Cinética química: velocidad, factores y catalizadores

Resumen

Este documento explica la velocidad de las reacciones químicas y las teorías que la describen, como la teoría de colisiones y la del complejo activado. Repasa los factores que la modifican (concentración, estado de agregación, presión, grado de división, temperatura y catalizadores) y la relación con la energía de activación. Incluye también la diferencia entre reacciones endotérmicas y exotérmicas.

Puntos clave

La velocidad de reacción se define a partir de la variación de la concentración de los reactivos o productos respecto al tiempo, ajustada por sus coeficientes estequiométricos.
La teoría de colisiones exige que las moléculas choquen con orientación adecuada y con una energía mínima, la energía de activación (Ea).
En la teoría del complejo activado, se forma un estado de transición inestable en el que se rompen enlaces antiguos y se forman nuevos.
La ecuación de Arrhenius, k = A · e^(-Ea/RT), muestra que la velocidad aumenta con la temperatura.
Los catalizadores aumentan la velocidad al disminuir la energía de activación, sin consumirse en la reacción, y no modifican la entalpía de reacción.
En sistemas gaseosos, aumentar la presión total incrementa la velocidad; en sólidos, una mayor superficie de contacto también la aumenta.

Ponte a prueba

Velocidad Instantánea

La velocidad de una reacción química se define mediante la expresión:

v = -1/a · d[A]/dt = -1/b · d[B]/dt = 1/c · d[C]/dt = 1/d · d[D]/dt

Teorías de la Cinética Química

Teoría de colisiones: Establece que para que una reacción sea efectiva, las moléculas deben chocar con la orientación adecuada y poseer la energía mínima necesaria, denominada energía de activación (E_a), para romper los enlaces originales.
Teoría del complejo activado: Al aproximarse las moléculas de los reactivos, se forma un estado de transición o complejo activado. Es una estructura altamente inestable donde se están rompiendo enlaces antiguos y formando nuevos simultáneamente.

La energía de activación es la barrera energética necesaria para alcanzar dicho complejo activado.

Gráficas Energéticas

Endotérmica (ΔH > 0): Reactivos en un nivel energético inferior a los productos.
Exotérmica (ΔH < 0): Reactivos en un nivel energético superior a los productos.

Factores que influyen en la velocidad de reacción

Concentración de reactivos

La velocidad se expresa mediante la ecuación de velocidad: v = k · [A]ⁿ · [B]^m.

Estado de agregación: La velocidad sigue el orden v_gas > v_líquido > v_sólido.
Presión: Aumentar la presión total incrementa la velocidad en sistemas gaseosos.
Grado de división: En sólidos, una mayor superficie de contacto aumenta la velocidad.

Temperatura

La velocidad aumenta con la temperatura según la ecuación de Arrhenius: k = A · e^-(E_a/R·T).

Catalizadores

Sustancias que modifican la velocidad de reacción sin consumirse en el proceso:

Catalizadores positivos: Aumentan la velocidad al disminuir la E_a.
Catalizadores negativos (inhibidores): Disminuyen la velocidad al aumentar la E_a.
Catálisis homogénea: Todas las sustancias se encuentran en la misma fase.
Catálisis heterogénea: Las sustancias se encuentran en fases distintas.

Los catalizadores proporcionan un nuevo mecanismo de reacción con una energía de activación menor.

Ejercicios y Conceptos Clave

Los catalizadores no afectan a la entalpía (ΔH) de la reacción.
La velocidad aumenta con la temperatura porque, según Arrhenius, al aumentar T, la constante de velocidad k aumenta.
La velocidad en compuestos iónicos disueltos es superior a la fase sólida, ya que los iones libres facilitan un mayor número de choques efectivos.
En disoluciones concentradas, la mayor cantidad de moléculas de reactivo por unidad de volumen incrementa la frecuencia de colisiones.

Preguntas frecuentes

¿Qué es la energía de activación?

Es la barrera energética mínima que deben superar las moléculas para romper los enlaces de los reactivos y alcanzar el complejo activado. Cuanto menor es, más rápida suele ser la reacción.

¿Por qué los catalizadores aumentan la velocidad de reacción?

Porque proporcionan un nuevo mecanismo de reacción con una energía de activación menor. No se consumen en el proceso y no modifican la entalpía de la reacción.

¿Cómo influye la temperatura en la velocidad de reacción?

Según la ecuación de Arrhenius, al aumentar la temperatura aumenta la constante de velocidad k, por lo que la reacción se acelera.