1. Química – Cinética
Fernando Brierley – Felipe Salas
2011
¿Te has preguntado qué tan rápido ocurre una reacción? A lo largo de
este capítulo podremos responder a esta pregunta, pudiendo incluso
cuantificar la expresión de la velocidad. Además, aprenderemos qué es
lo que posibilita un montón de reacciones que ocurren en nuestro
cuerpo que de otro modo demorarían hasta cientos de años en ocurrir.
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© Fernando Brierley V. – Felipe Salas B.
2011
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Cinética
A pesar de haber aprendido muchas cosas acerca de las reacciones químicas, aún no
hemos sentado bases tan esenciales e importantes como ¿cuánto tarda una reacción? O bien,
¿qué ocurre si en una reacción los productos vuelven a reaccionar formando a los reactantes?
A lo largo de esta guía explicaremos preguntas como esas.
I] Teoría de las Colisiones.
Supongamos que poseemos dos reactantes y los queremos hacer reaccionar. De un
modo macroscópico vemos que los reactantes se unen, muchas veces con
absorción/liberación de calor y obtenemos nuestro producto. Sin embargo, lo que no vemos
del proceso son los innumerables choques entre las partículas, los cuales pueden ser choques
inefectivos o bien choques efectivos, estos
producen la ruptura y posterior formación
de nuevos enlaces atómicos, junto con la
reordenación de las moléculas a través de
fuerzas de Van der Walls, obteniendo así
nuestro producto. La teoría de las
Colisiones nos plantea que, al momento de
ocurrir una reacción, es necesario que se
rompan enlaces (requiere energía, la
llamada energía de activación) y se formen
nuevos enlaces (libera energía).
II] Energía de activación.
Toda reacción requiere lo que conocemos
como energía de activación. Esta energía es la
necesaria para que la reacción ocurra, pues es la
necesaria para que los reactantes lleguen a lo que
conocemos como complejo activado. El complejo
activado es una fase dentro de una reacción en la
cual no poseemos reactantes ni productos, sino una
fase intermedia de estos. Los compuestos
producidos dentro del complejo activado, son
altamente inestables, por ello es que reaccionan
estableciendo nuevos enlaces para formar los
productos. Luego, el complejo activado libera
energía dando origen los productos.
Como vemos, tanto las reacciones endotérmicas como las exotérmicas tienen una energía de
activación. La diferencia entre ellas, desde un punto de vista termodinámico, es la energía que
liberan luego del complejo activado.
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III] Velocidad de una reacción.
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Dentro de una reacción hay muchos pasos que pasan inadvertidos por nosotros. Sin
embargo, para determinar la velocidad de una reacción es necesario conocerlos.
Supongamos que tenemos una reacción de la forma: podemos expresar la velocidad
de la reacción de la siguiente manera:
Donde k es directamente proporcional a la velocidad de la reacción.
Es más, si tenemos la reacción su velocidad quedará expresada por
, es decir, las concentraciones de los productos son un factor de la velocidad.
En base a esto, definiremos el Orden de una reacción: Es la suma de los exponentes de las
concentraciones al expresar la velocidad de esta. En general, el orden de una reacción y su
velocidad son directamente proporcionales.
Si volvemos a la expresión de velocidad de nuestra reacción, tenemos:
IV] Factores que afectan la velocidad de reacción:
Como la constante de la velocidad se obtiene de un modo experimental, existen formas de
alterar la velocidad de una reacción.
- Concentración: La velocidad es
directamente proporcional a la
concentración, por lo tanto, al aumentar la
concentración aumenta la velocidad de
reacción. Desde el punto de vista de la
teoría de las Colisiones, un aumento de la
concentración implica un aumento del
número de choques y por lo tanto, un
aumento de velocidad.
- Temperatura: Si aumentamos la temperatura de un cuerpo, entonces aumentará
también la velocidad con la que se mueven sus partículas. Una mayor velocidad, en
teoría, aumenta el número de choques efectivos por lo cual aumenta la velocidad de
reacción.
- Presión: Si un sistema está sometido a una gran presión, alterará la velocidad de
movimiento de las partículas, aumentando su energía cinética. Producto de ello, el
número de choques efectivos aumenta por lo cual aumenta la velocidad de reacción.
- Catalizadores: Los catalizadores son diversas sustancias las cuales son capaces de
alterar la energía de activación. Hay algunos (los llamados positivos) que disminuyen
la energía de activación, disminuyendo así la velocidad de reacción. Los otros
(llamados negativos) aumentan la energía de activación, aumentando así la velocidad
de reacción. L t z “ y ” p
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un reactante más. Es por ello que, cuando la reacción termina, es posible extraer el
4 catalizador usado.
- Estado de agregación de los reactantes: Dependiendo del estado físico en el que se
encuentren, el número de choques efectivos entre las moléculas puede variar. Si
aumentamos el número de choques, entonces aumentará la velocidad de reacción.
