Fundamentos de la Velocidad de Reacción y Factores Cinéticos

Fundamentos de la Cinética Química

La cinética química estudia la rapidez con la que se producen las reacciones químicas.

Teoría de las Colisiones

Para que se produzca una reacción química, los átomos, moléculas o iones deben chocar. No toda la masa se transforma en producto porque no todos los choques dan lugar a la ruptura de enlaces. Por ello, para que se produzca una reacción, los choques deben ser eficaces y cumplir estas condiciones:

1. Que los átomos, moléculas o iones tengan suficiente energía para chocar y romper sus enlaces y formar nuevos. Según esto, la energía de activación es la energía mínima requerida para efectuar una reacción.
2. Que el choque se verifique con una orientación adecuada.

Teoría del Estado de Transición

Esta teoría visualiza la rapidez de reacción en términos de la energía y geometría del complejo activado, el cual, una vez formado, puede dar lugar a productos o reactivos. La energía de activación es la energía necesaria para que se forme el complejo activado.

Factores que Determinan la Velocidad de una Reacción Química

La velocidad de una reacción química depende de varios factores:

• Naturaleza de las sustancias.
• Estado físico.
• 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, las reacciones son más rápidas que si se encuentran en estado líquido o sólido. En las reacciones heterogéneas, la velocidad dependerá de la superficie de contacto entre ambas fases, siendo mayor cuanto mayor es el grado de pulverización.

Concentración de los Reactivos

En la ecuación de la velocidad ya observamos la influencia que tenían los reactivos (o al menos alguno de ellos) en la velocidad de la reacción. En general, al aumentar la concentración de estos, se produce con mayor facilidad el choque entre moléculas y aumenta la velocidad.

Temperatura

La constante de velocidad, y por tanto la velocidad de una reacción, aumenta si aumenta la temperatura, porque la fracción de moléculas que sobrepasan la energía de activación es mayor.

Catalizadores

Son sustancias que modifican la velocidad de una reacción química sin cambiar el producto final de la misma.

La forma de trabajar de los catalizadores consiste en cambiar el mecanismo de la reacción, proporcionando un camino más simple, por lo que el tiempo de reacción es menor.

Inhibidores

Los inhibidores son catalizadores que ralentizan las reacciones, aumentando la altura de la barrera de energía.

Características de los Catalizadores

• Prácticamente hay un catalizador para cada reacción.
• Los catalizadores aparecen químicamente inalterados al final de la reacción.
• Una pequeña cantidad de catalizador es suficiente para producir una reacción considerable.
• Los catalizadores no inician la reacción, solo la aceleran.

Tipos de Catálisis

• Catálisis homogénea: El catalizador está en la misma fase que los reactivos.
• Catálisis heterogénea: El catalizador está en distinta fase que los reactivos.
• Catálisis enzimática: Las enzimas son proteínas que catalizan los procesos que determinan la actividad de los organismos vivos.

Mecanismos de Reacción y Molecularidad

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 positivo.

Relación con la Termodinámica

Termoquímica

La termoquímica es la parte de la termodinámica que estudia la energía transferida en una reacción química.

Entalpía

La entalpía es una función de estado porque no depende del camino, sino del estado final e inicial.

Espontaneidad de las Reacciones Químicas

Una reacción es espontánea cuando, una vez iniciada, transcurre sin aporte de energía.

Concepto de Entropía

La entropía es la medida del desorden de un sistema. Aumenta a medida que aumenta el desorden de un sistema.

Principios de la Termodinámica

1. Primer Principio: La variación de energía interna de un cuerpo se calcula sumando algebraicamente el calor transferido y el trabajo realizado.
2. Segundo Principio: En todo proceso espontáneo, el desorden de un sistema aislado aumenta.
3. Tercer Principio: La entropía de un cristal perfecto a la temperatura de 0 K es 0.

Equilibrio Químico

Se produce equilibrio cuando la velocidad directa ($\text{v}_d$) es igual a la velocidad inversa ($\text{v}_i$). Es un equilibrio dinámico, es decir, la reacción no está parada; únicamente en esas condiciones la velocidad es la misma en ambos sentidos.

Constante de Equilibrio ($K_c$)

La $K_c$ no depende de las concentraciones iniciales, es específica de cada reacción y depende de la temperatura. En el cálculo de $K_c$ solo intervienen las sustancias gaseosas y en disolución.