La maltasa, la amilasa, la proteasa y la lipasa son ejemplos de enzimas digestivas. Estas son las responsables de convertir esa jugosa hamburguesa que te has comido en el almuerzo —cubierta de queso, con lechuga y metida dentro de un pan— en pequeñas moléculas que pueden ser utilizadas por el cuerpo. En teoría, podríamos digerir nuestra comida sin enzimas. Sin embargo, esto llevaría mucho tiempo y morirías de inanición antes de que tu cuerpo pudiera obtener los nutrientes que necesita. Por tanto, las enzimas son grandes ejemplos de cómo podemos aumentar la velocidad de una reacción.
La velocidad de reacción es la 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.
- Los factores que afectan a la velocidad de reacción son variables que podemos manipular para acelerar o ralentizar las reacciones.
- Con este artículo, aprenderás a aumentar la velocidad de reacción en química:
- Para empezar, verás qué es realmente la velocidad de reacción y estudiarás brevemente cómo se mide.
- A continuación, explorarás diferentes factores que afectan a la velocidad de reacción, como la temperatura, la concentración, la superficie, y la presión.
- Por último, comprenderás el efecto que tiene la presencia de un catalizador en la velocidad de reacción.
¿Qué es la velocidad de reacción química?
La velocidad de reacción química es una medida de la rapidez con la que se consumen los reactivos o se forman los productos en una reacción química. También se puede enternder como un cambio de concentración de reactivos o productos en comparación con el tiempo.
Las unidades de la velocidad de reacción varían, pero suelen ser mol·L-1·s-1, g·s-1 o cm3s-1.
Medir la velocidad de reacción
Hay varias formas de medir la velocidad de una reacción. Estas dependen de los productos y reactivos que intervienen en la reacción.
Por ejemplo:
- Si tus reactivos son sólidos, líquidos o acuosos y uno de tus productos es un gas, puedes dejar que el gas salga del recipiente de reacción y medir el cambio de masa del recipiente.
- También puedes convertir el recipiente de la reacción en un sistema cerrado, colocando una jeringa de gas, y captando y midiendo el volumen de gas desprendido.
- Si uno de tus productos es un precipitado que forma una suspensión turbia, podrías medir la luz que atraviesa la solución.
- También puedes medir un cambio en el pH.
Para cada uno de estos métodos, se realizan mediciones a intervalos de tiempo regulares, hasta que la reacción se complete. A continuación, puedes pasar a representar gráficamente la velocidad de tu reacción.
Gráfica de la velocidad de reacción
Una vez hechas las mediciones, puedes dibujar una gráfica y utilizarla para averiguar la velocidad de la reacción en un periodo determinado. Este tipo de gráficas suelen tener la forma de una curva.
Aquí tienes un ejemplo que mide el volumen de gas desprendido en una reacción:
Fig. 1 - Gráfico que muestra cómo cambia el volumen desprendido de gas con el tiempo en una reacción.
- La curva es inicialmente empinada. Esto significa que el volumen de gas desprendido cambia rápidamente. Por lo tanto, la velocidad de reacción inicial, también, es muy rápida.
- A continuación, la curva se nivela. Esto significa que el ritmo de la reacción se ralentiza. Cuando se agotan todos los reactivos, la reacción acaba por detenerse.
Ahora, si medimos el cambio de masa, el gráfico tiene un aspecto ligeramente diferente: la curva empieza alta y luego baja. Esto se debe a que la masa disminuye a medida que algunos de los reactivos se convierten en productos gaseosos y abandonan el sistema.
Fig. 2 - Gráfico que muestra cómo cambia la masa con el tiempo en una reacción.
Para medir la velocidad global de reacción, hay que dividir el cambio de lo que estabas midiendo —ya sea masa o volumen— por el tiempo que tarda la reacción. Para encontrar la velocidad de reacción en un punto concreto, tienes que trazar una tangente a la curva y calcular su gradiente.
¿Qué causa una reacción?
Si has leído la teoría de colisiones, sabrás que para reaccionar, las partículas tienen que colisionar con la orientación correcta y con la energía suficiente. 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 \(E_a \).
La reacción entre dos partículas es como un proceso de tres pasos, en los que tenemos que hacernos varias preguntas:
- En primer lugar, ¿colisionan?
- En segundo lugar, ¿se orientan de forma correcta?
- En tercer lugar, ¿tienen suficiente energía?
Si la respuesta es “no” en cualquiera de las fases del proceso, la reacción no se producirá; así de sencillo.
¿Cuáles son los factores que influyen en la velocidad de reacción?
Los factores que influyen en la velocidad de reacción son:
- La temperatura.
