En su canción “Los diamantes son el mejor amigo de una chica”, Marilyn Monroe declara “estas rocas no pierden su forma”. Sin embargo, por desgracia para todos los amigos de los diamantes, algún día estos dejarán de existir: Todos los diamantes del planeta volverán a convertirse en grafito y desaparecerán de todas las joyas. Pero, no te preocupes, ¡esto no ocurrirá sino hasta dentro de miles de millones de años!
Este fenómeno tardará mucho tiempo porque, aunque la reacción está favorecida termodinámicamente, se encuentra limitada por su cinética. Pero, ¿cómo calculamos la velocidad de una reacción y cómo llegamos a saber qué la afecta? Acompáñanos a aprender sobre las velocidades de reacción, a tiempo para que comprendas cómo un diamante se convierte lentamente en grafito.
- Hoy estudiaremos las velocidades de reacción.
- Primero, veremos qué es la velocidad de reacción y qué ramas de la química están implícitas en su cálculo.
- A continuación, revisaremos la fórmula de la velocidad de reacción y sus unidades.
- Después, realizaremos juntos algunos cálculos de la velocidad de reacción, para que practiques un poco.
- Finalmente, ahondaremos en algunos de los más importantes factores que afectan la velocidad de reacción: el estado físico, la concentración, la temperatura y los catalizadores.
¿Qué es la velocidad de reacción?
La velocidad de reacción es la rapidez con la que una reacción química ocurre; es decir, la cantidad de reactivos que se consumen o productos que se forman por unidad de tiempo. También, se puede expresar como la disminución de la concentración de un reactivo o el aumento de la concentración de un producto en función del tiempo.
La velocidad de reacción depende de diversos factores, tales como la concentración de los reactivos, la temperatura, la presión, la superficie de contacto, la presencia de catalizadores, entre otros.
Cuando analizamos la velocidad de una reacción, hay implícitas dos ramas de la química: La termodinámica y la cinética.
La termodinámica estudia las transferencias de calor y energía en procesos físicos y químicos, y cómo estos afectan a las propiedades macroscópicas de los sistemas.
La cinética estudia la velocidad de las reacciones químicas (o rapidez y eficiencia) y los mecanismos subyacentes a esta.
De acuerdo con esto:
- La termodinámica nos brinda información sobre condiciones en las cuales una reacción se lleva a cabo.
- La cinética nos permite calcular la velocidad con la que ocurre la reacción e identificar los factores que pueden influir en dicha velocidad.
El ejemplo del diamante expone claramente uno de dos posibles escenarios (opuestos):
- Si la velocidad de una reacción química es muy baja, es posible que no podamos observar si se está produciendo algún cambio, ya que los cambios serán demasiado sutiles para ser detectados.
- A la inversa, si una reacción química tiene una velocidad muy alta, es posible que el proceso sea demasiado rápido para que podamos seguirlo o medirlo adecuadamente (al menos, a simple vista).
Las reacciones iónicas, por ejemplo, son tan rápidas que deben observarse con equipos especiales, como los espectrómetros. Estos aparatos utilizan la luz para detectar cambios en una muestra.
Algunas reacciones son más rápidas que 1,0 x 10-12 s, ¡lo que equivale a 0,000000000001 segundos!
Ya conociendo las rápidas y lentas, sigue preguntarse ¿cómo se calcula la velocidad? Afortunadamente, el cálculo de la velocidad es sencillo.
Fórmula de la velocidad de reacción
La fórmula de la velocidad de reacción es una expresión de los cambios en las concentraciones en los tiempos, t1 y t2.
Pues bien, vamos a visualizar cómo es la fórmula de la velocidad de reacción con la siguiente reacción:
$$H_{2(g)}+I_{2(g)}\rightarrow 2HI_{(g)}$$
En una reacción que procede de izquierda a derecha, los reactivos se consumen para formar los productos:
$$velocidad=-\frac {\Delta [H_2]}{\Delta t}=-\frac {[H_2]_{t_2}-[H_2]_{t_1}}{t_2-t_1}$$
- El signo negativo en la expresión representa la disminución en la concentración del reactivo porque, a medida que avanza la reacción, los reactivos desaparecen.
- La concentración de los productos irá aumentando a medida que avance la reacción. Por tanto, la expresión de la velocidad de losproductos será positiva.
Para que la velocidad sea la misma para cada especie, hay que dividir cada especie por su coeficiente estequiométrico:
$$-\frac {\Delta [H_2]}{\Delta t}=-\frac {\Delta [I_2]}{\Delta t}=\frac {1}{2} \frac {\Delta [HI]}{\Delta t}$$
También podemos calcular la velocidad instantánea de reacción. Sin embargo, esto se hace después de construir un gráfico de la velocidad de reacción a lo largo de un intervalo de tiempo determinado. Este cálculo se realiza utilizando el coeficiente estequiométrico y la pendiente de la recta tangente en un momento determinado.
