Cinética Química: Velocidad de Reacción, Factores y Equilibrio

Velocidad de Reacción

Cuando se produce una reacción química, las concentraciones de cada uno de los reactivos y productos van variando con el tiempo hasta que se alcanza el equilibrio químico, en el cual las concentraciones de todas las sustancias permanecen constantes. La velocidad de reacción es el cociente de la variación de la concentración de algún reactivo o producto por unidad de tiempo, cuando los intervalos de tiempo tienden a 0.

• Los reactivos disminuyen, mientras que los productos aumentan. [La velocidad de reacción suele disminuir a medida que avanza el proceso].
• Como la velocidad es positiva según transcurre la reacción hacia la derecha, es decir, a medida que los reactivos van desapareciendo, es necesario colocar un signo '-' delante de las concentraciones de estos para que el valor de la velocidad sea positivo.

Ecuación de Velocidad

En general, la velocidad de una reacción depende de las concentraciones de los reactivos. Se expresa mediante una ecuación de velocidad donde 'k' es la constante de velocidad, un valor característico para cada reacción a una temperatura dada.

Molecularidad y Mecanismo de Reacción

La molecularidad es el número de moléculas de reactivos que colisionan simultáneamente para formar el complejo activado en una reacción elemental. Se trata de un número entero y positivo. Así, hablamos de reacciones unimoleculares, bimoleculares, trimoleculares, etc.

En reacciones elementales, la molecularidad suele coincidir con el orden de reacción, pero hay casos en los que no coinciden, como en las reacciones de hidrólisis en las que interviene una molécula de agua. En estos casos, al ser la concentración de agua prácticamente constante, la velocidad es independiente de esta.

Es raro que en una reacción intervengan más de 3 moléculas, pues es muy poco probable que choquen entre sí simultáneamente con la energía y la orientación adecuadas. Por ello, la mayoría de las reacciones suceden en varias etapas.

Mecanismo de Reacción e Intermedios

El conjunto de estas etapas se conoce como 'mecanismo de reacción'. Las sustancias que van apareciendo y que no son los productos finales se conocen como 'intermedios de reacción'. La velocidad de la reacción global dependerá de las sustancias que reaccionen en la etapa más lenta del mecanismo.

Teoría de las Colisiones y Energía de Activación

Según la Teoría de las Colisiones, el número de moléculas de productos es proporcional al número de choques entre las moléculas de los reactivos. Sin embargo, no todos los choques son efectivos, bien porque no tienen la energía necesaria para constituir el 'complejo activado', o bien porque no tienen la orientación adecuada.

Complejo Activado

El complejo activado es una asociación transitoria de moléculas muy inestable, cuya energía es mayor que la de los reactivos y productos por separado, pero por el cual debe transcurrir necesariamente la reacción.

Energía de Activación

La energía de activación es la energía mínima necesaria para formar el complejo activado, a partir del cual la reacción transcurre de forma natural y espontánea.

Factores que Afectan la Velocidad de Reacción

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

• Naturaleza de las sustancias
• Estado físico de los reactivos
• Superficie de contacto o grado de pulverización
• Concentración de los reactivos
• Temperatura
• Presencia de catalizadores

Estado Físico de los Reactivos

Cuando los reactivos se encuentran en estado gaseoso o en disolución, reaccionan más rápido que si se encuentran en estado líquido o sólido. En las reacciones heterogéneas, la velocidad depende de la superficie de contacto entre ambas fases, siendo mayor cuanto mayor es el grado de pulverización (en el caso de sólidos, cuanto menores sean las partículas, más fácil será disolverlas y reaccionar).

Concentración de los Reactivos

Al aumentar la concentración de los reactivos, se produce con mayor facilidad el choque entre moléculas y, por ende, aumenta la velocidad de reacción.

Temperatura

La constante de velocidad y, por tanto, la velocidad de una reacción, aumenta si se incrementa la temperatura. Esto se debe a que la fracción de moléculas que sobrepasan la energía de activación es mayor (así, a una temperatura T2, hay un mayor porcentaje de moléculas con energía suficiente para producir la reacción que a una temperatura T1).

Catalizadores

Los catalizadores son sustancias que intervienen en alguna etapa de la reacción, pero no se modifican químicamente, pues se recuperan al final y no aparecen en la ecuación global ajustada. Su función principal es modificar el mecanismo de reacción y, por tanto, la energía de activación de la reacción. Es importante destacar que los catalizadores no modifican las constantes de los equilibrios.

Tipos de Catalizadores

Los catalizadores pueden clasificarse según su efecto o su fase:

• Según su efecto:
  • Positivos: Hacen que la velocidad ('v') aumente, porque consiguen que la energía de activación disminuya.
  • Negativos (Inhibidores): Hacen que la velocidad ('v') disminuya, porque consiguen que la energía de activación aumente.
• Según su fase:
  • Homogéneos: Se encuentran en la misma fase que los reactivos.
  • Heterogéneos: Se encuentran en una fase diferente a la de los reactivos.

Equilibrio Químico

El equilibrio químico es una reacción que nunca llega a completarse, pues se produce simultáneamente en ambos sentidos (los reactivos forman productos y estos, a su vez, forman de nuevo reactivos). Es decir, se trata de un equilibrio dinámico. Cuando las concentraciones de cada una de las sustancias que intervienen (reactivos o productos) se estabilizan, es decir, se gastan a la misma velocidad que se forman, se llega al equilibrio químico.