CINETICA QUIMICA
Cuando
en química se estudia una reacción determinada, interesan, además de la propia
ecuación química (los reactivos y los productos que intervienen y en qué
proporciones) dos aspectos fundamentales el termodinámico y el cinético. El objeto de la cinética química es medir la rapidez
de las reacciones químicas y encontrar ecuaciones que relacionen la rapidez de
una reacción con variables experimentales
En
el estudio termodinámico de una reacción nos interesa ver que los
productos tienen una energía libre menor que los reactivos, El aspecto
cinético de la reacción química, nos interesa la velocidad a la cual
transcurre una reacción Así, podemos definir la cinética química como
el estudio de la velocidad a la cual transcurren las reacciones químicas y
de los factores que influyen en ella, como concentraciones, naturaleza de los
reactivos o la presencia de catalizadores.
Podemos determinar comparativamente, una velocidad menor y cuál una velocidad
mayor.
La variación de energía
libre negativa de una reacción química nos indica que una reacción será
espontánea pero no a qué velocidad transcurrirá. Para saber
la cinética química de la reacción debemos fijarnos en la barrera de
potencial, es decir, la energía de activación (Ea) o la cima de la
montaña. Cuanto más alta es esta barrera, menor será la velocidad de reacción
porque resulta más costoso para el sistema.
la cinética química nos
indica que, aunque una reacción sea energéticamente favorable no implica
que sea rápida. Una reacción puede ser espontánea pero terriblemente lenta,
incluso no transcurrir en un período de tiempo apreciable para nosotros. Por
ejemplo, si nos regalasen un diamante al nacer, nos haríamos viejos y nos
marcharíamos de este mundo sin ver cambios en ese diamante, a pesar de que su
conversión en grafito es una reacción espontánea. El grafito es
termodinámicamente más estable pero la reacción es extremadamente lenta.
C diamante →
C grafito ΔG < 0
no solo debemos saber o medir
experimentalmente a qué velocidad transcurre una determinada reacción química, sino también cómo influir en ella.
Conocer los factores que afectan a la velocidad de reacción hace que podamos hacer que una
reacción indeseada sea más lenta, por ejemplo: la putrefacción de los alimentos
se alentá al bajar la temperatura en el congelador o más veloz los
catalizadores, sustancias que aceleran las reacciones químicas, pueden ayudar a que una reacción
transcurra en una fracción de segundo, por ejemplo, los enzimas en nuestro
organismo o el platino en la producción de algunos compuestos industriales.
La velocidad de reacción se define como la cantidad de sustancia
que reacciona por unidad de tiempo. Por ejemplo, la oxidación del
hierro bajo condiciones atmosféricas es una reacción lenta que puede tomar
muchos años, pero la combustión del butano en un fuego es una reacción que
sucede en fracciones de segundo.
Se define la velocidad de una reacción química como la
cantidad de sustancia formada si tomamos como referencia un producto o si tomamos
como referencia un reactivo por unidad de tiempo.
La velocidad de reacción no es constante. Al
principio, cuando la concentración de reactivos es mayor, también es mayor la
probabilidad de que se den choques entre las moléculas de reactivo, y la
velocidad es mayor. a medida que la reacción avanza, al ir disminuyendo la
concentración de los reactivos, disminuye la probabilidad de choques y con ella
la velocidad de la reacción. La medida de la velocidad de reacción implica la
medida de la concentración de uno de los reactivos o productos a lo largo del
tiempo, esto es, para medir la velocidad de una reacción necesitamos medir,
bien la cantidad de reactivo que desaparece por unidad de tiempo, bien la
cantidad de producto que aparece por unidad de tiempo. La velocidad de reacción
se mide en unidades de concentración entre tiempo, esto es igual a moles entre segundos.
