Tasas de reacción

Definición de velocidad de reacción

Cuando observas cómo se produce cualquier proceso, estás observando simultáneamente dos campos de la química. El primero es el campo de la Termodinámica, que abarca si algo es realmente posible. El segundo campo es la Cinética, que mide la rapidez con que ocurrirá algo. La velocidad de una reacción viene determinada por un par de factores, que constituyen la velocidad de reacción.

El ejemplo del diamante pone perfectamente de manifiesto lo importante que es medir la velocidad de reacción. Aunque una reacción sea espontánea (termodinámicamente permitida), si la velocidad es demasiado lenta, no se observará que se produce. A la inversa, si una reacción es rápida, entonces podría ser demasiado rápida para observarla. 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, es decir, ¡0,000000000001 segundos!

Ya hemos visto reacciones rápidas y lentas, pero ¿cómo se calcula la velocidad? Afortunadamente, los cálculos de la velocidad son sencillos.

Fórmula de la velocidad de reacción

Antes dijimos que la velocidad de reacción era una medida de la concentración frente al tiempo. Pues bien, vamos a visualizar cómo es la fórmula de la velocidad de reacción con la siguiente reacción:

$$ H_2 (g) + I_2 (g) \rightarrow 2 HI (g) $$

En una reacción directa, los reactivos se consumen para formar los productos.

$$ Tasa ~ = - \frac { \Delta [H_2] } { \Delta t } = - \frac { [H_2]_{t_2} - [H_2]_{t_1} } } { t_2 - t_1 } $$

La velocidad de reacción mide los cambios en las concentraciones en los tiempos, _t1 y _t2. El signo negativo en la expresión representa el cambio negativo en la concentración de reactivo, porque a medida que la reacción avanza, los reactivos desaparecen. Un signo negativo en la velocidad de reacción hará que ésta sea una expresión positiva. Siguiendo la misma lógica, la concentración de los productos irá aumentando a medida que avance la reacción. Por tanto, la expresión de la velocidad de los productos será positiva.

Para que la tasa sea la misma para cada especie, hay que dividir cada especie por su coeficiente estequiométrico.

$$ + \frac {1} {2} \frac { \Delta [HI] } { \Delta t } $$

En la formación de HI se producen dos moles de HI por cada mol de _H2 e _I2. En otras palabras, se está produciendo HI al doble de velocidad que la descomposición de cada reactante.

Para proporcionar una fórmula general de la reacción global, utilizaremos esta fórmula general de reacción

$$ aA + bB \rightarrow cC + dD $$

En esta fórmula 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 de reacción general de la siguiente manera:

$$ \text {Tasa} = - \frac {1} {a} \frac { \Delta [A] } { \Delta t } = - \frac {1} {b} \frac {\Delta [B] } {\Delta t } {\Delta t } = + \frac {1} {c} \frac {\Delta [C] } {\Delta t } {\Delta t } = + \frac {1} {d} \frac {\Delta [D] } {\Delta t } { \Delta t } $$

Esta fórmula nos muestra que la concentración de una especie puede dilucidar la concentración de cualquier otra especie en ese intervalo de tiempo dado. Todo ello es posible gracias a los coeficientes estequiométricos. Así, conociendo la ecuación química equilibrada, puedes calcular la concentración de cualquier otra especie.

Unidades de velocidad de reacción

Si alguna vez tienes dudas sobre las unidades que se pueden utilizar para la velocidad de reacción, puede serte útil fijarte en la fórmula. En la fórmula, la concentración se divide por el tiempo. Pero, en realidad, es un cambio en la concentración frente a un cambio en el tiempo. ¿Cómo afecta esto a las unidades de la velocidad? Pues no lo hace. Mira este ejemplo para hacerte una idea mejor (ten en cuenta que el cálculo que sigue sólo implica un análisis dimensional).

\bin{align}\text {Tasa} &= \frac { \Delta Conc. } { \Delta tiempo } \\text {Rate} &= \frac { C_{final} } - C_{inicial} } } {t_{final} - t_{inicial} } } \\\text {Rate} &= \frac { mol~L^{-1}_{final}} - mol~L^{-1}_{inicial}} } {s_{final} - s_{inicial} } } \\text {Rate} &= \frac { mol~L^{-1} } { s } \\\text {Tasa} &= 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. Lo importante es tener en cuenta que la velocidad de reacción mide la concentración en función del tiempo. Por tanto, es probable que siempre estén en esta forma.

