Teoría: Velocidad de Reacción
Cuando se produce una reacción química, las concentraciones de cada uno de los reactivos y productos van variando con el tiempo, hasta que se produce el equilibrio químico, en el cual las concentraciones de todas las sustancias permanecen constantes. Se define la velocidad de reacción como:
V = limΔt->0 Δ[sustancia]/Δt = d[sustancia]/dt
Expresión de la Velocidad de una Reacción Química
En la reacción estándar:
aA + bB → cC + dD
La velocidad se expresa como:
v = -1/a · d[A]/dt = -1/b · d[B]/dt = 1/c · d[C]/dt = 1/d · d[D]/dt
Ecuación de Velocidad
En general, la velocidad depende de las concentraciones de los reactivos siguiendo una expresión similar a la siguiente para la reacción estándar:
aA + bB → cC + dD
v = k[A]m[B]n
Es importante señalar que “m” y “n” no tienen por qué coincidir con los coeficientes estequiométricos “a” y “b”, sino que se determinan experimentalmente. A la constante “k” se le denomina constante de velocidad (No confundir con KC o KP).
Orden de Reacción
En la expresión:
v = k[A]n[B]m
Se denomina orden de reacción al valor suma de los exponentes “n + m”. Se llama orden de reacción parcial a cada uno de los exponentes. Es decir, la reacción anterior es de orden “n” con respecto a A y de orden “m” con respecto a B.
Determinación de la Ecuación de Velocidad
Consiste en medir la velocidad inicial manteniendo las concentraciones de todos los reactivos constantes excepto la de uno y ver cómo afecta la variación de este al valor de la velocidad. Si, por ejemplo, al doblar la concentración de un reactivo la velocidad se multiplica por cuatro, podemos deducir que el orden parcial respecto a ese reactivo es “2”.
Mecanismos de Reacción. Molecularidad
La reacción:
H2 (g) + I2 (g) → 2 HI (g)
Cuya ecuación de velocidad tiene la forma:
v = k[H2][I2]
Es una reacción elemental (que sucede en una sola etapa) y para que suceda es necesario el choque de dos moléculas (una de H2 y otra de I2). Se dice que es una reacción “bimolecular”. Se llama molecularidad al número de moléculas de reactivos que colisionan simultáneamente para formar el complejo activado en una reacción elemental. Es raro que en una reacción intervengan más de tres moléculas, pues es muy poco probable que choquen entre sí simultáneamente con la energía y orientación adecuadas. Por dicha razón, la mayoría de las reacciones suceden en etapas. El conjunto de estas etapas se conoce como “mecanismo de la reacción”. Las sustancias que van apareciendo y que no son los productos finales se conocen como “intermedios de reacción”. La velocidad de la reacción dependerá de las sustancias que reaccionen en la etapa más lenta.
Teoría de las Colisiones. Energía de Activación (Ea)
El número de moléculas de productos es proporcional al número de choques entre las moléculas de los reactivos. De estos, no todos son efectivos, bien porque no tienen la energía necesaria para constituir el “complejo activado” (asociación transitoria de moléculas muy inestable, porque su energía es mayor a la de reactivos y productos por separado, pero por el cual debe transcurrir necesariamente la reacción), o bien porque no tienen la orientación adecuada. La energía de activación es la necesaria para formar el “complejo activado”, a partir del cual la reacción transcurre de forma natural.
Factores que Dependen de la Velocidad de una Reacción Química
- Naturaleza de las sustancias
- Estado físico
- Superficie de contacto o grado de pulverización (en el caso de sólidos)
- Concentración de los reactivos
- Temperatura
- Presencia de catalizadores
Estado Físico de los Reactivos
Cuando los reactivos se encuentran en estado gaseoso o en disolución, 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 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. (Ecuación de Arrhenius)
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. Así, a T2 hay un mayor porcentaje de moléculas con energía suficiente para producir la reacción (área sombreada) que a T1.
La variación de la constante de la velocidad con la temperatura viene recogida en la ecuación de Arrhenius:
k = A · e-Ea/RT
- k = constante de velocidad
- A = constante
- T = temperatura absoluta
Normalmente se expresa de forma logarítmica para calcular EA:
ln k = ln A – Ea/RT