En química, una especie se refiere a cualquier tipo de átomo, ion, molécula o compuesto químico que se esté estudiando.
Para proporcionar una fórmula general de la reacción global, utilizaremos esta fórmula general de reacción:
$$aA+bB\rightarrow cC+dD$$
- Donde: a, b, c, y d, son todos coeficientes estequiométricos; y A, B, C, y D son las especies químicas.
Se pueden aplicar a una fórmula general de reacción, de la siguiente manera:
$$velocidad=-\frac {1}{a} \frac {\Delta [A]}{\Delta t}=-\frac {1}{b} \frac {\Delta [B]}{\Delta t}=+\frac {1}{c} \frac {\Delta [C]}{\Delta t}=+\frac {1}{d} \frac {\Delta [D]}{\Delta t}$$
La fórmula muestra cómo con la concentración de una especie se puede determinar la concentración de cualquier otra, dado un intervalo de tiempo determinado, gracias a los coeficientes estequiométricos. Así, conociendo la ecuación química equilibrada, puedes calcular la concentración de cualquier especie.
Unidades de la velocidad de reacción
las unidades de la velocidad de reacción dependerán de la forma en la que se exprese la concentración de los reactivos y productos. La unidad más común para la velocidad de reacción en solución es moles por litro por segundo o \(mol\ L^{-1}\ s^{-1}\).
\(mol\ L^{-1}\ s^{-1}\) indica los moles de reactante consumido o productos formados por unidad de tiempo.
Si alguna vez estás confundido sobre las unidades que pueden usarse para la velocidad de reacción, te será útil mirar la fórmula: en ella, la concentración se divide por el tiempo. En realidad, se trata de un cambio en la concentración sobre un cambio en el tiempo. Y ¿cómo afecta esto a las unidades de la velocidad? Pues, no lo hace.
Mira este ejemplo para hacerte una mejor idea (ten en cuenta que el cálculo que sigue solo implica un análisis dimensional):
$$\begin {align} velocidad&=\frac {\Delta Conc.}{\Delta t} \\ velocidad&=\frac {C_{final}-C_{inicial}}{t_{final}-t_{inicial}} \\ velocidad&=\frac {mol\ L_{final}^{-1}-mol\ L_{inicial}^{-1}}{s_{final}-s_{inicial}} \\ velocidad&=\frac {mol\ L^{-1}} {s} \\ velocidad&=mol\ L^{-1}\ s^{-1} \end {align}$$
Las unidades de la velocidad de reacción suelen ser \(mol\ L^{-1}\ s^{-1}\), pero puede que las veas escritas con otras unidades. Aunque, probablemente casi siempre verás la velocidad de reacción expresada en las anteriormente mencionadas.
Ejemplos de cálculo de la velocidad de reacción
Ahora que ya conocemos la fórmula general de la velocidad de reacción, podemos hacer un ejercicio de cálculo al respecto:
Utiliza la siguiente ecuación equilibrada para determinar la velocidad media de reacción:
$$H_2O_{2(aq)}+3I^{-}_{(aq)}+2H^{+}_{(aq)} \rightarrow I_{3(aq)}^{-}+2H_2O_{(l)}$$
En los primeros 10,0 segundos, la concentración de I- disminuyó de 1,000 mol L-1 a 0,868 mol L-1.
Solución:
Así pues, conocemos la concentración y el intervalo de tiempo de I-. Entonces, podemos introducirlo en nuestra ecuación de velocidad, para determinar la velocidad de reacción.
$$\begin {align} velocidad&=-\frac {1}{3} \frac {\Delta [I^-]}{\Delta t} \\ &= - \frac {1}{3}\frac {(0,868\ mol\ L^{-1}-1,000\ mol\ L^{-1})}{(10,0\ s-0,00\ s)} \\ &=-\frac {1}{3}\frac {(-0,132\ mol\ L^{-1})}{(10,0\ s)} \\ velocidad &=4,40\times 10^{-3}\ mol\ L^{-1}s^{-1} \end {align}$$
Ahora que tenemos nuestra velocidad, ¿qué ocurre si queremos averiguar la concentración de algún otro participante en la reacción? Intentemos calcular la velocidad de cambio del H+ durante los 10 primeros segundos:
$$\begin {align} velocidad&=-\frac {1}{2} \frac {\Delta [H^+]}{\Delta t} \\ -2(velocidad)&=\frac {\Delta [H^+]}{\Delta t} \\ \frac {\Delta [H^+]}{\Delta t}&=-2(4,40\times 10^{-3}\ mol\ L^{-1}\ s^{-1}) \\ \frac {\Delta [H^+]}{\Delta t}&=-8,80 \times 10^{-3}\ mol\ L^{-1}\ s^{-1} \end {align}$$
En el ejemplo anterior, no se te da la concentración inicial de H+, así que lo único que puedes hacer es calcular la velocidad de cambio de los cationes de hidrógeno. Como ejercicio, intenta calcular la velocidad de cambio de las demás especies. ¿Qué tendencias observas al calcular la velocidad de cambio de los productos?
