Cinética Química y Termodinámica: Factores que Afectan la Velocidad de Reacción y Principios Termodinámicos

N₂ + 3H₂ → 2NH₃

Es evidente que la concentración de N₂ y de H₂ disminuye con el tiempo, por tanto, sus velocidades (derivadas de la variación de la concentración con respecto al tiempo) son negativas. Así, la velocidad de reacción se define como la derivada de la concentración molar respecto al tiempo, de cualquier reactivo o producto, dividida por su coeficiente estequiométrico y convertida en valor positivo.

aA + bB → productos: V = k [A]^α [B]^β → Arrehenius

Los exponentes α y β se denominan órdenes parciales de reacción respecto a A y B respectivamente, y la suma de ambos es el orden total de reacción. α y β no tienen por qué ser enteros ni coincidir con los coeficientes estequiométricos. La constante k se denomina constante de velocidad y viene dada por k = A e^-Ea/RT (Ecuación de Arrhenius), donde A es el denominado factor de frecuencia (que depende del "tipo" de reacción), y T y Ea son la temperatura y energía de activación (estos dos últimos son de gran influencia puesto que son factores exponenciales). Respecto al término energía de activación (Ea) hablaremos a continuación.

TEORÍA DE LAS REACCIONES QUÍMICAS

Teoría de las colisiones

Una mezcla de hidrógeno y oxígeno puede tenerse durante muchos años a la temperatura ambiente sin que prácticamente reaccionen para formar agua, a pesar de ser esta reacción espontánea y muy exotérmica.

Teoría del estado de transición

Una modificación muy importante de la teoría de las colisiones es la llamada teoría del estado de transición, en la que se supone que la reacción transcurre a través del llamado complejo activado. Este es un agregado constituido por las moléculas reaccionantes, en el que algunos de los enlaces primitivos se han relajado (o incluso roto) y se han empezado a formar nuevos enlaces. Debido a su elevada energía es muy inestable, y se descompone inmediatamente, originando los productos de la reacción: la energía de activación y la orientación exigida en el choque es la necesaria para la formación del complejo activado. La formación supone que hay que remontar una barrera energética, cuya altura es la energía de activación, Ea, para que la reacción pueda producirse. Si la energía de activación es pequeña, habrá muchas moléculas con mayor energía cinética, por lo que muchos choques serán eficaces y será grande la velocidad de reacción. En cambio, si Ea es grande, muy pocas moléculas tendrán suficiente energía cinética para remontar la barrera, con lo que casi todos los choques serán ineficaces, y la velocidad de reacción, muy pequeña.

FACTORES QUE AFECTAN A LA VELOCIDAD DE REACCIÓN

Naturaleza química del proceso

Las reacciones que requieren mayor número de ruptura y formación de nuevos enlaces son más lentas que aquellas que requieren menor número de ruptura y formación de enlaces.

Concentración de los reactivos

Cuanto mayor sea el número de moléculas de los reactivos presentes en un mismo volumen, más fácilmente podrán colisionar.

Temperatura

De acuerdo con la teoría cinético-molecular de la materia, las moléculas constituyentes de cualquier tipo de sustancia se hallan en continua agitación vibrando o desplazándose con una energía cinética que es directamente proporcional a la temperatura absoluta T a la que se encuentre dicha sustancia.

Catalizadores

Ver ampliación al final del artículo.

Grado de división de los reactivos

Cuando el sistema está constituido por reactivos en distinto estado físico (reacciones heterogéneas), como sólido y líquido por ejemplo, el grado de división del reactivo sólido influye notablemente en la velocidad de la reacción.

CATALIZADORES

Se entiende en química por catalizador toda sustancia que incrementa la velocidad de una reacción sin verse el mismo alterado al final del proceso.

La catálisis puede ser de dos tipos:

1) Homogénea

El catalizador y el reactivo están en una misma fase, por ejemplo, en solución acuosa. Es el caso de la catálisis ácido-base y la catálisis enzimática.

2) Heterogénea

El catalizador y reactivo se encuentran en distintas fases, como por ejemplo, la catálisis de una reacción entre sustancias gaseosas en la superficie de un metal (es el caso de los catalizadores de los automóviles para acelerar ciertas reacciones químicas que eliminen gases tóxicos como CO y contaminantes como óxidos de nitrógeno, convirtiéndolos en CO₂ (contaminante pero no tóxico) y N₂.

PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA

Todo sistema posee una propiedad termodinámica, denominada energía interna, que toma un valor característico para cada estado y que aumenta cuando el sistema absorbe calor o soporta un trabajo.

SEGUNDO PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA

En todo proceso espontáneo, se produce un aumento total de la entalpía del universo.

TERCER PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA

El tercer principio de la Termodinámica establece que la entropía de un elemento puro en su forma condensada estable, formando una red sólida cristalina sin defectos, es cero cuando la temperatura tiende a cero.