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¿Cómo se puede aumentar la velocidad de una reacción química? Una forma sencilla podría ser añadiendo más reactivos al sistema. Eso es exactamente lo que propusieron los químicos Peter Waage y Cato Guldberg en 1864, bajo el nombre de ley de acción de masas. Esta ley supuso el nacimiento del campo de la cinética —el estudio de la velocidad de…
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Jetzt kostenlos anmelden¿Cómo se puede aumentar la velocidad de una reacción química? Una forma sencilla podría ser añadiendo más reactivos al sistema. Eso es exactamente lo que propusieron los químicos Peter Waage y Cato Guldberg en 1864, bajo el nombre de ley de acción de masas. Esta ley supuso el nacimiento del campo de la cinética —el estudio de la velocidad de reacción—.
La cinética química es una rama de la química física que trata de la velocidad de las reacciones químicas.
La ley de la acción de la masa afirma que la velocidad de una reacción es proporcional a la concentración de los reactivos. Aunque esto suele ser cierto, ahora sabemos que hay muchos otros factores que también afectan a la rapidez con la que reaccionan las sustancias.
Por ejemplo, consideremos la reacción entre el magnesio y el agua. Si pones el magnesio en agua, a temperatura ambiente, producirá poca cantidad de burbujas. Pero, combínalo con vapor y la reacción será mucho más vigorosa.
En este artículo, veremos por qué es así; además de otros conceptos importantes del campo de la cinética.
Como hemos definido anteriormente, la cinética química es una rama de la química que se ocupa de la velocidad de las reacciones.
La velocidad de reacción es una medida de la rapidez con la que se consumen los reactivos, o se forman los productos en una reacción química. En otras palabras, es el cambio en la concentración de reactivos o productos a lo largo del tiempo.
Algunas reacciones se producen con extrema rapidez. Los reactivos se agotan rápidamente y se forman muchos productos en un abrir y cerrar de ojos. Por esto, tienen una velocidad de reacción rápida. Sin embargo, otras reacciones son mucho más lentas.
Por ejemplo, la oxidación de un clavo de hierro puede durar años y años. El hierro — uno de los reactivos— se convierte gradualmente en óxido de hierro —el producto—.
Como el cambio en las concentraciones de reactivos y productos es gradual, decimos que este proceso tiene una velocidad de reacción lenta. La velocidad de reacción es, simplemente, una forma de medir la rapidez con la que una especie se convierte en otra.
Puedes medir la velocidad de reacción de varias maneras. Cualquier método es válido, siempre que midas el cambio en las cantidades de reactivos o productos.
Por ejemplo, puedes:
Para medir la velocidad de reacción, hay que poner en marcha la reacción.
Para calcular la velocidad de reacción, hay que encontrar el gradiente de esta curva (no te preocupes, más adelante te mostraremos cómo hacerlo).
Las unidades de la velocidad de reacción varían en función de lo que estés midiendo. Algunos ejemplos son: .
La cinética química y la velocidad de todas las reacciones se basan en una ley principal: el principio de la teoría de las colisiones. Es un concepto sencillo, pero de él podemos derivar muchos de los factores que afectan a la velocidad de reacción.
En primer lugar, definamos la teoría de las colisiones.
La teoría de las colisiones es una explicación de las velocidades de la mayoría de las reacciones. Propone dos puntos claves: las partículas deben colisionar con la orientación correcta y con la energía suficiente para que se produzca una reacción.
Las reacciones solo pueden producirse si dos partículas colisionan. Sin embargo, esto por sí solo no es suficiente. La teoría de las colisiones dicta que, para reaccionar, las partículas deben tener también la orientación correcta y la energía suficiente. ¿Qué significa esto?