Factores que afectan la velocidad de reacción
La velocidad de reacción es algo que puede variar mucho en diferentes condiciones. Hay numerosos factores que afectan a la velocidad de reacción, pero solo hablaremos de los principales:
Estado físico de los reactivos
El estado físico de los reactivos se refiere a la fase en que se encuentran: sólido, líquido o gas.
Como sabes, las moléculas gaseosas se difunden rápidamente, mientras que las sólidas simplemente vibran. Esto significa que si una molécula se mueve mucho, tiene más posibilidades de entrar en contacto con algo con lo que reaccionará. Esto se puede observar al evaluar las reacciones homogéneas frente a las heterogéneas.
Una reacción homogénea es aquella en la que los reactivos se encuentran en el mismo estado físico.
Una reacción heterogénea es aquella en donde los reactivos se encuentran en diferentes estados físicos (como un sólido y un líquido, por ejemplo).
Las reacciones heterogéneas suelen estar limitadas por la cantidad de superficie del sólido, que influye mucho en la velocidad.
La relación superficie/volumen de un sólido disminuirá al aumentar el tamaño del trozo. Esto significa que hay más moléculas en el núcleo del trozo que en la superficie. Las que están en el núcleo están rodeadas por las mismas moléculas y no reaccionan con nada. Las reacciones que se produzcan tendrán lugar en la superficie del trozo sólido. Si partes el trozo por la mitad, expones innumerables moléculas a la superficie, lo que hace que el área superficial aumente.
Fig. 1: Aumentar el área superficial de un sólido incrementa la velocidad de reacción.
Temperatura del sistema
La temperatura es otro factor que afecta a la velocidad de reacción. Normalmente, al aumentar la temperatura aumentará la velocidad a la que se produce una reacción. Esto se debe a que los reactivos tienen una energía mayor. Cuando chocan entre sí, el aumento de energía significa que es más fácil superar la energía de activación necesaria para reaccionar.
La temperatura del sistema se refiere a la medida de la energía cinética promedio de las partículas en un sistema; es decir, la medida de la agitación térmica de las moléculas
Concentración de los reactivos (primer orden)
La concentración de los reactivos es la cantidad de una sustancia presente en una unidad de volumen o masa de una solución o mezcla.
Que la concentración afecte la velocidad de reacción puede haber resultado obvio, puesto que esta es una de las variables de nuestra expresión de la velocidad. Pero es importante comprender por qué importa la concentración.
Veámoslo con un ejemplo:
Si añadieras un grano de sal y una gota de agua en un cubo, ¿se disolvería la sal?
- Bueno, en realidad, depende de dónde las hayas colocado en el cubo. Quizá si lo movieras lo suficiente, o colocaras cada uno estratégicamente, podrías conseguir que interaccionaran.
¿Y si añadieras 1 kg de sal y 1 L de agua?
- Pues que es mucho más probable que interaccionaran entre sí.
Por eso importa la concentración, a la hora de determinar la velocidad: Si en una solución hay más cantidad de un reactivo, significa que hay más posibilidades de que entre en contacto con algo con lo que va a reaccionar.
Fig. 2: Aumentar la concentración de una solución incrementa la velocidad de reacción.
Cuando trabajas en el laboratorio, determinar las concentraciones iniciales es muy relevante. Esto se debe a que algunas reacciones no se producen si las concentraciones son demasiado bajas. No es porque sean termodinámicamente desfavorables; simplemente, no se producen porque son demasiado lentas para reaccionar. En realidad, algunas reaccionarán, pero tan poco que no lo observamos realmente.
El efecto explicado anteriormente se cumple solo para reacciones de primer orden, o superior.
¿Qué es el orden de una reacción?
El orden de una reacción es la relación entre la concentración de un reactivo o reactivos y la velocidad. La relación puede ser lineal, cuadrática, o puede no existir.
Definamos, ahora, lo que es una reacción de primer orden:
Una reacción de primer orden es una reacción en la que la velocidad depende de la concentración de un solo reactivo. Por ello, también se denomina reacción unimolecular.