- Luz: Hay reacciones, que al recibir energía en forma de luz, aumentan su velocidad de
reacción.
V] Catalizadores.
A pesar de ya conocer a grandes rasgos lo que hace un catalizador, es necesario ver un
poco más acerca de ellos. Es importante recalcar que la acción de un catalizador en una
reacción disminuye (o aumenta en el caso de los inhibidores) la energía de activación de esta
“ m t tv ” E t z t t t t
la reacción, siendo liberado al final de esta, pudiendo ser nuevamente utilizado en otra
reacción.
Dependiendo de la diferencia de estado entre los reactantes y el catalizador es que podemos
clasificar las reacciones catalizadas en dos
tipos:
1. Reacciones Heterogéneas: Ocurren
cuando los reactantes y el
catalizador se encuentran en
estados físicos distintos.
2. Reacciones Homogéneas: Ocurren
cuando los reactantes y el
catalizador se encuentran en el
mismo estado físico.
Es necesario recalcar que la naturaleza química de los catalizadores puede variar.
Podemos encontrar catalizadores orgánicos o inorgánicos.
1. Catalizadores inorgánicos: Dentro de esta categoría entran todos los catalizadores
que no sean orgánicos. Pueden ser metales, minerales, etc.
2. Catalizadores orgánicos: Dentro de esta categoría entran todos los catalizadores
orgánicos. Veremos con especial atención a las enzimas.
Las enzimas son proteínas las cuales actúan como catalizadores en nuestro cuerpo.
Sin ellas, las innumerables reacciones que ocurren para mantenernos vivos no podrían
ocurrir. Las enzimas, al ser proteínas están formadas por la unión de aminoácidos, los
cuales tienen en sus extremos un grupo carboxilo y un grupo amino.
Sin embargo, las proteínas pueden ser desnaturalizadas. Causas como el aumento
de la temperatura o un cambio de pH provocan que la proteína deje de funcionar
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correctamente. Es por ello, que muchas enzimas funcionan bien en el cuerpo humano
pero no en otros lugares. 5
Dato puntaje: Cuando freímos un huevo y la clara
pasa de ser de un color transparente a uno
blanco se debe a la desnaturalización de las
proteínas que la conforman.
Resumiendo, las enzimas son los catalizadores
naturales que usa nuestro cuerpo, y para su
correcto funcionamiento es necesario que
tengan una temperatura y un pH adecuados.
VI] Equilibrio químico.
Si en una reacción, los reactantes se están convirtiendo en productos, y los productos a
su vez se convierten en reactantes; estamos en un equilibrio químico.
Un equilibrio químico necesariamente tiene que
ocurrir cuando una reacción es reversible. Es más, las
velocidades de formación directa e inversa tienen que ser las
mismas.
Una reacción en equilibrio se expresa de la siguiente manera:
Donde A y B se convierten en C y D, y por su parte C y D están
reaccionando formando de vuelta A y B. Una vez alcanzado el
equilibrio, existe una constante, la llamada constante de
equilibrio (Kc)
La cual, si es mayor que uno, significa que hay mayor concentración de productos que
reactantes, si es igual a uno significa que la concentración es la misma y si es menor a 1
significa que la concentración de reactantes es mayor que la concentración de productos.
Dato puntaje: Si dentro de nuestra ecuación
química hay sustancias sólidas o líquidas, no es
necesario ponerlas en la ecuación de la
constante de equilibrio.
VII] Formas de afectar el equilibrio.
Científicos, entre ellos Le Chatelier y Bröwn, se preguntaron cómo alterar la constante
de equilibrio de una reacción reversible. Después de numerosos experimentos y de un arduo
trabajo intelectual concluyeron que los factores que desplazan el equilibrio (es decir, qué lado
de la ecuación se comienza a producir en mayor cantidad) son:
- Temperatura: Al variar la temperatura, dependiendo si la reacción es Endotérmica o
Exotérmica pueden ocurrir dos cosas:
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o Exotérmica: En este caso la reacción
6 libera calor. Por lo tanto, al aumentar la
temperatura el equilibrio se ve
desplazado hacia el lado izquierdo (pues
este lado no necesita calor). De modo
análogo, al disminuir la temperatura el
equilibrio se ve desplazado hacia el lado
derecho.
o Endotérmica: En este caso la reacción absorbe calor. Por lo tanto, al aumentar
la temperatura el equilibrio se ve desplazado hacia el lado derecho (pues este
lado necesita calor). De modo análogo, al disminuir la temperatura el
equilibrio se ve desplazado hacia el lado izquierdo.
- Presión: Dependiendo del lado de la reacción en el que haya mayor número de moles
de sustancias gaseosas, si disminuimos la presión el equilibrio se ve desplazado hacia
ese lado.
- Aumentar concentraciones: Si agregamos un componente al lado izquierdo, el
equilibrio se ve desplazado hacia el lado derecho. Análogamente, si agregamos un
componente al lado derecho, el equilibrio se ve desplazado hacia el lado izquierdo.
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