Fundamentos de las Reacciones Químicas: Cinética, Tipos, Leyes y Conceptos Esenciales

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Cinética Química: Velocidad de Reacción

La velocidad de reacción se define como la aparición de un producto o la desaparición de un reactivo por unidad de tiempo. Se mide comúnmente en moles por litro por segundo (mol·L⁻¹·s⁻¹).

Factores que Afectan la Velocidad de Reacción

La velocidad de una reacción (si va más o menos lenta) depende de varios factores:

  • Naturaleza de los reactivos: La estructura y tipo de enlace de las sustancias influyen en su reactividad.
  • Temperatura: Un aumento de la temperatura generalmente incrementa la velocidad de reacción.
  • Agitación y mezcla eficaz: Aumentan la superficie de contacto entre los reactivos, favoreciendo las colisiones.
  • Concentración de los reactivos: Una mayor concentración de reactivos suele llevar a una mayor velocidad.
  • Presencia de catalizadores: Sustancias que modifican la velocidad sin consumirse en la reacción.

Teoría de las Colisiones

Esta teoría se basa en que una reacción química se produce por la colisión entre las partículas (átomos, moléculas o iones) que forman los reactivos. Para que un choque sea eficaz, debe cumplir dos condiciones:

  1. Las partículas deben tener la orientación adecuada en el momento de la colisión.
  2. Las partículas deben poseer una energía suficiente (energía de activación) para romper enlaces existentes y formar nuevos.

La Reacción Química

Una reacción química es un proceso por el cual unas sustancias iniciales, llamadas reactivos, se transforman total o parcialmente en otras sustancias finales, llamadas productos (por ejemplo, CO₂ + H₂O pueden ser productos). Una reacción química tiene lugar cuando los átomos de los reactivos se reagrupan de forma distinta para dar los productos; esto implica la ruptura de unos enlaces químicos y la formación de otros nuevos.

Clasificación de Reacciones Químicas

Las reacciones químicas se pueden clasificar de diversas maneras:

  • Reacción de formación o síntesis: A partir de elementos o compuestos más sencillos se forma una molécula más compleja.
  • Reacción de descomposición: Un compuesto se divide en otros más simples.
  • Reacción de sustitución o desplazamiento: Un átomo o grupo de átomos de una molécula es sustituido por otro átomo o grupo de átomos.
  • Reacción de neutralización: Reaccionan un ácido y una base para formar una sal y agua.
  • Reacción de óxido-reducción (redox): Implica un intercambio de electrones (e⁻) entre los reactivos.

Catalizadores

Los catalizadores son sustancias que consiguen aumentar (catalizadores positivos) o disminuir (inhibidores o catalizadores negativos) la velocidad de una reacción química. Es importante destacar que:

  • No forman parte global de los reactivos ni de los productos.
  • Se pueden recuperar al final de la reacción (aunque pueden sufrir cambios físicos).
  • Cada catalizador suele ser específico para una determinada reacción o tipo de reacción.
  • Son fundamentales en los procesos biológicos (enzimas).

Leyes Fundamentales de las Reacciones Químicas (Leyes Ponderales)

Ley de Conservación de la Masa (Ley de Lavoisier, 1789)

En toda reacción química que transcurre en un sistema cerrado, la masa total de los reactivos es igual a la masa total de los productos. Es decir, la masa se conserva.

Ley de las Proporciones Definidas (Ley de Proust, aprox. 1800)

Cuando dos o más elementos se combinan para formar un determinado compuesto, lo hacen siempre en una proporción de masas fija.

Ley de las Proporciones Múltiples (Ley de Dalton, aprox. 1803)

Las cantidades de un mismo elemento que se combinan con una cantidad fija de otro elemento para formar diferentes compuestos están en una relación de números enteros sencillos.

Estequiometría

Reactivo Limitante

Cuando los reactivos se encuentran en una proporción distinta a la indicada por la estequiometría de la reacción, uno de ellos se consumirá por completo antes que los demás. A este reactivo se le llama reactivo limitante, ya que limita la cantidad de producto que puede formarse. Los otros reactivos se denominan reactivos en exceso.

Rendimiento de una Reacción

La mayoría de los procesos químicos no se completan al 100% (la cantidad de producto obtenido es menor que la teóricamente esperada). En estos casos, se suele expresar el rendimiento de la reacción como el porcentaje (%) de la cantidad de producto obtenido respecto a la cantidad teórica máxima.

Conceptos Clave en Química

Mol

El mol es la unidad de cantidad de materia en el Sistema Internacional. Un mol contiene un número de entidades elementales (átomos, moléculas, iones...) igual al Número de Avogadro (aproximadamente 6.022 x 10²³).

Masa Molar

La masa molar (M) de una sustancia es la masa de un mol de dicha sustancia, expresada habitualmente en gramos por mol (g/mol). Numéricamente, coincide con la masa molecular expresada en unidades de masa atómica (u).

Reacciones de Óxido-Reducción (Redox)

Oxidación

Es el proceso en el que un reactivo cede electrones (e⁻) y, como consecuencia, aumenta su número de oxidación. El elemento o sustancia que cede los electrones se oxida y se llama agente reductor.

Reducción

Es el proceso por el cual un reactivo capta electrones (e⁻) y, como consecuencia, disminuye su número de oxidación. El elemento o sustancia que capta los electrones se reduce y se llama agente oxidante.

Reducción Electrolítica (Electrólisis)

Son procesos que utilizan la energía eléctrica para inducir una reacción redox no espontánea. Se emplean en la metalurgia para obtener metales puros (ej., reducción de óxidos metálicos), en el galvanizado (recubrimiento de metales), para descomponer el agua en hidrógeno y oxígeno, y en muchos otros procesos químicos industriales.

Reacciones Ácido-Base

Propiedades Empíricas

  • Ácidos: Tienen sabor agrio (¡nunca probar sustancias desconocidas!), son corrosivos, reaccionan con muchos metales desprendiendo hidrógeno gaseoso, atacan al mármol (carbonato de calcio) desprendiendo dióxido de carbono, neutralizan las bases y tiñen de rojo el papel tornasol.
  • Bases (o álcalis): Tienen sabor amargo, son corrosivas, presentan tacto jabonoso, neutralizan los ácidos y colorean de azul el papel tornasol (ej., lejía, bicarbonato, sangre).

Teoría de Arrhenius (1884)

  • Ácido: Sustancia que, en disolución acuosa, se disocia liberando iones hidrógeno (H⁺) o protones.
  • Base: Sustancia que, en disolución acuosa, se disocia liberando iones hidróxido (OH⁻).
  • Neutralización: Reacción química entre un ácido y una base (según Arrhenius) que genera una sal más agua.

Teoría de Brønsted y Lowry (1923)

  • Ácido: Toda sustancia capaz de ceder un protón (H⁺) a otra sustancia.
  • Base: Toda sustancia capaz de aceptar un protón (H⁺) de otra sustancia.

Esta teoría es más general que la de Arrhenius y no se limita a disoluciones acuosas.

Conceptos Atómicos

Isótopos

Los isótopos son átomos de un mismo elemento químico que tienen el mismo número atómico (Z) (mismo número de protones) pero distinto número másico (A) (diferente número de neutrones).

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