CINETICA QUIMICA

Este campo estudia la velocidad de reacción de los procesos químicos en función de la

concentración de las especies que reaccionan, de los productos de reacción, de los

catalizadores e inhibidores, de los diferentes medios disolventes, de la temperatura, y de

todas las demás variables que pueden afectar a la velocidad de una reacción.

Cuando algunas sustancias reaccionan lo hacen en forma lenta, por ejemplo el hierro en

presencia de aire; otras reaccionan rápidamente,como por ejemplo el sodio también en

presencia de aire; y hay sustancias como el papel en presencia de aire que no

reaccionarían jamas sin el auxilio del fuego, pero una vez comenzada la reacción ésta se

desarrolla rápidamente.

Entonces, tanto para que una reacción ocurra, como para modificar su velocidad, se

deberán tener en cuenta varios factores.

Velocidad de reacción

La cinética química busca la relación entre la forma precisa en que varía la velocidad de

reacción con el tiempo, y la naturaleza de las colisiones intermoleculares (que controlan

la velocidad) implicadas en la generación de los productos de reacción.

La velocidad de reacción se expresa de la siguiente forma:

Velocidad = moles o gramos de sustancias que reaccionan por litro

(1) tiempo en segundos

Velocidad = moles o gramos de sustancias obtenidas por litro

(2) tiempo en segundos

Por ejemplo:

HCl + NaOH NaCl + H2O

Para esta ecuación la expresión de velocidad es:

1) Moles o gramos de HCl o de NaOH por litro y por segundo.

2) Moles o gramos de NaCl o de H2O por litro y por segundo.

Los moles o gramos de sustancia por litro de solución es la concentración, expresada

como molaridad o simplemente en g/l. Por lo tanto, la velocidad de reacción se puede

expresar como:

V = C/t (3)

Naturaleza de los reactantes

La naturaleza de los reactantes involucrados en una reacción determina el tipo de

reacción que se efectúa. Las reacciones en las cuales se redistribuyen enlaces o se

transfieren electrones pueden ser más lentas que las que no involucran estos cambios.

Las reacciones iónicas se efectúan inmediatamente, esto se debe a las frecuentes

colisiones entre iones con cargas opuestas.

En una reacción iónica no hay transferencia de electrones. Las reacciones entre

moléculas neutras pueden ser más lentas que las iónicas a causa de la transferencia

electrónica y redistribución de enlaces. La mayor parte de las colisiones moleculares

son elásticas, por lo tanto,las moléculas simplemente rebotan y se apartan sin cambios.

Sin embargo, algunas colisiones tienen la suficiente energía para ocasionar cambios en

las nubes electrónicas de las moléculas que chocan. Cuando ocurre el cambio, las

moléculas que chocan pueden formar el complejo activado. La energía requerida para

formar este se conoce como energía de activación. Si esta es pequeña pocas de las

colisiones tienen la suficiente energía para formar el complejo activado. Por lo tanto, la

reacción puede ser tan lenta que no es detectable.

Por ejemplo, el hidrógeno y el oxígeno pueden mantenerse durante años en el mismo

recipiente sin reaccionar. Aunque hay colisiones entre las moléculas, no se alcanza la

energía de activación. Sin embargo, si la mezcla se calienta a 800 °C, o se introduce una

llama o una chispa en el recipiente, el hidrógeno y el oxígeno reaccionan violentamente.

El calor, la llama o la chispa suministran la energía de activación.

Factores que modifican la velocidad de las reacciones

Para que dos sustancia reaccionen, sus moléculas, átomos o iones deben chocar. Estos

choques producen un nuevo ordenamiento electrónico y, por consiguiente un nuevo

ordenamiento entre sus enlaces químicos, originando nuevas sustancias.

1. Temperatura

Según la Teoría Cinética, la temperatura aumenta la energía cinética de las moléculas o

iones y por consiguiente el movimiento de estos, con lo cual, aumenta la posibilidad de

choques entre las moléculas o iones de los reactivos, aumentando la posibilidad de que

ocurra la reacción o acelerando una reacción en desarrollo.

Sin embargo, el incremento de la velocidad de la reacción no depende tanto del

incremento del número de colisiones, cómo del número de moléculas que han

alcanzado la energía de activación.

La velocidad de una reacción crece, en general, con la temperatura, y se duplica,

aproximadamente, por cada 10 °C que aumenta la temperatura.

Por ejemplo, el cloruro de sodio reacciona lentamente con el ácido sulfúrico. Si se le

proporciona calor aumenta la velocidad de reacción dando sulfato de sodio (Na2SO4) y

ácido clorhídrico:

2.NaCl + H2SO4 Na2SO4 + 2.HCl

Recordemos que los combustibles para ser quemado,primero deben alcanzar su punto

de combustión, luego por ser reacciones exotérmicas (liberan calor) la combustión

continúa sola.