La ecuación de velocidad para este tipo de reacción es:$$velocidad=k[A]$$Donde \(k\) es la constante de velocidad (constante que muestra la proporción entre concentración y velocidad) y \([A]\) es la concentración del reactivo A.
Estas relaciones matemáticas se explicarán con más detalle en otros artículos relacionados con las leyes de la velocidad.
Catalizadores
Los catalizadores son sustancias que aumentan la velocidad de las reacciones químicas sin ser consumidas en el proceso.
Funciona disminuyendo la energía de activación necesaria para que se produzca la reacción, lo que permite que la reacción ocurra más rápidamente y con mayor eficiencia.
Los catalizadores son imprescindibles para que se produzcan algunas reacciones, lo que los hace sustancias esenciales para que la vida en la Tierra sea posible. Sin los catalizadores, los procesos biológicos se producirían con demasiada lentitud, y la vida no sería posible.
La imagen a continuación muestra el efecto de un catalizador sobre la energía de activación de una reacción, lo que explica cómo aceleran una reacción química:
Fig. 3: Diagrama de perfil de energía de una reacción catalizada y una reacción sin catalizar.
Muchos de los catalizadores artificiales, diseñados por los científicos, se basan en las enzimas que se encuentran en el organismo. La vida en este planeta ha evolucionado durante miles de millones de años. Eso significa que hay una enzima detrás de cada uno de los procesos biológicos de toda la vida en la Tierra. Esto proporciona unos planos excelentes que los científicos pueden utilizar para crear catalizadores en el laboratorio.
Gracias a esto, los científicos han producido algunos catalizadores innovadores que permiten que la vida humana continúe. Sin embargo, siguen estando por debajo de lo que puede conseguir la naturaleza. Aunque nos esforzamos por igualarla, ¡la naturaleza demuestra constantemente que es más inteligente que nosotros!
Hemos enumerado algunos factores diferentes que afectan a la velocidad de reacción, pero aún hay muchos más que no hemos en los que no nos hemos detenido. La cinética es un campo muy diverso, con numerosas vías que explorar. Aquí hemos tratado un breve resumen de las velocidades y de cómo calcular la velocidad de reacción para ecuaciones de reacción sencillas. Esto se complica rápidamente al considerar las expresiones de velocidad integradas y la ley de la velocidad.
Dejaremos este tema para otro artículo, así que no dejes de consultarlo. Hasta entonces, intenta observar la cinética y las velocidades de reacción en la vida cotidiana.
¿Qué es la teoría del estado de transición?
La teoría del estado de transición se utiliza para describir las reacciones químicas y otros procesos en los que se producen la ruptura y la formación de enlaces químicos.
Cuando se está llevando a cabo una reacción química, los reactivos tienen que pasar por una etapa intermedia antes de pasar de ser reactivos a ser productos, llamado estado de transición. Durante esta etapa, los enlaces entre los átomos se rompen y se forman nuevos enlaces. En esta etapa se crea una estructura de transición en la que la energía de la molécula es más alta que la de los reactivos o la de los productos; es el punto máximo de energía de la reacción.
Esta teoría se utiliza para describir cómo es la cinética de las reacciones químicas puesto que las velocidades de las reacciones dependen de la energía que necesitan para alcanzar el estado de transición. También puede ser aplicada en el ámbito de la catálisis, ya que los catálisis aceleran las reacciones químicas mediante la reducción de la energía de transición, por lo que el estado de transición se alcanzará antes.
La próxima vez que añadas azúcar al café o sal al agua, pregúntate: ¿Por qué se disuelve esto más rápido? Con tus nuevos conocimientos sobre cinética, sin duda te responderás con mayor velocidad.
Velocidad de Reacción - Puntos clave
- La velocidad de reacción es la rapidez con la que una reacción química ocurre; es decir, la cantidad de reactivos que se consumen o productos que se forman por unidad de tiempo.
- La ecuación para la velocidad en la reacción general \(aA+bB\rightarrow cC+dD\) es la siguiente: $$velocidad=-\frac {1}{a} \frac {\Delta [A]}{\Delta t}=-\frac {1}{b} \frac {\Delta [B]}{\Delta t}=+\frac {1}{c} \frac {\Delta [C]}{\Delta t}=+\frac {1}{d} \frac {\Delta [D]}{\Delta t}$$
- A medida que avanza la reacción, los reactivos disminuyen y los productos aumentan. Esto se observa en la ecuación de velocidad con los reactantes de signo negativo y los productos de signo positivo.
- A medida que se produce una reacción, la velocidad disminuirá en relación directa con la disminución de los reactantes. Por tanto, la velocidad de reacción será diferente en función del intervalo de tiempo dado.
- Algunos de los más importantes factores que afectan la velocidad de reacción son el estado físico, la concentración, la temperatura y los catalizadores.
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