Cinética química

Sabemos que la oxidación del hierro es una reacción química. No sucede rápidamente. La oxidación del hierro se produce lentamente. Sin embargo, la quema de gasolina es una reacción rápida. ¿Alguna vez te has preguntado por qué algunas reacciones ocurren rápidamente mientras que otras tardan horas o días? La respuesta se puede encontrar en el concepto de velocidad de reacción.

La velocidad de reacción se refiere a la velocidad a la que tiene lugar una reacción química. La velocidad de una reacción generalmente se mide monitoreando los cambios en la concentración de los reactivos o productos a lo largo del tiempo. Cuanto más rápida sea la velocidad de reacción, menor será el tiempo que tardará en producirse la reacción. Si la velocidad de reacción es más lenta, la reacción tardará más tiempo en completarse.

La velocidad de una reacción química se puede expresar como el cambio en la concentración de una sustancia involucrada en la reacción dividido por el intervalo de tiempo durante el cual ocurre el cambio en la concentración. Las unidades para las velocidades de reacción dependen de la reacción específica que se esté estudiando. En una reacción química, la concentración de los reactivos disminuye con el tiempo. La concentración de productos aumenta con el tiempo.

Consideremos una reacción química en la que el reactivo A reacciona con el reactivo B para formar el producto C. Con el paso del tiempo las concentraciones del reactivo A y del reactivo B disminuirán. La velocidad de esta reacción particular en términos del reactivo A se expresa como −Δ[A]/Δt. ΔRepresenta el concepto de cambio. El signo negativo se debe al hecho de que la concentración del reactivo disminuye con el tiempo.

La velocidad en términos del reactivo B se expresa como −Δ[B]/Δt. El signo negativo aquí se debe a la disminución en la concentración del reactivo B. La tasa en términos del producto C se puede expresar como Δ[C]/Δt. No hay ningún signo negativo aquí. Esto se debe a que la concentración de productos aumenta con el paso del tiempo.

Para calcular la velocidad de una reacción química, es necesario determinar el cambio en la concentración de un reactivo o producto durante un intervalo de tiempo específico. Digamos que la concentración inicial de un reactivo se expresa como [A]₁. La concentración final del reactivo se expresa como [A]₂. Entonces el cambio en la concentración sería igual a la concentración final menos la concentración inicial. El tiempo inicial se expresa como t₁. El tiempo final se expresa como t₂. El intervalo de tiempo es igual al tiempo final menos el tiempo inicial.

Para calcular la velocidad de reacción, primero reste la concentración final del reactivo de la concentración inicial del reactivo para obtener el cambio en la concentración del reactivo. De manera similar, reste el tiempo final del tiempo inicial para determinar el intervalo de tiempo. Finalmente, divida el cambio en la concentración del reactivo por el intervalo de tiempo para obtener la velocidad de reacción.

Consideremos un ejemplo para calcular la velocidad de una reacción química. Supongamos que tenemos una reacción donde la concentración inicial del reactivo A es 0.1M. La concentración final del reactivo A es 0.05M. El tiempo inicial es 0 segundos y el tiempo final es 30 segundos.

Primero, necesitamos calcular el cambio en la concentración del reactivo A y el intervalo de tiempo. El cambio en la concentración del reactivo A es -0.05M. El intervalo de tiempo calculado es de 30 segundos. Ahora dividiremos el cambio en la concentración por el intervalo de tiempo. Finalmente la velocidad de reacción calculada es 0.00167M/s. El signo negativo indica que se están consumiendo reactivos. Esto demuestra que 00167Mdel reactivo A se consume cada segundo durante esta reacción.

Varios factores afectan la velocidad de una reacción química. Discutiremos brevemente estos factores. La concentración de reactivos juega un papel importante en la determinación de la velocidad de reacción. A medida que aumenta la concentración de reactivos, aumenta la frecuencia de colisiones exitosas entre partículas. Un mayor número de colisiones exitosas entre partículas reactivas significa que más reactivos se convertirán en productos en menos tiempo. Esto conduce a una mayor tasa de reacción.

La temperatura tiene un efecto directo sobre la velocidad de una reacción. Cuando aumenta la temperatura, también aumenta la energía cinética de las partículas. Esto da lugar a colisiones más frecuentes y enérgicas. Las colisiones más frecuentes y enérgicas significan que los reactivos se convertirán en productos más rápidamente. Por lo tanto, una temperatura más alta generalmente conduce a una mayor velocidad de reacción.

En reacciones que involucran reactivos sólidos, el área superficial del sólido juega un papel en la velocidad de reacción. Al aumentar la superficie de un reactivo sólido, se exponen más partículas. Esto proporciona un área más grande para que las partículas reactivas de la otra fase, como un gas o un líquido, colisionen. Esta mayor superficie aumenta las posibilidades de colisiones exitosas y conduce a una mayor velocidad de reacción.

Los catalizadores son sustancias que aceleran las reacciones químicas sin consumirse ni alterarse permanentemente en el proceso. Los catalizadores funcionan proporcionando una vía de reacción alternativa que requiere una energía de activación menor en comparación con la reacción no catalizada. La energía de activación es la energía mínima necesaria para que se produzca una reacción química. Al reducir la energía de activación, los catalizadores permiten que las partículas reactivas superen más fácilmente la barrera energética y procedan a la formación de productos.

Los catalizadores homogéneos son catalizadores que están en la misma fase que los reactivos en una reacción. Normalmente, los catalizadores homogéneos se utilizan en reacciones que ocurren en soluciones o gases. Un ejemplo de catalizador homogéneo es el uso de ácidos o bases en reacciones químicas particulares. Por ejemplo, el ácido sulfúrico puede actuar como catalizador en la reacción de esterificación. En esta reacción, el ácido sulfúrico ayuda a convertir un alcohol y un ácido carboxílico en un éster y agua. El ácido sulfúrico, el alcohol y el ácido carboxílico están todos en la misma fase líquida.

Los catalizadores heterogéneos son catalizadores que existen en una fase diferente de los reactivos. Normalmente, los catalizadores heterogéneos son sustancias sólidas que facilitan reacciones que involucran gases o líquidos. Un ejemplo de catalizador heterogéneo es el platino, que se utiliza en los convertidores catalíticos de los automóviles. El convertidor catalítico contiene una estructura en forma de panal recubierta de platino. El catalizador de platino ayuda a convertir los gases de escape nocivos, como el monóxido de carbono y los óxidos de nitrógeno, en sustancias menos dañinas como el dióxido de carbono, el gas nitrógeno y el agua.