- La concentración.
- La presión.
- La naturaleza de los reactivos y área superficial.
- La presencia de un catalizador.
Los factores que afectan la velocidad de la reacción son los que afectan la frecuencia o la velocidad de las colisiones y la energía de las partículas. Cualquier factor que afecte a estas dos variables afectará a la velocidad de reacción.
Para reaccionar, las partículas tienen que colisionar con la orientación correcta y con la energía suficiente. Como están en constante movimiento, no podemos controlar realmente su orientación, pero hay algunos factores que si pueden afectar la velocidad de la reacción.
¿Cómo afecta la temperatura a la velocidad de reacción?
Cuando calentamos un sistema, le suministramos energía. Esta energía se transfiere a las partículas del interior del sistema; una parte se transfiere como energía cinética. Esto significa que las partículas se mueven más rápido; en consecuencia, chocan con más frecuencia, por lo que aumenta la tasa de colisiones. Esto, a su vez, aumenta la velocidad de reacción.
Sin embargo, calentar una mezcla tiene otro efecto aún más importante que el aumento de la tasa de colisiones. Como las partículas tienen más energía —en promedio—, más de ellas alcanzan o superan la energía de activación necesaria para una determinada reacción. Esto significa que hay una mayor probabilidad de que las partículas reaccionen al colisionar; es decir, aumenta la posibilidad de que la colisión tenga éxito.
La concentración de los reactivos
Al examinar el efecto de la concentración sobre la velocidad de reacción, es útil definir qué es realmente la concentración.
La concentración es la cantidad de una sustancia en un volumen determinado.
Por lo tanto: si subimos la concentración de una solución, aumentamos el número de partículas de soluto en un volumen determinado. Esto significa que hay una mayor probabilidad de colisión entre una molécula de soluto y otro reactivo: la frecuencia de las colisiones aumenta. Normalmente, lo hacemos añadiendo más soluto y quitando algo de disolvente, pues esto mantiene constante el volumen total.
Fig. 4 - Aumentar la concentración de una solución aumenta la velocidad de reacción
Incrementar la concentración de una solución también aumenta la velocidad de reacción, si uno de los reactivos es un sólido. Sigue habiendo una mayor probabilidad de que una partícula de soluto colisione y reaccione con el sólido, como se muestra a continuación:
Fig. 5 - Aumentar la concentración también aumenta la velocidad de reacción si uno de los reactivos es sólido.
En realidad, el aumento de la concentración de algunos reactivos no siempre provoca un aumento en la velocidad de reacción. Todo depende del orden de reacción para cada especie concreta:
- Para algunas especies, cuando duplicas su concentración, duplicas la velocidad de reacción.
- Para otras, al duplicar su concentración, se cuadruplica la velocidad de reacción.
- Pero, también existen algunos reactivos para los cuales duplicar su concentración no tiene ningún efecto sobre la velocidad.
¿Cómo afecta la presión a la velocidad de reacción?
Aumentar la presión de un gas tiene prácticamente el mismo efecto que aumentar la concentración de una solución. En los gases, la presión, el volumen y el número de partículas están directamente relacionados. Por tanto, si quieres aumentar la presión de un gas, pero mantener su número de partículas igual, debes disminuir el volumen. Esto da lugar a una mayor concentración de partículas gaseosas y aumenta la velocidad de reacción.
Fig. 6 - Aumentar la presión de un gas aumenta la velocidad de reacción.
La presión, el volumen, el número de moles y la temperatura de un gas están relacionados por algo que se llama la constante de los gases (R). Puedes leer más sobre ella en Ley de los gases ideales.
¿Cómo afecta la naturaleza de los reactivos y el área superficial a la velocidad de reacción?
El estado físico de los reactivos (sólido, líquido o gaseoso) tiene un efecto importante en la velocidad de reacción. Cuando los reactivos se encuentran en diferentes fases (por ejemplo: uno es sólido y otro es gaseoso), la velocidad de reacción estará limitada por el área superficial de las fases que están en contacto.
Disolver una pastilla sólida en un vaso de agua puede llevar mucho tiempo. Pero, si la trituras hasta convertirla en un polvo fino, se disuelve mucho más rápidamente.
Esto se debe a que tiene una mayor área superficial y hay más moléculas expuestas en su superficie. Solo las moléculas en la superficie de un sólido pueden colisionar y reaccionar con otras partículas, por lo que el aumento de su área superficial aumenta la velocidad de reacción.
Fig. 7 - Aumentar el área superficial de un sólido aumenta la velocidad de reacción.
