Factores y Medición de la Rapidez de Reacción

La rapidez (o velocidad) de reacción se define por la rapidez de formación de productos y la rapidez de descomposición de reactivos. Esta rapidez no es constante y depende de varios factores, como la concentración de los reactivos, la presencia de un catalizador, la temperatura de reacción y el estado físico de los reactivos.

Uno de los factores más importantes es la concentración de los reactivos. Cuantas más partículas existan en un volumen determinado, mayor será el número de colisiones entre ellas por unidad de tiempo. Al principio de la reacción, cuando la concentración de reactivos es mayor, también es mayor la probabilidad de que ocurran colisiones efectivas entre las moléculas, resultando en una rapidez mayor. A medida que la reacción avanza, la concentración de los reactivos disminuye, lo que reduce la probabilidad de colisión y, con ello, la rapidez de la reacción.

La medición de la rapidez de reacción implica seguir la concentración de uno de los reactivos o productos a lo largo del tiempo. Es decir, para medir la rapidez de una reacción, necesitamos determinar la cantidad de reactivo que desaparece o la cantidad de producto que aparece por unidad de tiempo. La rapidez de reacción se mide en unidades de concentración/tiempo, comúnmente en moles por litro por segundo (mol/L·s).

Teorías que Explican la Rapidez de las Reacciones

La rapidez de las reacciones químicas puede ser explicada principalmente por dos teorías:

• Teoría de las Colisiones
• Teoría del Estado de Transición (o del complejo activado)

Teoría de las Colisiones

Propuesta por Max Trautz y William Lewis entre 1916 y 1918, esta teoría explica cualitativamente cómo ocurren las reacciones químicas y por qué sus velocidades difieren. Postula que las partículas de los reactivos deben colisionar para que una reacción ocurra. Sin embargo, solo una cierta fracción del total de colisiones tiene la energía y la orientación adecuadas para ser efectivas y causar la transformación de reactivos en productos. Solo las moléculas con energía suficiente y la orientación correcta en el momento del impacto pueden romper los enlaces existentes y formar nuevos. Cuantos más choques con energía y geometría adecuadas existan, mayor será la velocidad de la reacción.

Energía de activación (Ea): Es la cantidad mínima de energía necesaria para que se inicie una reacción química, permitiendo la ruptura y formación de enlaces.

Teoría del Estado de Transición

También conocida como teoría de las velocidades absolutas de reacción de Henry Eyring, esta teoría explica la velocidad de las reacciones químicas elementales. Asume la existencia de un tipo especial de equilibrio químico entre los reactivos y el complejo activado o estado de transición, una estructura intermedia inestable debido a su alta energía.

Complejo activado: Es una estructura molecular intermedia y transitoria que se forma durante la conversión de reactivos a productos.

El Papel de los Catalizadores en las Reacciones

Un catalizador es una sustancia química, simple o compuesta, que modifica la velocidad de una reacción química, interviniendo en ella pero sin formar parte de los productos finales, por lo que no se consume durante el proceso.

La catálisis es el proceso por el cual se aumenta o disminuye la velocidad de una reacción química. Los catalizadores pueden actuar de dos maneras: formando un compuesto intermedio o por adsorción en su superficie.

Según su efecto, se clasifican en:

• Catalizadores positivos o promotores: Aumentan la velocidad de la reacción.
• Catalizadores negativos o inhibidores: Reducen la velocidad de la reacción.
• Venenos catalíticos: Sustancias que desactivan la acción de un catalizador.

Principios del Equilibrio Químico

El equilibrio químico es un estado dinámico de un sistema reaccionante en el que no se observan cambios macroscópicos en las concentraciones de reactivos y productos a medida que transcurre el tiempo. Para una reacción reversible genérica:

aA + bB ⇌ cC + dD

Se define la constante de equilibrio (Kc) como el producto de las concentraciones molares en el equilibrio de los productos, elevadas a sus respectivos coeficientes estequiométricos, dividido por el producto de las concentraciones de los reactivos en el equilibrio, elevadas a sus respectivos coeficientes estequiométricos. Esta constante es específica para cada temperatura.

Factores que Afectan el Equilibrio: Principio de Le Chatelier

Existen diversos factores capaces de modificar el estado de equilibrio en un proceso químico, como la temperatura, la presión y la concentración. La influencia de estos factores se puede predecir cualitativamente mediante el Principio de Le Chatelier:

«Si en un sistema en equilibrio se modifica alguno de los factores que influyen en el mismo (temperatura, presión o concentración), el sistema evoluciona de forma que se desplaza en el sentido que tienda a contrarrestar dicha variación».

• Efecto de la temperatura: Si una vez alcanzado el equilibrio se aumenta la temperatura, el sistema se desplazará en el sentido que absorba calor, es decir, en el sentido de la reacción endotérmica.
• Efecto de la presión: Si se aumenta la presión en un sistema gaseoso, el equilibrio se desplazará hacia donde exista el menor número de moles de gas para contrarrestar el aumento de presión.
• Efecto de las concentraciones: Un aumento en la concentración de un reactivo desplazará el equilibrio hacia la formación de productos. Un aumento en la concentración de un producto lo desplazará hacia la formación de reactivos.

Tipos de Reacciones según el Calor

• Reacción Endotérmica: Es aquella en la cual hay absorción de calor del entorno (+ΔH).
• Reacción Exotérmica: Es aquella donde se desprende calor hacia el entorno (-ΔH).

Ejercicios de Aplicación

Ejercicio 1

Se tiene en equilibrio ácido bromhídrico (HBr), bromo (Br₂) e hidrógeno (H₂) gaseosos, en un recipiente de 10 litros a una temperatura de 300 K. Calcular la constante de equilibrio (Kc), si las cantidades de las especies presentes son: 0,4 moles de HBr, 0,8 moles de H₂ y 0,8 moles de Br₂.

Reacción: 2HBr(g) ⇌ H₂(g) + Br₂(g)

Ejercicio 2

En un recipiente de 1 litro de capacidad se colocan 10 gramos de NO y 20 gramos de NO₂ a una temperatura de 25 °C. Sabiendo que la constante de equilibrio (Kc) es 8,42×10⁻², calcule la concentración de N₂O₃ en el equilibrio.

Reacción: NO(g) + NO₂(g) ⇌ N₂O₃(g)

Nota de Interés

Los catalizadores poseen una importancia fundamental en innumerables procesos industriales y biológicos (enzimas). Se recomienda investigar sus aplicaciones específicas para comprender su impacto en la ciencia y la tecnología.