Velocidad de una Reacción Química

La experiencia indica que la velocidad a la que los reactivos se transforman en productos varía mucho de una reacción a otra. Algunas reacciones son extraordinariamente lentas; sin embargo, otras son casi instantáneas. La velocidad de una reacción es una magnitud positiva que expresa el cambio de la concentración de un reactivo o un producto con el tiempo.

Medida de la Velocidad de una Reacción

Se puede hallar la velocidad en un instante concreto, llamada velocidad instantánea. La velocidad de una reacción en un instante dado es igual a la pendiente de la recta tangente a la curva concentración-tiempo, relativa a reactivos o productos, en el punto correspondiente.

Orden de una Reacción. Molecularidad

La velocidad de reacción puede expresarse como: vel = k[A]^m[B]ⁿ. Esta ecuación se denomina ecuación de la velocidad o ley de la velocidad de la reacción. La constante de proporcionalidad, k, se denomina constante de velocidad. Sin embargo, sí varía con la temperatura. El valor del exponente al que está elevada la concentración de un reactivo en la ecuación de velocidad se denomina orden de la reacción con respecto a dicho reactivo. La suma de todos los exponentes se llama orden total. La ecuación de velocidad de una reacción química debe determinarse experimentalmente.

Factores que Afectan a la Velocidad de Reacción

1. Naturaleza de los Reactivos

   La velocidad de reacción varía mucho según la naturaleza de los reactivos.

2. Facilidad de los Reactivos para Entrar en Contacto

   La mayoría de las reacciones requieren que dos o más reactivos entren en contacto. Esta es una de las razones por las que las reacciones suelen llevarse a cabo en fase gaseosa o en disolución líquida. Cuando se reduce el tamaño de las partículas de un sólido, aumenta la superficie total del mismo, de modo que aumenta el área de contacto con los otros reactivos. Ello se traduce en un aumento de la velocidad de reacción. Si se quiere aumentar la velocidad de reacción cuando algún reactivo es sólido, se muele hasta reducirlo a un polvo fino.

3. Concentración de los Reactivos

   Cuanto más se aumente el número de moléculas confinadas en un volumen dado, mayor será la frecuencia con que estas colisionan entre sí. Por ello, la velocidad de una reacción generalmente aumenta cuando crece la concentración de los reactivos.

4. Temperatura del Sistema

   La velocidad de casi todas las reacciones químicas aumenta al elevar la temperatura. Como regla general aproximada, un aumento de la temperatura de 10°C hace que se duplique la velocidad de reacción. El aumento de la temperatura de un sistema supone un aumento de la frecuencia con que estas chocan entre sí. Esto se traduce en el aumento de la velocidad de reacción. Por ejemplo, la gasolina no arde a temperatura ambiente, pero cuando se calienta sí.

5. Catalizadores

   En ocasiones, determinadas sustancias llamadas catalizadores, añadidas a los reactivos, incrementan considerablemente la velocidad de una reacción. Además, al final de la reacción, los catalizadores aparecen íntegros.

La Teoría de Colisiones

Se basa en la idea de que para que una reacción pueda tener lugar, las moléculas de las sustancias reaccionantes deben chocar previamente entre sí. Por tanto, debe cumplirse que: la velocidad de una reacción es proporcional al número de colisiones producidas entre las moléculas de los reactivos. Según la teoría de colisiones, cualquier factor que aumente la frecuencia con que ocurren tales colisiones deberá aumentar la velocidad de reacción. No todas las colisiones son efectivas. Si así fuera, las reacciones gaseosas o líquidas serían todas rapidísimas, ya que en estos medios se producen muchas colisiones. Muy pocas reacciones ocurren a altas velocidades, la mayoría son lentas puesto que las moléculas de los reactivos chocan sin alterar sus enlaces.

Efecto de la Orientación o Efecto Estérico

Para la formación de productos, no es suficiente que las moléculas de los reactivos choquen, deben chocar con una orientación adecuada. También se requiere que posean una cierta energía mínima, dado que toda reacción requiere de un aporte de energía. Por ello, las partículas que colisionan deben tener suficiente energía para que se lleguen a romper dichos enlaces. Para que un choque resulte efectivo y dé lugar a una reacción, se requiere que las moléculas implicadas cumplan las siguientes condiciones:

1. Deben tener una orientación adecuada.
2. Deben poseer energía suficiente.

Energía de Activación

El estado intermedio del sistema, al que corresponde la energía máxima, se denomina estado de transición o complejo activado. La energía necesaria para pasar desde los reactivos al estado de transición se llama energía de activación, E_a. Los reactivos deben superar la barrera de energía de activación para poder convertirse en productos. El pico de la barrera corresponde al complejo activado. Normalmente, la energía cinética de las moléculas reaccionantes suministra la energía de activación. Cuanto menor sea E_a, mayor será el número de moléculas con energía suficiente para superar la barrera y reaccionar. La velocidad de una reacción aumenta al disminuir su energía de activación E_a. En la práctica, el aumento de la velocidad de reacción es muy superior al aumento del número de choques entre las moléculas, debido a que la energía cinética de las moléculas aumenta con la temperatura y muchas más moléculas superan la energía de activación.

Catálisis

Un catalizador es una sustancia que afecta a la velocidad de una reacción química y aparece íntegra al término de la misma (aunque puede aparecer en otro estado físico). Se reserva el término catalizador para las sustancias que aceleran la velocidad de reacción. Si una sustancia disminuye la velocidad de reacción, se la denomina inhibidor. La acción de un catalizador recibe el nombre de catálisis. El catalizador no aparece en la ecuación neta de la reacción, ya que se regenera en el transcurso de la misma. Los catalizadores desempeñan un papel activo: cambian el mecanismo de la reacción. El catalizador proporciona un camino cuya energía de activación es menor que la correspondiente a la misma reacción sin catalizar. Los catalizadores aumentan la velocidad de reacción debido a que disminuyen la energía de activación. La presencia de un catalizador no afecta en nada al calor de reacción ni a la espontaneidad del proceso. Los valores de ΔH_r, ΔS_r y ΔG_r no se ven afectados por la presencia de un catalizador.

Clases de Catálisis

Los distintos tipos de catálisis son:

• Catálisis homogénea: el catalizador se encuentra en la misma fase que los reactivos.
• Catálisis heterogénea: el catalizador se encuentra en una fase diferente de aquella en la que están los reactivos. Su mecanismo más común está basado en la absorción de las moléculas reaccionantes.
• Catálisis enzimática: las sustancias que catalizan las reacciones bioquímicas se denominan enzimas. El reactivo o sustrato encaja perfectamente en un punto específico de la superficie de la enzima, manteniéndose por fuerzas intermoleculares. Después de esta, la configuración de la enzima puede variar, debilitándose el enlace clave del sustrato y aumentando así la velocidad de reacción.

A veces son posibles varias reacciones a partir de unos mismos reactivos. En estos casos se obtienen los productos que se formen rápidamente, y esto puede depender del catalizador utilizado. La naturaleza del catalizador puede determinar los productos de la reacción.