2. Superficie de contacto

Cuando una o todas las sustancias que se combinan se hallan en estado sólido, la

velocidad de reacción depende de la superficie expuesta en la reacción. Cuando los

sólidos están molidos o en granos, aumenta la superficie de contacto y por consiguiente,

aumenta la posibilidad de choque y la reacción es más veloz.

Lo mismo ocurre cuando las sustancias reaccionantes no son miscibles entre sí, como

por ejemplo, en la hidrólisis neutra de un aceite, se hace reaccionar éste con agua,para

lograrlo, el agua de la parte inferior (recordemos que el aceite es más liviano que el

agua) se recircula hacia la parte superior rociándola sobre la superficie del aceite.

Otro ejemplo sería el de un kilo de viruta de madera, que se quema más rápido que un

tronco de un kilo de masa.

Para comprender mejor esto realicemos el siguiente cálculo: un cubo de un metro de

lado (de cualquier material), tiene una superficie de:

S cubo = 6.l.l S cubo = 6.(1 m) ² S cubo = 6 m ² (4)

Si a este cubo lo dividimos en 1000 cubitos de 0,10 m de lado, tendremos para un

cubito una superficie de:

S cubito = 6.l.l S cubito = 6.(0,10 m) ² S cubito = 0,06 m ²

El total de la superficie de los 1000 cubitos es:

S cubitos = 1000. 0,06 m ² S cubitos = 60 m ² (5)

Comparando los resultados (4) y (5) se observa cuantitativamente que aumento la

superficie de contacto.

3. Agitación

La agitación es una variante del punto anterior, lo que se logra agitando las sustancias

reaccionantes, es mezclar íntimamente los reactivo aumentando la superficie de

contacto entre ellos.

4. Luz

Hay reacciones que en la oscuridad son muy lentas,como por ejemplo, la combinación

del hidrógeno con el cloro. La luz solar acelera la reacción de modo tal, que a la luz

solar directa, la reacción se hace explosiva:

H2 + Cl2 2.HCl

Lo mismo ocurre en la formación de glúcidos por los vegetales verdes a partir del agua

y el dióxido de carbono en la fotosíntesis. Ocurre lo mismo con la descomposición de

sustancias poco estables, por tal motivo se envasan en recipientes que impidan el paso

de la luz, como por ejemplo,el peróxido de hidrógeno:

2.H2O2 + luz 2.H2O + O2 (g) (rápida)

5. Concentración

La velocidad de una reacción química es proporcional a la concentración en moles por

litro (moles/litro), de las sustancias reaccionantes.

Si dos sustancias homogéneas A y B (gases o soluciones) reaccionan:

A + B C + D (6)

La velocidad de la reacción es:

V = [A].[B] (7)

En la que los corchetes señalan concentraciones en moles por litro. Observemos que si

duplicamos la concentración, por ejemplo, de la sustancia A, la velocidad de la reacción

se duplica:

V* =2.[A].[B] (8)

Si las sustancias que reaccionan son gaseosas, la concentración de las mismas aumenta

disminuyendo el volumen, lo que se logra aumentando la presión.

En la figura anterior se observa, que aumentando la presión las moléculas de las

sustancias reaccionantes se aproximan entre sí, acrecentando la posibilidad de choque

entre sus moléculas, y por consiguiente se acelera la reacción.

6. Catalizadores

Se llaman catalizadores a las sustancias que intervienen en las reacciones, acelerándolas

o retardándolas y que siguen presentes al finalizar la reacción, es decir que no se

consumen en esta, no son parte de los productos reaccionantes. Las sustancias que

retardan la velocidad de reacción se denominan inhibidores.

Por ejemplo, añadiendo dióxido de manganeso (MnO2) al peróxido de hidrógeno

(H2O2), se observa que se descompone liberando abundante oxígeno:

2.H2O2 + n.MnO2 2.H2O + O2 (g) + n.MnO2 (rápida)

La cantidad n de dióxido de manganeso (MnO2) permanece constante luego de

finalizada la reacción.

Resumiendo: para aumentar la velocidad de una reacción, se debe aumentar la

posibilidad de choque entre las moléculas, iones o átomos de las sustancias

reaccionantes, modificando las variables enumeradas que el proceso permita.

Junto con los aspectos materiales y energéticos de las reacciones, la química se interesa

por los detalles del proceso en sí. La rapidez de la reacción, los factores que influyen en

ella, el mecanismo de la reacción o conjunto de pasos intermedios y la situación de

equilibrio en las reacciones reversibles, constituyen algunos de estos detalles que

completan la descripción fundamental de los procesos químicos.

