Velocidad de reacción y cinética química: energía de activación y catalizadores
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Algunas reacciones son instantáneas, como la explosión de la pólvora; otras tardan años, como la oxidación de un clavo. La cinética química estudia la velocidad a la que ocurren las reacciones y los factores que la modifican. Es distinta de la termodinámica: que una reacción sea espontánea no dice nada de qué tan rápido ocurre.
Velocidad de reacción
Es el cambio en la concentración de un reactivo o de un producto por unidad de tiempo:
El signo negativo se usa con los reactivos porque su concentración disminuye. La velocidad se expresa en mol/(L·s).
Ejemplo 1: en una reacción, la concentración de un producto pasa de 0 a 0.24 mol/L en 40 s.
Teoría de las colisiones
Para que dos moléculas reaccionen deben chocar, y el choque debe ser eficaz:
- Con la orientación adecuada.
- Con energía suficiente para romper los enlaces: al menos la energía de activación.
Energía de activación
La energía de activación () es la energía mínima que necesitan los reactivos para iniciar la reacción. Es como una colina que hay que subir antes de bajar al otro lado. En la cima se forma un complejo activado, una especie inestable en la que los enlaces viejos se están rompiendo y los nuevos se están formando.
Cuanto más alta es la energía de activación, más lenta es la reacción. Por eso un cerillo no se enciende solo: la combustión es muy exotérmica, pero necesita el calor de la fricción para comenzar.
Factores que afectan la velocidad de reacción
1. Concentración de los reactivos
A mayor concentración, hay más partículas en el mismo volumen, más choques y la reacción es más rápida. Por eso un pedazo de madera arde mucho más rápido en oxígeno puro que en el aire, que solo tiene 21 % de oxígeno.
2. Temperatura
Al aumentar la temperatura, las partículas se mueven más rápido: chocan más veces y, sobre todo, una mayor fracción de ellas tiene energía suficiente para superar la energía de activación. Como regla aproximada, en muchas reacciones la velocidad se duplica por cada 10 °C de aumento. Por eso los alimentos se conservan en el refrigerador.
- temperatura baja
- temperatura alta
3. Superficie de contacto
Cuanto más dividido está un sólido, más superficie expone y más rápido reacciona. Un terrón de azúcar se disuelve más lento que el azúcar molida, y el polvo de harina o de carbón puede incluso explotar.
4. Naturaleza de los reactivos
Las reacciones entre iones en disolución suelen ser muy rápidas, porque no hay que romper enlaces. Las que requieren romper enlaces covalentes fuertes son más lentas. El sodio reacciona violentamente con el agua; el hierro, muy despacio.
5. Catalizadores
Un catalizador es una sustancia que aumenta la velocidad de una reacción sin consumirse ni cambiar los productos. Funciona ofreciendo un camino alternativo con menor energía de activación. Al final de la reacción, el catalizador se recupera intacto.
- sin catalizador
- con catalizador
- El catalizador no cambia la energía de los reactivos ni la de los productos, así que no modifica el ni el equilibrio.
- Los inhibidores hacen lo contrario: retardan las reacciones. Los conservadores de los alimentos son inhibidores.
Ejemplos de catalizadores:
- El convertidor catalítico de los autos usa platino, paladio y rodio para transformar el CO y los óxidos de nitrógeno en y .
- Las enzimas son catalizadores biológicos: la amilasa de la saliva acelera la digestión del almidón.
- El hierro acelera la síntesis industrial del amoniaco.
- El dióxido de manganeso acelera la descomposición del agua oxigenada: .
Comprueba lo aprendido
1. ¿Por qué la leche se echa a perder más rápido fuera del refrigerador?
Porque a mayor temperatura las reacciones de descomposición (y la actividad de las bacterias) son más rápidas.
2. ¿Cómo acelera un catalizador una reacción?
Ofrece un camino con menor energía de activación, así que más choques resultan eficaces.
3. ¿Qué arde más rápido, un tronco o la misma madera en astillas? ¿Por qué?
Las astillas: tienen mayor superficie de contacto con el oxígeno.
Practica con los ejercicios resueltos de esta unidad:
Ejercicios de termoquímica, equilibrio y cinética
Referencias
- Chang, R. y Goldsby, K. A. (2017). Química (12.ª ed.). McGraw-Hill.
- Holum, J. R. (2005). Fundamentos de química general, orgánica y bioquímica para ciencias de la salud. Limusa.
- Colegio Nacional de Matemáticas. Guía práctica para el examen de ingreso a la universidad. Pearson Educación (temario de referencia).