Cálculo de la velocidad de reacción

Ahora que ya conocemos la fórmula general de la velocidad de reacción, podemos hacer un cálculo de la velocidad de reacción. Utiliza la siguiente ecuación equilibrada para determinar la velocidad media de reacción.

$$ H_2O_2 (aq) + 3 I^- (aq) + 2 H^+ (aq) \rightarrow I_3 ^- (aq) + 2 H_2O (l) $$

En los primeros 10,0 segundos, la concentración de ^I- disminuyó de 1,000 mol ^L-1 a 0,868 mol ^L-1. Así pues, conocemos la concentración y el intervalo de tiempo para ^I-. Ahora podemos introducirlo en nuestra ecuación de velocidad para determinar la velocidad de reacción.

\bin{align}\text {Tasa} &= - \frac {1} {3} \frac { \Delta [ I^- ] } {\Delta t } \\&= - \frac {1} {3} {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 ) } \\text {Rate} &= 4,40 \times 10 ^ {-3} ~ mol ~ L ^{-1} ~ s^{-1}\end{align}

Ahora que tenemos nuestra velocidad, ¿qué pasa 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.

\bin{align}\text {Tasa} &= - \frac {1} {2} \frac { \Delta [ H^+ ] } {\Delta t } \\-2( \text {Rate} ) &= \frac {1} {2} {2} \frac { \Delta [ H^+ ] } {\Delta t } \\\frac {1} {2} {2} \frac { \Delta [ H^+ ] } { \Delta t } \Delta t } &= -2( 4,40 \ veces 10 ^ {-3} ~ mol ~ L ^{-1} ~ s^{-1} ) \\text {Rate} &= -8,80 \ veces 10 ^ {-3} ~ mol ~ L ^{-1} ~ s^{-1} ~ mol ~ L ^{-1} ~ s^{-1}\end{align}

No se te da la concentración inicial de ^H+, así que lo único que puedes hacer es calcular el índice de cambio de los cationes de hidrógeno. Como ejercicio, intenta calcular el índice de cambio de las demás especies. ¿Qué tendencias observas al calcular el índice de cambio de los productos?

Factores que afectan a 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 sólo hablaremos de unos pocos. Estos son algunos de los factores que afectan a la velocidad que vamos a tratar:

• Estado físico de los reactivos
• Concentración de los reactivos
• Temperatura del sistema
• Catalizadores

Efectos del estado físico en la velocidad de reacción

El primer factor es el estado físico de los reactivos^.2 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 puede observarse al evaluar las reacciones homogéneas frente a las heterogéneas.

Las reacciones heterogéneas suelen estar limitadas por la cantidad de superficie del sólido, que influye mucho en la velocidad.

Efectos de la concentración en la velocidad de reacción

Otro factor que puede afectar a la velocidad de reacción es la concentración de los reactivos. Esto puede haber resultado ya obvio, puesto que la concentración es una de las variables de nuestra expresión de la velocidad. Pero es importante comprender por qué importa la concentración. 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. Ahora bien, ¿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. - Al aumentar el número de moléculas en la disolución, hay más posibilidades de que choquen.

Efectos de la temperatura en la velocidad de reacción

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 reactantes 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.

Efectos catalíticos sobre la velocidad de reacción

Hay otro factor que mencionaremos brevemente, que son los catalizadores. Los catalizadores disminuirán la energía de activación de una reacción, lo que hace que sea más fácil superarla. Algunos catalizadores, como las Enzimas, también acercan las moléculas, lo que les permite reaccionar más rápidamente.

Los catalizadores son obligatorios para que se produzcan algunas reacciones, lo que los hace vitales para la vida en la Tierra. Sin enzimas, los procesos biológicos se producirían con demasiada lentitud, y la vida no sería posible.

Hemos enumerado algunos factores diferentes que afectan a la velocidad de reacción, pero aún hay muchos más que no hemos mencionado. 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.

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 rápidamente.