Para que un proceso químico sea observable es preciso que se lleve a efecto con cierta

rapidez. Así, por ejemplo, a pesar de los elevados porcentajes de oxígeno y nitrógeno

existentes en la composición del aire, la reacción:

N2 + O2 2NO

tiene lugar con tal lentitud, que es prácticamente inobservable. En ocasiones, por el

contrario, una reacción puede verificarse con tal rapidez que se convierta en explosiva.

La combustión del hidrógeno constituye un ejemplo típico de este tipo de reacciones.

Una reacción química cuyo ritmo de transformación sea lento, no suele tener ningún

interés en la industria química, ya que, por lo general, lo que se busca con la reacción es

la obtención de un determinado producto en cantidades apreciables. Lo anterior pone de

manifiesto la necesidad de conocer la rapidez con la que los reactivos se transforman en

productos en una reacción química,es decir, su velocidad

LA VELOCIDAD DE LOS PROCESOS

El concepto de velocidad de reacción

Se define la velocidad v de una reacción, como la cantidad de reactivo que se consume,

o la de producto que se forma, por unidad de volumen en la unidad de tiempo.

Dado que la cantidad de sustancia por unidad de volumen en una disolución, se

denomina concentración, y teniendo en cuenta que, por lo general, tanto los reactivos

como los productos se hallan en disolución, ya sea líquida, sólida o gaseosa, la

velocidad de reacción representa la variación de concentración de una cualquiera de las

sustancias que intervienen en la reacción por unidad de tiempo.

Para una reacción del tipo:

A + B C + D

donde A y B representan los reactivos y C y D los productos, la velocidad se puede

expresar, recurriendo a la notación de incrementos, en la forma:

v = Δ[C]/Δt

y se mide en mol/l.s.

Recordando el significado de Δ/Δt como la rapidez con la que varía algo, la anterior

expresión indica que v es, en efecto, la rapidez con la que varía (aumenta) la

concentración ([ ]) del producto C con el tiempo. Junto con la anterior, son expresiones

equivalentes de la velocidad:

v = -Δ[A]/Δt = -Δ[B]/Δt = Δ[D]/Δt

dado que, si la masa se mantiene constante, la velocidad con la que aparecen los

productos tiene que ser igual a la velocidad con la que desaparecen los reactivos. El

signo negativo se introduce para compensar el que corresponde a la disminución de la

concentración de los reactivos; de este modo, el valor de la velocidad resulta igual y

positivo cualquiera que sea la sustancia A, B, C o D elegida.

Para una reacción como la de síntesis del yoduro de hidrógeno:

H2 + I2 2Hl

por cada mol de hidrógeno molecular H2que se consume, se producen dos moles de

yoduro de hidrógeno Hl; como ambos procesos se dan al mismo tiempo, la velocidad de

aparición del producto es, en este caso, el doble de la de desaparición de uno cualquiera

de los reactivos. La velocidad de reacción ha de ser única y viene dada por cualquiera

de las ecuaciones siguientes:

v = -Δ[I2]/Δt = -Δ[H2]/Δt = Δ[HI]/2.Δt

Para una reacción más general, del tipo:

aA + bB cC + dD

el resultado anterior puede expresarse en la forma:

La determinación de la velocidad de reacción

En general, la velocidad de una reacción varía con el tiempo, pues al principio la

concentración de los reactivos es elevada, pero a medida que la reacción progresa,dicha

concentración disminuye y con ella la velocidad del proceso.

La determinación experimental de la velocidad de reacción en un momento dado, puede

hacerse a partir de la gráfica que representa la variación con el tiempo de la

concentración de una cualquiera de las sustancias que intervienen. El cálculo de la

pendiente permite estimar la velocidad. La tabla adjunta muestra los resultados

obtenidos para la reacción de descomposición: 2HI I2 + H2 al medir la concentración

de Hl a intervalos sucesivos de tiempo de 10 minutos cada uno, mediante la toma de

muestras de la mezcla gaseosa y su posterior análisis químico.

La representación gráfica de los pares de valores tiempo-concentración indica que la

curva es decreciente, lo que significa que la concentración de reactivo disminuye con el

tiempo. La velocidad de reacción en el último intervalo de tiempo, por ejemplo, vendrá

dada por:

es decir,

v = 0,83 · 10-5

mol/l · min

El tomar con signo negativo la variación de la concentración de los reactivos equivale a

considerar siempre la velocidad de reacción positiva.

Reacciones de primer orden

Son aquellas en las que la velocidad depende de la concentración de reactivo elevado a

la primera potencia.

Reacciones de orden dos

Son aquellas cuya velocidad depende de la concentración de uno de los reactivos

elevado al cuadrado, ó bien de la concentración de dos reactivos distintos elevados cada

uno de ellos a la primera potencia.