Utilicemos como ejemplo la reacción entre el cloroetano y un ion hidróxido. Pueden reaccionar juntos para formar un alcohol. Este es un ejemplo de lo que llamamos Reacciones de Sustitución Nucleófila. Para que se produzca la reacción, el par de electrones solitarios del átomo de oxígeno deben colisionar con el átomo de carbono en el enlace C-Cl. No ocurrirá nada si, por ejemplo, el átomo de hidrógeno del ion hidróxido colisiona con el otro extremo de la cadena de etano. Las moléculas deben estar orientadas de la forma correcta para que se produzca la reacción.
Fig. 1: Las partículas deben colisionar con la orientación correcta para que se produzca una reacción.
La orientación no es el único requisito. Incluso si el ion hidróxido y la molécula de cloroetano colisionan con la orientación correcta, puede que no reaccionen. También necesitan tener suficiente energía. Esta energía se conoce como energía de activación.
La energía de activación es la cantidad mínima de energía necesaria para iniciar una reacción química. Toma el símbolo Ea.
Las reacciones necesitan cierta energía inicial para romper los enlaces de los reactivos. La ruptura de enlaces es un proceso endotérmico, lo que significa que requiere energía. La energía se libera cuando se forman los enlaces, para formar los productos.
En resumen, para que se produzca una reacción, primero las dos partículas tienen que chocar entre sí con la orientación correcta y con suficiente energía. Si, y solo si, cumplen todos estos criterios, se producirá una reacción. Llamamos colisión efectiva a una colisión que da lugar a una reacción.
La teoría de las colisiones nos dice que las partículas deben colisionar con la orientación correcta y con suficiente energía para que se produzca una reacción. Por tanto, para aumentar la velocidad de reacción, debemos cambiar alguno de las tres factores siguientes:
Podemos hacerlo de varias maneras.
El aumento de la superficie de un sólido aumenta la velocidad de reacción. Esto se debe a que hay más partículas expuestas en la superficie del sólido. Las partículas líquidas, acuosas o gaseosas pueden chocar con estas partículas sólidas expuestas, lo que provoca potencialmente una reacción. Por tanto, al aumentar la superficie, aumenta la frecuencia de las colisiones.
Al aumentar la concentración de una solución, aumenta la velocidad de reacción. Esto se debe a que hay un mayor número de partículas de soluto en un volumen determinado, lo que aumenta la frecuencia de las colisiones.
El aumento de la presión de un gas aumenta la velocidad de reacción. Al igual que el aumento de la concentración, aumenta el número de partículas en un volumen determinado y, por tanto, la frecuencia de las colisiones.
El incremento de la temperatura de una reacción aumenta la velocidad de reacción. Esto se debe a dos razones:
Añadir un catalizador aumenta la velocidad de reacción. Esto se debe a que los catalizadores proporcionan una vía de reacción alternativa con una energía de activación menor. Aunque no cambian la frecuencia de las colisiones, los catalizadores aumentan la proporción de colisiones efectivas.
Algunos catalizadores, como los metales de transición, forman enlaces temporales con los reactivos; los colocan en la forma correcta para garantizar que tengan la orientación necesaria y, por lo tanto, aumentar la proporción de colisiones efectivas.
Ahora que sabemos lo que es la cinética y hemos aprendido los factores que afectan a la velocidad de reacción, podemos centrar nuestra atención en los gráficos cinéticos. Hay varios tipos de gráficos que puedes encontrar en la cinética.
Vamos a ver tres, en particular:
Un diagrama de entalpía es un gráfico que muestra ciertas características de una reacción, como la energía inicial de los reactantes, la energía final de los productos y la energía de activación. Los diagramas de entalpía también se conocen como perfiles energéticos.
Fíjate en el siguiente gráfico: es un buen ejemplo de diagrama de entalpía para la formación de cloruro de sodio. En esta reacción, el sodio reacciona con el gas cloro para producir la sal cloruro de sodio.
El gráfico nos muestra algunas cosas importantes:
Veamos, ahora, un diagrama de entalpía para una reacción endotérmica. Un ejemplo es la reacción entre el carbonato de sodio y el ácido etanoico.
