Cinética Química: Factores Clave y Mecanismos de Reacción

Velocidad de un Proceso Químico

La velocidad de un proceso químico se define como el cambio en la concentración de reactivos o productos con respecto al tiempo en dicho proceso.

Orden Global de Reacción

El orden global de reacción es la suma de los órdenes parciales respecto a cada uno de los reactivos. Por ejemplo: Orden global de reacción = α + β.

Mecanismo de Reacción y Etapas Elementales

La secuencia de las etapas elementales que explican el modo en que los reactivos se transforman en productos se denomina mecanismo de reacción.

En las reacciones elementales, los órdenes parciales (α y β) coinciden con los coeficientes estequiométricos (a y b). Solo en estas reacciones se denomina molecularidad al número de moléculas que intervienen en el proceso.

La velocidad del proceso viene determinada por la etapa limitante, que es la etapa más lenta de todas las que conforman el mecanismo de reacción.

Energía de Activación (Ea)

Lo que determina que una reacción sea rápida o lenta es el valor de la energía de activación (Ea), o energía necesaria para alcanzar el complejo activado. La formación de este complejo no solo necesita una determinada cantidad de energía, sino también la orientación adecuada de las moléculas de choque. Cuanto más baja sea la Ea, más rápida será la velocidad de la reacción.

Relación entre Ea y Tipo de Reacción

• Reacción exotérmica:
  • Baja Ea: Rápida
  • Alta Ea: Lenta
• Reacción endotérmica:
  • Baja Ea: Rápida
  • Alta Ea: Lenta

El Papel de los Catalizadores

Un catalizador es una sustancia que, aun en cantidades muy pequeñas, varía en gran medida la velocidad de un proceso químico sin apreciar apenas ningún cambio en sí mismo. El catalizador afecta a la Ea disminuyéndola, y no afecta a ΔH ni a ΔG (entalpía y energía libre de Gibbs, respectivamente).

Efecto de la Temperatura en la Velocidad de Reacción

El aumento de la velocidad de reacción con la temperatura (T) se debe a que la energía cinética de las moléculas aumenta. Al aumentar la energía de estas, muchas de ellas adquieren una energía mayor que la Ea, y con ello aumentará la velocidad de reacción.

Molecularidad de las Reacciones

Ejemplo: 3A + B → Productos.

La mayoría de las reacciones químicas son unimoleculares o bimoleculares. Se conocen pocos casos de reacciones trimoleculares, pues es muy difícil que se dé un choque eficaz y simultáneo entre tres o más moléculas.

Ecuación de Velocidad y Mecanismos Complejos

La ecuación de velocidad de una reacción compleja la marcará el proceso elemental más lento (etapa limitante), ya que su ecuación coincide con la global.

Ejemplos y Conceptos Adicionales:

• Ejemplo de Ecuación de Velocidad: V = K [NO₂][O₃]
• Otro Ejemplo: V = k[NO₃][NO₂]
• Intermedios de Reacción: Si existe un intermedio como NO₃, este es un producto intermedio formado durante las reacciones que no observamos directamente; solo observamos los reactivos y productos finales.
• Molecularidad de una Reacción Elemental: Es el número de moléculas que intervienen en una reacción elemental en una sola etapa. Por ejemplo, una molecularidad de 2.
• Molecularidad de la Reacción Total: En el ejemplo dado, la molecularidad de la reacción total es 2.

Ley de Velocidad General

Una ley de velocidad general puede expresarse como: V = K [A][B]

Ecuación de Arrhenius (Forma Integrada)

La relación entre la constante de velocidad (K) y la temperatura (T) se describe mediante la ecuación de Arrhenius. Una de sus formas integradas es:

ln(K₁/K₂) = Ea/R (1/T₂ – 1/T₁)

Donde:

• K₁ y K₂ son las constantes de velocidad a las temperaturas T₁ y T₂, respectivamente.
• Ea es la energía de activación.
• R es la constante de los gases ideales.

Factores que Afectan la Velocidad de una Reacción

La velocidad de una reacción química puede ser influenciada por varios factores clave:

• Concentración de las Sustancias Reaccionantes: A mayor concentración de reactivos, generalmente mayor velocidad. Ejemplo: V = K [A][B].
• Temperatura: Si la temperatura (T) es alta, la constante de velocidad (K) es alta, lo que resulta en una velocidad (V) alta.
• Estado Físico de los Reactivos:
  • Las reacciones entre sólidos suelen ser más lentas.
  • En gases e iones, las reacciones son generalmente más rápidas debido a la mayor movilidad y frecuencia de colisiones.
• Catalizadores: Un catalizador disminuye la energía de activación (Ea), lo que lleva a una constante de velocidad (K) alta y, por ende, a una velocidad (V) alta.