El aumento del área superficial de un sólido solo influye en la velocidad de reacción si el sólido reacciona con un líquido, un gas o una solución acuosa; es decir, si los reactivos se encuentran en diferentes fases. Además, el aumento del área superficial de un catalizador sólido también puede aumentar la velocidad de reacción. A continuación estudiaremos el efecto de los catalizadores.
Los catalizadores
El último factor que analizaremos es la presencia de un catalizador.
Un catalizador es una sustancia que aumenta la velocidad de una reacción sin modificarse químicamente en el proceso.
Los catalizadores no afectan a las energías individuales de las partículas en sí, ni a la frecuencia con la que chocan. En cambio, sí actúan disminuyendo los requisitos de energía de activación de una reacción. Así, en promedio, más partículas alcanzan o superan la energía de activación, por lo que hay más posibilidades de que se produzca una colisión con éxito. Esto trae como consecuencia un aumento en la velocidad de reacción.
Hay varias teorías sobre el funcionamiento de los catalizadores. La primera examina los estados de transición, y la segunda se centra en la adsorción.
Todas las reacciones tienen un estado de transición. Se trata del punto en medio de la reacción con el nivel de energía más alto, en el que se han roto algunos de los enlaces, pero no se han formado todos los enlaces nuevos. El estado de transición suele contener intermediarios, que son moléculas que se crean a partir de los reactivos y que, a su vez, reaccionan para formar los productos. Los intermediarios solo existen durante una fracción de segundo. Para eso se utiliza la energía de activación: para generar estas moléculas intermediarias.
La teoría catalítica más común es que los catalizadores responden con algunos de los reactivos para formar intermediarios más estables que aquellos en la reacción original; esto requiere menos energía. Los intermediarios, entonces, reaccionan para formar los productos de la reacción, lo que regenera el catalizador en el proceso. Esta creación de productos intermediarios más estables suele ocurrir cuando se emplean catalizadores homogéneos.
Por ejemplo, el reactivo AB puede reaccionar con el catalizador X para formar los intermediarios AX y B. A continuación, AX reacciona con el reactivo C para formar AC y X. X se anula en cada lado de la ecuación. En total, has producido AC y B, y has regenerado el catalizador en el proceso. La ecuación se muestran a continuación:
$$\begin {align} AB+\cancel {X} &\rightarrow \cancel {AX}+B \\ \cancel {AX}+C &\rightarrow AC+ \cancel {X} \\ \hline \text{Suma:}\ AB+C &\xrightarrow{X} AC+B \end{align} $$
Otra idea es que las partículas reactivas forman enlaces débiles, con la superficie del catalizador, que las mantienen en su sitio con la orientación adecuada. Esto significa que hay una mayor probabilidad de que las partículas reaccionen cuando chocan entre sí.
El proceso de unión al catalizador se llama adsorción.
La adsorción también puede debilitar los enlaces que se encuentran en los reactivos, lo que genera su ruptura.
Entonces, los nuevos productos se desprenden del catalizador; esto se conoce como desorción.
La adsorción y la desorción se producen con mayor frecuencia cuando se utilizan catalizadores heterogéneos.
Las enzimas son catalizadores biológicos. Funcionan en el interior de los organismos vivos, acelerando las reacciones químicas sin agotarse en el proceso. De nuevo, lo hacen reduciendo la energía de activación de una reacción.
Algunos ejemplos comunes de enzimas son:
- Las enzimas digestivas que vimos al principio del artículo.
- La lisozima: es una enzima que se encuentra en la saliva y las lágrimas y que ayuda a matar a los patógenos.
- La alcohol-deshidrogenasa: es una enzima que se encuentra en el hígado y que descompone el etanol en etanal.
- El PSI y el PSII: son importantes complejos enzimáticos que participan en la fotosíntesis.
Factores que afectan a la velocidad de reacción - Puntos clave
- 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.
- Podemos medir la velocidad de reacción midiendo el cambio de masa, el cambio de pH o la producción de un gas.
- El aumento de la temperatura de un sistema proporciona a las partículas más energía. Esto incrementa la velocidad de reacción, al aumentar tanto la frecuencia de las colisiones como la proporción de colisiones exitosas.
- El aumento de la concentración de una solución o de la presión de un gas incrementa la velocidad de reacción al subir la frecuencia de las colisiones. Esto se debe a que hay más partículas en un volumen determinado.
- El aumento del área superficial de un sólido incrementa la velocidad de reacción. Esto se debe a que hay más partículas expuestas al líquido o gas circundante.
- Añadir un catalizador aumenta la velocidad de reacción. Esto se debe a que los catalizadores reducen la energía de activación necesaria para una reacción.
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