Velocidad de reacción
Se define la velocidad (v) de una
reacción, como la cantidad de reactivo que se consume, o la de producto que se
forma, por unidad de volumen en la unidad de tiempo.
Dado que la cantidad de sustancia por unidad
de volumen en una disolución, se denomina concentración, y teniendo en cuenta
que, por lo general, tanto los reactivos como los productos se hallan en
disolución, ya sea líquida, sólida o gaseosa, la velocidad de reacción
representa la variación de concentración de una cualquiera de las sustancias
que intervienen en la reacción por unidad de tiempo.
Para una reacción del tipo:
A + B -> C + D
Donde A y B representan los reactivos y C y D los
productos, la velocidad se puede expresar, recurriendo a la notación de
incrementos, en la forma:
v = [C]/ t
y se mide en mol/l · s.
Recordando el significado de /t como la
rapidez con laque varía algo, la anterior expresión indica que v es, en
efecto, la rapidez con la que varía (aumenta) la concentración ([ ]) del
producto C con el tiempo. Junto con la anterior, son expresiones equivalentes
de la velocidad:
v = - [A]/ t = - [B]/ t = [D]/ t
Dado que, si la masa se mantiene constante, la
velocidad con la que aparecen los productos tiene que ser igual a la velocidad
con la que desaparecen los reactivos. El signo negativo se introduce para
compensar el que corresponde a la disminución de la concentración de los
reactivos; de este modo, el valor de la velocidad resulta igual y positivo
cualquiera que sea la sustancia A, B, C o D elegida.
Fórmulas
Teorías de las colisiones
Según esta teoría para que se produzca una reacción deben cumplirse tres condiciones:
La teoría de colisiones es un modelo
para explicar los mecanismos de las reacciones químicas.
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Las moléculas de los reactivos tienen que chocar entre sí.
Estos choques deben de producirse con energía
suficiente de forma que se puedan romper y formar enlaces químicos. En el choque
debe haber una orientación adecuada para que los enlaces que se tienen que romper y formar estén a una
distancia y posición viable.
A continuación se dan dos
ejemplos esquemáticos de cómo podrían ser según la teoría de
las colisiones con dos reacciones químicas.
Energía de activación
La energía de activación en la
química y la biología es la energía que necesita un sistema antes de
poder iniciar un determinado proceso. La energía de activación (Ea), suele utilizarse para denominar la
energía mínima necesaria para que se produzca una reacción química dada. Para
que ocurra una reacción entre dos moléculas, éstas deben colisionar en la
orientación correcta y poseer una cantidad de energía mínima. A medida que las
moléculas se aproximan, sus nubes de electrones se repelen. Esto requiere
energía (energía de activación) y proviene del calor del sistema, es decir de
la energía traslacional, vibracional, de cada molécula.
La ecuación de Arrhenius proporciona la base
cuantitativa de la relación entre la energía de activación y la velocidad a la
que se produce la reacción. El estudio de las velocidades de reacción se
denomina cinética química.
Complejo activo
Según esta teoría, cuando los reactantes se
aproximan se produce la formación de un estado intermedio de alta energía, alta
inestabilidad y por tanto de corta duración, que se denomina complejo activado.
La energía que necesitan los reactantes para alcanzar este complejo se llama
energía de activación (Ea). Cuanto mayor sea la energía de activación, en
general, menor será la velocidad de la reacción.
La magnitud de la energía de activación de una reacción química determina la velocidad de ésta; si la energía de activación es muy alta, la reacción ocurre en un largo periodo de tiempo; si esta energía es baja, los reactantes pueden adquirirla fácilmente acelerando la reacción.
De acuerdo al cambio neto de energía, es decir, a la diferencia entre la energía de los productos y de los reactantes, las reacciones se clasifican en endergónicas, si se requiere energía y exergónicas, si se libera. Cuando la energía se manifiesta como calor, las reacciones se denominarán endotérmicas y exotérmicas respectivamente. Para representar estos procesos se utilizan diagramas de energía, que dan cuenta de la cantidad de energía en función del avance de una reacción.
En la figura 1 se muestra el diagrama de energía para una reacción exotérmica cualquiera:
En este diagrama se observa que la energía de los reactantes (A + B) es mayor que la energía de los productos (C+D). Entre ellos existe un máximo de energía que corresponde a la formación del complejo activado, que luego de liberar parte de la energía de activación decae a producto.
En este diagrama se
observa que la energía de los reactantes (A + B) es mayor que la energía de los
productos (C+D). Entre ellos existe un máximo de energía que corresponde a la
formación del complejo activado, que luego de liberar parte de la energía de
activación decae a producto.