Considérese una reacción
química típica:
aA + bB → pP + qQ
Las letras minúsculas
(a, b, p, y q) representan los coeficientes estequiométricos, mientras que
las letras mayúsculas representan a los reactivos (A y B) y
los productos (P y Q). la velocidad instantánea de
reacción v (también r o R) de una reacción química que
se da en un sistema cerrado bajo condiciones de volumen constante,
sin que haya acumulación de intermediarios de reacción, está definida por:
Los
factores que afecta la velocidad de la cinética química
·
Temperatura
Al aumentar la temperatura, también lo
hace la velocidad a la que se mueven las partículas y, por tanto, aumentará el
número de colisiones y la violencia de estas. El resultado es una mayor
velocidad en la reacción. Se dice, de manera aproximada, que por cada 10 °C de
aumento en la temperatura, la velocidad se duplica.
Esto explica por qué
para evitar la putrefacción de los alimentos los metemos en la nevera o en el
congelador. Por el contrario, si queremos cocinarlos, los introducimos en el
horno o en una cazuela puesta al fuego. Grado de
·
pulverización de los reactivos
Si los reactivos están en estado líquido o
sólido, la pulverización, es decir, la reducción a partículas de menor tamaño,
aumenta enormemente la velocidad de reacción, ya que facilita el contacto entre
los reactivos y, por tanto, la colisión entre las partículas.
Por ejemplo, el carbón arde más rápido
cuanto más pequeños son los pedazos; y si está finamente pulverizado, arde tan
rápido que provoca una explosión.
·
Naturaleza química de los reactivos que intervienen en
la reacción
Dependiendo del tipo de reactivo que
intervenga, una determinada reacción tendrá una energía de activación:
- Muy alta, y entonces será muy lenta.
- Muy baja, y entonces será muy rápida.
Así, por ejemplo, si tomamos como
referencia la oxidación de los metales, la oxidación del sodio es muy rápida,
la de la plata es muy lenta y la velocidad de la oxidación del hierro es
intermedia entre las dos anteriores.
·
Concentración de los reactivos
Si los reactivos están en disolución o son
gases encerrados en un recipiente, cuanto mayor sea su concentración, más alta
será la velocidad de la reacción en la que participen, ya que, al haber más
partículas en el mismo espacio, aumentará el número de colisiones.
El ataque que los ácidos realizan sobre
algunos metales con desprendimiento de hidrógeno es un buen ejemplo, ya que
este ataque es mucho más violento cuanto mayor es la concentración del ácido.
La variación de la velocidad de reacción
con los reactivos se expresa, de manera general, en la forma:
v = k [A]α [B]β
Donde α y β son
coeficientes que no coinciden necesariamente con los coeficientes
estequiométricos de la reacción general antes considerados. La constante de
velocidad k, depende de la temperatura.
·
Catalizadores
Los catalizadores son sustancias que
facilitan la reacción modificando el mecanismo por el que se desarrolla. En
ningún caso el catalizador provoca la reacción química; no varía su calor de
reacción.
Los catalizadores se añaden en pequeñas
cantidades y son muy específicos; es decir, cada catalizador sirve para unas
determinadas reacciones. El catalizador se puede recuperar al final de la
reacción, puesto que no es reactivo ni participa en la reacción.
Un mecanismo de
reacción es un postulado teórico que intenta explicar cuáles son las reacciones
elementales e intermediarios que suceden en una reacción
química y que permiten explicar las características cualitativas desarrollo
de color, aparición de precipitados, etc. y cuantitativas una de las más importantes
la velocidad de reacción observadas en su desarrollo. El mecanismo debe
soportarse en los datos experimentales reportados para la reacción estudiada
como los intermediarios, complejos activados o especies aislados
en el trabajo experimental; la energía involucrada en cada paso propuesto (que
determina la velocidad de reacción), cambios de fase, los efectos
inducidos por el catalizador (sí es que se adiciona alguno), los
productos obtenidos, el rendimiento de la reacción, la estereoquímica de
los productos, etc.
