Cinètica Química: Velocitat i Factors Clau de Reacció

Cinètica Química: Velocitat i Factors de Reacció

Què és la Velocitat de Reacció?

La velocitat d'una reacció química es mesura per la quantitat d'una de les substàncies reactants que es transforma per unitat de temps.

Equació de Velocitat i Ordres de Reacció

L'equació general de velocitat és: v = k[A]x[B]b

• v: velocitat de la reacció.
• k: constant de velocitat (depèn de la temperatura i la naturalesa dels reactants).
• [A], [B]: concentracions molars dels reactants A i B.
• x, b: exponents que s'anomenen ordres parcials de la reacció respecte als reactants A i B, respectivament. Aquests ordres es determinen experimentalment.

La suma dels exponents (x + b) s'anomena ordre total de la reacció.

Exemples d'Ordres de Reacció:

• V1 = k1[A]: reacció de primer ordre respecte a A i de primer ordre total.
• V2 = k2[A][B]: reacció de primer ordre respecte a A i a B, i de segon ordre total.
• V3 = k3[A]2: reacció de segon ordre respecte a A i de segon ordre total.
• V4 = k4[A]2[B]: reacció de segon ordre respecte a A, de primer ordre respecte a B, i de tercer ordre total.
• V5 = k5: reacció d'ordre zero (la velocitat és independent de la concentració dels reactants).

La constant k és específica per a cada reacció i varia amb la temperatura.

Teories Fonamentals de les Reaccions Químiques

Com es produeixen les reaccions químiques a nivell molecular?

1. Teoria de les Col·lisions

Aquesta teoria postula que perquè una reacció tingui lloc, les partícules dels reactants (àtoms, molècules o ions) han de col·lidir. No obstant això, no totes les col·lisions són efectives.

L'eficàcia d'una col·lisió depèn de dos factors principals:

• Energia cinètica suficient de les partícules: Les partícules es mouen a gran velocitat i posseeixen energia cinètica. A una temperatura (T) determinada, no totes les partícules tenen la mateixa energia cinètica; algunes són més ràpides que altres. Només aquelles col·lisions entre partícules que posseeixen una energia mínima suficient poden portar a la formació de productes. Aquesta energia mínima necessària s'anomena Energia d'Activació (E_A). L'E_A no modifica el balanç energètic global de la reacció, només n'afecta la velocitat.
• Orientació adequada de les partícules en el moment del xoc: Perquè es formin nous enllaços (i es trenquin els antics), les partícules han de col·lidir amb una orientació espacial específica. Partícules amb prou energia per generar una col·lisió eficaç poden no reaccionar si xoquen amb una orientació no adequada. Una bona orientació és imprescindible.

2. Teoria de l'Estat de Transició (o del Complex Activat)

Aquesta teoria complementa la teoria de les col·lisions. Proposa l'existència d'una espècie química intermèdia, inestable i d'alta energia, anomenada complex activat o estat de transició. Aquest complex es troba a mig camí energètic entre els reactants i els productes.

El complex activat té sempre una energia potencial superior a la dels reactants i la dels productes. Perquè es formi, l'energia cinètica de les partícules dels reactants que col·lideixen ha de ser igual o superior a l'energia d'activació necessària per assolir aquest estat de transició. Si moltes partícules superen aquesta barrera energètica, es produiran moltes col·lisions eficaces, donant lloc a una reacció ràpida.

Factors que Influeixen en la Velocitat de Reacció

1. Concentració dels Reactants

En general, un augment de la concentració dels reactants (o de la pressió, en el cas dels gasos) incrementa la velocitat de la reacció. Això és degut al fet que hi ha més partícules per unitat de volum, la qual cosa augmenta la freqüència de les col·lisions i, per tant, la probabilitat de col·lisions eficaces.

2. Temperatura

La velocitat de les reaccions químiques augmenta significativament amb la temperatura. Un increment de la temperatura (T) provoca un augment de l'energia cinètica mitjana de les partícules. Això té dues conseqüències importants:

• Augmenta la freqüència total de col·lisions.
• Un percentatge més gran de partícules posseeix una energia igual o superior a l'energia d'activació (E_A), fent que més col·lisions siguin eficaces.

3. Estat Físic i Superfície de Contacte dels Reactants

Com més gran és la possibilitat de contacte entre les partícules dels reactants, més ràpidament transcorre la reacció. Per això:

• Les reaccions entre gasos o entre substàncies en dissolució solen ser ràpides, ja que les partícules es poden moure lliurement i barrejar-se fàcilment.
• En reaccions heterogènies (reactants en fases diferents, p. ex., un sòlid i un líquid), la velocitat depèn de la superfície de contacte. Augmentar la superfície de contacte del sòlid (p. ex., polvoritzant-lo) accelera la reacció.

4. Naturalesa Química dels Reactius

L'estructura electrònica, la força i el tipus d'enllaços químics implicats en la reacció són determinants. Com més enllaços s'hagin de trencar i més forts siguin aquests, més gran serà l'energia d'activació (E_A) de la reacció i, generalment, més lenta serà la reacció a una temperatura donada.

5. Energia d'Activació (E_A)

L'energia d'activació (E_A) indica el mínim nivell d'energia que han de posseir les partícules en el moment de la col·lisió perquè tinguin la possibilitat de produir xocs eficaços i transformar-se en productes. La velocitat de reacció depèn inversament de l'E_A: a menor E_A, major velocitat.

L'E_A depèn de:

• La naturalesa dels reactius: Com s'ha mencionat, si l'E_A intrínseca de la reacció és petita, la reacció transcorre ràpidament.
• La presència de catalitzadors: Són substàncies que modifiquen la velocitat d'una reacció química sense consumir-se en el procés ni aparèixer en els productes finals. Els catalitzadors proporcionen un camí de reacció alternatiu amb una energia d'activació (E_A) diferent (generalment menor), fent que la reacció es produeixi més fàcilment i ràpidament.

Catalitzadors i Altres Modificadors de la Velocitat

Tipus de Catalitzadors i Substàncies Relacionades:

• Enzims: Són catalitzadors biològics, generalment proteïnes, que intervenen en la catàlisi de moltíssimes reaccions bioquímiques. Els reactants en reaccions enzimàtiques s'anomenen substrats. Són altament específics.
• Catalitzadors químics:
  • Catalitzadors de contacte (o heterogenis): Són sòlids amb una gran superfície de contacte, sovint porosos (p. ex., metalls finament dividits). Els reactants s'adsorbeixen a la seva superfície, on té lloc la reacció.
  • Catalitzadors transportadors (o homogenis): Són substàncies que es troben en la mateixa fase que els reactants (p. ex., tots en dissolució). Modifiquen la velocitat de la reacció en intervenir-hi directament, formant productes intermedis de menor E_A, i regenerant-se al final.
• Inhibidors (o catalitzadors negatius): Són substàncies que disminueixen la velocitat d'una reacció, sovint augmentant l'energia d'activació o bloquejant el mecanisme catalític.
• Autocatalitzadors: Són productes d'una reacció que actuen com a catalitzadors de la mateixa reacció. Això fa que la velocitat de la reacció augmenti a mesura que es formen més productes.
• Verins o metzines catalítiques: Són substàncies que, fins i tot en dosis petites, anul·len o redueixen dràsticament l'activitat dels catalitzadors. Sovint actuen absorbint-se fortament a la superfície del catalitzador i inhibint la seva funció.