En la figura 2 se muestra el diagrama de energía para una reacción endotérmica cualquiera
Gráficas
Ecuación y constante de velocidad
La relación matemática que indica la
dependencia de la velocidad respecto a las concentraciones de los reactivos se
llama ecuación de velocidad y es
una expresión que debe determinarse experimentalmente. Para la siguiente
reacción:
2 NO (g) + Cl2 (g)---->2 NOCl (g)
La ecuación de velocidad hallada
experimentalmente es:
Velocidad = k [NO]2[Cl2]
La velocidad de reacción es
directamente proporcional a la concentración de Cl2 y al cuadrado de
la concentración de NO. Por ello, la reacción es de primer orden respecto al
cloro y de segundo orden respecto al monóxido de nitrógeno.
En una reacción, el exponente al que
se encuentra elevada la concentración de un reactivo en la ecuación de
velocidad se llama orden parcial respecto a ese reactivo. La suma de los
órdenes parciales, esto es, la suma de todos los exponentes de la ecuación de velocidad,
es el orden total de la reacción. En el ejemplo, el orden total es 3.
En general, para una reacción química
del tipo:
aA + bB ----> cC + dD
La expresión de la ecuación de
velocidad es:
Velocidad = k [A]n[B]m
Donde n y m se obtienen
experimentalmente y representan el orden parcial de la reacción respecto al
reactivo A y al reactivo B. La suma m + n determina el orden total de la
reacción.
La constante de proporcionalidad se
designa con la letra k y se denomina constante de velocidad. Formalmente, es la
velocidad de la reacción cuando las concentraciones de todos los reactivos son
la unidad.
La constante de velocidad es
específica para cada reacción química y depende de la temperatura.
Las unidades de k vienen determinadas
por el orden de la reacción y deben adaptarse a la condición de que la
velocidad debe expresarse en las unidades mol/l ×
s (variación de la concentración por unidad de tiempo).
La ecuación de velocidad puede determinarse de forma sencilla mediante el método de la velocidad inicial,
cuando las concentraciones de los reactivos son todavía elevadas y puede
medirse la velocidad instantánea. La estrategia consiste en estudiar cómo se
modifica la velocidad variando la concentración de uno de los reactivos,
manteniendo constante la del resto.
Variación de la concentración de Br2 en función del tiempo.
Factores que afectan la velocidad de reacción
Teniendo en cuenta los planteamientos de la teoría de las
colisiones cualquier condición que
afecte la ocurrencia de choques efectivos,
efectuaran igualmente la velocidad de reacción. Experimentalmente se ha
establecido que los principales determinantes de la velocidad de las reacciones
químicas son:
· Concentración de los reactivos: La velocidad de reacción se
incrementa cuando lo hacen algunas de las concentraciones de los reactivos.
· Temperatura: Es el incremento de
temperatura, generalmente, aumenta la velocidad de reacción.
· Superficie de contacto: Si en una
reacción interactúan reactivos en distintas fases su área de contacto es menor y su velocidad también es menor. La superficie de contacto determina el número de átomos
y moléculas disponibles para la reacción.
·
Naturaleza de los reactivos: La velocidad
de una reacción va a depender naturalmente de la naturaleza de los
reactivos (iones, átomos, moléculas y tipos de enlace)
Catalizadores
Un catalizador es una sustancia química, simple o compuesta, que modifica la
velocidad de una reacción química, interviniendo en ella pero sin llegar a
formar parte de los productos resultantes de la misma. Los catalizadores se
caracterizan con arreglo a las dos variables principales que los definen: la
fase activa y la selectividad.
Ejemplos de la vida diaria
· Clavos Oxidados: Una reacción química entre el hierro con el acero, y el oxígeno de la atmósfera, provocan la oxidación. (Fe + O2 ---> Fe2O3)
· Película Fotográfica: Existe una reacción química en la película fotográfica cada vez que es iluminada.
· Baterías: Una reacción química de las baterías produce electrones (conocidas como reacciones electroquímicas).
· Barras de Luz de Halloween: Una reacción química estimula a los átomos. y hace que la barra brille.
· Volcán hecho en Casa: Cuando se combina bicarbonato con vinagre, hace erupción como el gas liberado de bióxido de carbono. (NaHCO3 + HC2H3O2 ---> NaC2H3O2 + CO2 + H2O)
· Fizz Fizz: Si hecha una tableta de Alka-Seltzer en un vaso de agua, hay una reacción química de burbujeo.
· Una vieja ensalada de frutas: Abre una fruta y verás como pronto se pone negra, porque reacciona (los azúcares de la fruta) al oxígeno que hay en el aire. (Reacción de pardea miento)
· Fotosíntesis: la energía de la luz solar se utiliza para sintetizar carbohidratos a partir de dióxido de carbono y agua en las plantas. (6CO2 + 6H2O ---> C6H12O6 + 6O2)
· Gas de cocina: cada vez que enciendes la estufa de gas lo que ocurre es una combustión de un hidrocarburo. (C3H8 + 5O2 ---> 3CO2 + 4H2O)
Selección de preguntas
¿Cuál es la velocidad de la reacción?
¿Qué son teorías de colisiones?
¿Qué es energía de activación?
¿Porqué los factores
afectan la velocidad de la reacción? Explique con sus propias palabras
¿En qué consiste el complejo
activo?