Desde un punto de vista
termodinámico, una ecuación química, los reactivos que son el estado inicial y
los productos el estado final, hay una variación de energía libre. La energía
libre debe ser negativa ya que será una reacción espontánea, es decir, que la
reacción podrá llevarse a cabo sin ningún impedimento termodinámico
Para hacer más fácil la
explicación será mejor hacerla con un ejemplo:
Para hacer el enlace A-B, los
reactivos se tienen que cortar las distancias, pero esto aumenta la fuerza
de repulsión de los electrones. Para evitar esta repulsión, los
reactivos tendrán que acercarse con suficiente energía cinética. Por
encima de esta energía, las moléculas A y B forman enlaces y a la
vez, las moléculas B y C están rompiendo el suyo. En este momento hay un
complejo formado por A, B y C, llamado complejo activado. Al final todos
los enlaces del B y C serán rotos y los enlaces A y B serán formados, es decir,
los productos.
También hay que recordar de
la energía de activación, que es la diferencia entre la energía de los
reactivos y la del complejo activado. Se puede considerar como una barrera
energética por la que deben pasar los reactivos para pasar a ser productos.
La teoría de colisiones,
propuesta hacia 1920 por Gilbert N. Lewis (1875-1946) y otros químicos, afirma
que para que ocurra un cambio químico es necesario que las moléculas de la
sustancia o sustancias iniciales entren en contacto mediante una colisión o
choque.
Pero no todos los choques son
iguales. El choque que provoca la reacción se denomina choque
eficaz y debe cumplir estos dos requisitos:
Que el choque genere la
suficiente energía para romper los enlaces entre los átomos.
Que el choque se realice con
la orientación adecuada para formar la nueva molécula. Los choques que no cumplen
estas condiciones y, por tanto, no dan lugar a la reacción, se denominan
choques ineficaces. A veces, el paso de reactivo a producto se realiza mediante
la formación de un compuesto intermedio o complejo activado que se
transformará posteriormente en los productos.
La energía de activación en química es la
energía que necesita un sistema antes de poder iniciar un determinado proceso.
La energía de activación suele utilizarse para denominar la energía mínima
necesaria para que se produzca una reacción química dada. Para que ocurra una
reacción entre dos moléculas, éstas deben colisionar en la orientación correcta
y poseer una cantidad de energía mínima.
Para La teoría del estado
de transición es una teoría que explica la velocidad de
reacción de reacciones químicas elementales. La teoría asume la
existencia de un tipo especial de equilibrio químico (cuasi-equilibrio)
entre los reactivos y el complejo activado o estado de
transición, una estructura intermedia inestable por su alta energía.
Esta teoría se emplea
fundamentalmente para comprender cómo se desarrollan las reacciones químicas,
pero no ha tenido mucho éxito en su objetivo inicial de calcular las constantes
de velocidad para lo cual se requiere un conocimiento preciso de
las superficies de energía potencial.
la catálisis es el proceso por el cual se aumenta
la velocidad de una reacción química, debido a la
participación de una sustancia llamada catalizador y aquellas que desactivan la catálisis
son denominados inhibidores. Una característica
importante es que la masa de catalizador no se modifica durante la reacción
química, lo que lo diferencia de un reactivo,
cuya masa va disminuyendo a lo largo de la reacción.
En la síntesis de muchos de los productos químicos industriales más importantes existe
una catálisis, ya que esta puede disminuir el tiempo que requiere. El
envenenamiento de los catalizadores, que generalmente es un proceso no deseado,
también es utilizado en la industria química. Por ejemplo, en la reducción del etino a eteno,
el catalizador paladio (Pd) es "envenenado"
parcialmente con acetato de plomo
(II), Pb(CH3COO)2. Sin la desactivación del catalizador,
el eteno producido se reduciría posteriormente a etano.
La
catálisis interviene en muchos procesos industriales. Así mismo, la mayoría de
los procesos “biológicamente” significativos son catalizados. La investigación
en catálisis es uno de los principales campos en ciencia aplicada e involucra
muchas áreas de la química, especialmente en química organometálica y ciencia
de materiales. La catálisis es importante para muchos aspectos de las ciencias
ambientales, por ejemplo, el convertidor catalítico de los automóviles y la
dinámica del agujero de ozono.
Bibliografía
·
Chang,
Raymond Química, 6ª ed McGraw-Hill, México, 1999.