Observa lo siguiente:
Volvamos, ahora, a uno de los factores que afectan a la velocidad de reacción: la presencia de un catalizador. Los catalizadores reducen las necesidades de energía de activación de una reacción. ¿Cómo crees que cambian el diagrama de entalpía de la reacción?
Pues, generan que el pico sea más bajo. Recuerda que el pico representa la energía de activación. Por tanto, si la energía de activación es menor, la altura del pico también disminuirá. Puedes verlo en el siguiente gráfico:
El punto más alto del gráfico, en la parte superior del pico, se conoce como fase de transición. En este punto, todos los enlaces de los reactivos se han roto, pero no se han formado nuevos enlaces, y las moléculas y los átomos existen como intermedios inestables. La ruptura de enlaces es un proceso endotérmico, lo que significa que requiere energía, y para eso se utiliza la energía de activación.
Dirígete a Cambios de entalpía para explorar los diagramas de entalpía con más detalle
Otro tipo de gráfico que se encuentra en la cinética es la distribución de Maxwell-Boltzmann.
La distribución de Maxwell-Boltzmann es una función de probabilidad que muestra la distribución de energía entre las partículas de un gas ideal.
Las distintas partículas de un gas tienen distintos niveles de energía: algunas tienen mucha energía, mientras que otras solo tienen un poco. La mayoría tiene una cantidad media de energía. Podemos representar estos niveles de energía en una distribución de Maxwell-Boltzmann, un gráfico que muestra en el eje y el número de partículas y en el eje x la energía.
Con esto, obtenemos algo parecido a lo siguiente. Observarás que se han marcado tres puntos: la energía más probable, la energía media y la energía de activación.
¿Qué nos indica esto?
Puedes explorar más este tipo de gráficos en Distribución Maxwell-Boltzmann. También podrás ver cómo influyen en la distribución factores como la temperatura y la presencia de un catalizador.
Anteriormente en el artículo, hemos explorado cómo se mide la velocidad de reacción. Lo haces midiendo cómo cambia la cantidad de reactivos o productos a lo largo del tiempo. Ahora vamos a centrarnos en la representación gráfica de esta información.
Volvamos a nuestro ejemplo del carbonato sódico y el ácido etanoico:
Esto produce el gas dióxido de carbono, CO2. Por tanto, podemos medir el ritmo de la reacción midiendo el volumen de dióxido de carbono desprendido. Para ello, utilizamos una jeringa de gas, tomando lecturas a intervalos regulares de tiempo y registrándolas en una tabla.
A continuación, podemos representar estos puntos en un gráfico con el tiempo en el eje x, mientras que el volumen esta en el eje y. Lo ideal es que los puntos de datos muestren una curva.
Observa lo siguiente:
Recuerda que la velocidad de reacción es una medida de la rapidez con la que se consumen los reactivos o se forman los productos en una reacción química. Aquí hemos medido el volumen de un producto desprendido: CO2. Para calcular la velocidad global de reacción, dividimos el cambio de volumen entre el tiempo que tarda la reacción en terminar. Aquí, la reacción se detiene a los 80 segundos, después de lo cual no se produce más.
Por tanto, la velocidad global de reacción es :
Para encontrar las unidades de la velocidad de reacción, mira las unidades de las dos variables que estás midiendo. Aquí, estamos midiendo el volumen en cm3 y el tiempo en segundos (s). La ecuación de la velocidad de reacción es volumen ÷ tiempo. Si sustituimos las unidades en esta ecuación, obtenemos cm3 ÷ s = cm3 s-1.
A veces, puede que no quieras hallar la velocidad global de reacción, sino calcular la velocidad en un momento determinado. Para ello, dibuja una tangente a la curva en el momento deseado y calcula su gradiente.
Digamos que quieres encontrar la velocidad de reacción a los 10 segundos.
Aquí tienes un diagrama del cálculo para ayudarte a entender el proceso.
Ahora nos centraremos en las ecuaciones de la cinética química. Estas incluyen:
Las ecuaciones diferenciales son ecuaciones que contienen una variable y una o varias de sus derivadas.
