámicas de la misma (ΔH y ΔG).
Tipos de Catalizadores:
- Homogéneos
- Heterogéneos
- Enzimas
Mecanismo de Reacción y Molecularidad
Mecanismo de Reacción y Reacciones Elementales
Muchas de las reacciones no se realizan como se indica en la ecuación química estequiométrica, sino que transcurren a través de varias etapas intermedias denominadas reacciones elementales, que representan el avance de la reacción global a nivel molecular. El conjunto de estas reacciones elementales recibe el nombre de mecanismo de la reacción.
Definición de Molecularidad
La molecularidad de una reacción o de cada etapa de un mecanismo es el número de especies químicas (moléculas, átomos o iones) que intervienen en la misma como reactivos.