Fundamentos de la Cinética Química: Factores, Catalizadores y Equilibrio Ácido-Base

Factores que Influyen en la Velocidad de Reacción

El aumento de la temperatura, en general, incrementa la velocidad de las reacciones químicas.

Influencia de la Concentración

La velocidad de una reacción, a escala microscópica, es proporcional al número de colisiones eficaces que tienen lugar.

• Aumento de colisiones eficaces → Aumento de velocidad de reacción

El aumento de la concentración de los reactivos incrementa la velocidad de reacción.

Influencia de la Superficie de Contacto

Al aumentar el área de contacto entre los reactivos, el número de moléculas expuestas a colisiones con otras es superior. El nivel de reacción es máximo en las sustancias disueltas, por lo que las reacciones suelen ser muy rápidas.

El aumento de la superficie de contacto entre reactivos incrementa la velocidad de reacción.

Modelos de Partículas y Cinética

Modelos de Partículas y Factores Influyentes

Concentración

Si aumenta el número de iones Cl^- y H⁺, aumentan los choques eficaces y, por lo tanto, la velocidad del proceso.

Superficie de Contacto

Si el reactivo está finamente troceado, aumentan los choques eficaces y, por lo tanto, la velocidad de reacción.

Catalizadores: Aceleradores Químicos

La velocidad de algunas reacciones aumenta con la adición de pequeñas cantidades de otras sustancias que, por lo general, pueden recuperarse al final del proceso. Estas sustancias se llaman catalizadores.

Los catalizadores disminuyen la energía de activación, haciendo que la reacción transcurra por etapas intermedias diferentes.

Un catalizador es una sustancia que actúa en pequeñas cantidades, aumentando la velocidad de una reacción sin consumirse en el proceso.

Catalizadores e Industria Química

La importancia de los catalizadores en la industria química es excepcional. Gran parte de la investigación se centra en encontrar catalizadores para ciertos procesos o, por el contrario, en eliminarlos cuando favorecen reacciones indeseadas, como la corrosión de metales o la caries dental.

Ejemplos de Catálisis Industrial

• La síntesis del amoníaco es una reacción muy lenta, aun cuando discurre a altas presiones y temperaturas. El químico alemán Fritz Haber descubrió que la presencia de hierro finamente dividido acelera el proceso.
• El V₂O₅ favorece el proceso de oxidación de SO₂ a SO₃, esencial en la obtención de ácido sulfúrico.
• El Rodio (Rh) se usa en la producción de HNO₃ por oxidación del NH₃.

Venenos Catalíticos

Existen sustancias, denominadas venenos, que inhiben la acción de los catalizadores y causan grandes pérdidas económicas a la industria.

Catalizadores Biológicos: Enzimas

El cuerpo humano es un sistema muy complejo de reacciones químicas vinculadas entre sí, y todas deben tener lugar a unas velocidades cuidadosamente reguladas. Estas reacciones requieren catalizadores específicos y eficaces, denominados enzimas.

Mecanismo de Acción Enzimática

Desde el punto de vista químico, las enzimas son proteínas con centros activos que actúan como cerraduras donde encajan como llaves las sustancias que reaccionan (sustratos) y sobre los que actúa la enzima.

• Un veneno de la enzima puede bloquear el centro activo o deformarlo, impidiendo que el sustrato encaje bien.

Las enzimas son catalizadores producidos por los seres vivos para aumentar la velocidad de los procesos químicos biológicos.

Ácidos y Bases

Muchos ácidos y bases son sustancias de gran importancia industrial. Otros son sustancias caseras y algunos son componentes de la materia viva.

Según los estudios del químico sueco Svante Arrhenius (1859-1927), el comportamiento de ácidos y bases se debe a los iones H⁺(aq) y OH^-(aq) respectivamente.

Definiciones de Arrhenius

1. Ácidos: Son sustancias que en disolución acuosa se disocian, dando iones hidrógeno H⁺(aq).
2. Bases: Son sustancias que en disolución acuosa dan lugar a la aparición de iones OH^-(aq).

Propiedades Características

Disoluciones Ácidas (H⁺)

• Colorean de rojo el indicador tornasol.
• Tienen sabor ácido.
• Reaccionan con las bases (OH^-).
• Atacan a los metales desprendiendo H₂.

Disoluciones Básicas (OH^-)

• Colorean de azul el indicador tornasol.
• Tienen sabor amargo y son jabonosas al tacto.
• Reaccionan con los iones H⁺ y contrarrestan la acción de los ácidos.

Indicadores y Escala de pH

Una solución que no es ácida ni básica se dice que es neutra.

Los indicadores ácido-base son sustancias que muestran, mediante el cambio de color, si una disolución es ácida o básica.

Escala de pH

• 0 - 7: Más ácido.
• 7: Neutro.
• 7 - 14: Más básico.