Tomemos el reactivo A. Podemos representar su concentración mediante [A]. En términos matemáticos, su cambio de concentración es la derivada de [A]: . Pero, recordarás que la velocidad de reacción es solo el cambio en la cantidad de reactivos o productos. Por tanto, la derivada es simplemente una forma de representar la velocidad de reacción.
En cinética química, utilizamos ecuaciones diferenciales para demostrar la relación entre la velocidad de reacción, , y la concentración de A, [A], en un instante determinado. Un ejemplo de ecuación diferencial que debes conocer es la ecuación de velocidad.
La ecuación de velocidad de una reacción química es una ecuación que relaciona la velocidad de reacción con las concentraciones de las especies que intervienen en la reacción.
Ya hemos explorado cómo la concentración afecta a la velocidad de una reacción. Sin embargo, no siempre es tan sencillo: a veces, cambiar la concentración de un producto concreto tiene un pequeño efecto en la velocidad de una reacción; otras veces tiene un gran efecto; y, en ocasiones, no tiene ni siquiera efecto. La ecuación de velocidad relaciona las concentraciones de los reactivos con la velocidad de reacción mediante potencias (llamadas órdenes) y una constante de velocidad, k.
Suele tener la siguiente forma:
Las ecuaciones de velocidad son un tema de peso. Aprenderás más sobre él en Ecuaciones de velocidad.
Hemos visto que las unidades de la velocidad de reacción son. Si tenemos en cuenta la ecuación anterior, usaremos concentración; por lo tanto, las unidades de k dependerá del orden de la reacción. Por eso, podría ser (entre otros)
.
Sabemos que cambiar la concentración de algunas de las especies que intervienen en una reacción puede modificar la velocidad de reacción. ¿Pero, qué hay de los otros factores que afectan a la velocidad de reacción, como la temperatura? Todos ellos se combinan inteligentemente en la constante de velocidad, k. Sin embargo, k solo es constante si mantienes la temperatura y el catalizador iguales.
Esto se muestra en la ecuación de Arrhenius, que relaciona k con varios otros factores.
La ecuación de Arrhenius es una ecuación que proporciona una relación entre la constante de velocidad, la temperatura absoluta, la energía de activación y el factor pre-exponencial.
Este es el aspecto de la ecuación de Arrhenius:
En general, la expresión proporciona una aproximación de cuántas partículas de un gas cumplen la energía de activación de la reacción a una temperatura determinada. Utilizando esta ecuación, podemos ver claramente cómo el cambio de algunas de las condiciones modifica la velocidad de reacción.
Consulta la Ley de los gases ideales para saber más sobre este tema.
Por ejemplo, al aumentar la temperatura aumenta el valor de , el número de partículas que alcanzan o superan la energía de activación de la reacción. Esto, a su vez, hace que k sea mayor. La velocidad de reacción depende de k, por lo que, en general, la velocidad de reacción aumenta.
Este es otro tema complejp, y este artículo es solo una introducción a las maravillas de la ecuación de Arrhenius. Para una explicación más detallada, consulta la Ecuación de Arrhenius.
Puedes imaginar que el control de la velocidad de una reacción tiene muchos usos diferentes. Por ejemplo, puedes querer ralentizar la descomposición de un producto o aumentar la velocidad de una reacción industrial. Por tanto, la cinética química tiene muchas aplicaciones.
Entre ellas están:
La teoría de las colisiones es una explicación de la velocidad de muchas reacciones. Propone dos ideas clave: las partículas deben colisionar con la orientación correcta y con la energía suficiente para que se produzca una reacción.
La velocidad de reacción es el cambio en la concentración de reactivos o productos a lo largo del tiempo
Los factores que tenemos que tener en cuenta son: la superficie, la concentración, la presión, la temperatura y los catalizadores.
Existen diferentes maneras:
La cinética química es una rama de la química física que trata de la velocidad de las reacciones químicas.
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