1. Rapidez de una reacción química
La transformación de una sustancia o varias de ellas en una u otras diferentes, constituye una reacción química. La(s) sustancia(s) que transforma(n) recibe(n) el (los) nombre(s) de reaccionante(s) y la(s) que aparece(n) se denomina(n) producto(s). Cuando todas sus involucradas están la misma fase la reacción llama reacción homogénea.
Las concentraciones de las sustancias que intervienen en reacción química expresan en mol/L. (=mol.L-¹) y en forma abreviada se utiliza simbolo del corchete, dentro del cual se escribe la fórmula la sustancia.
Observa datos contenidos en las tablas.
Los datos de las Tablas A y B se representan gráficamente, en el eje de las X (eje de las abscisas) se ubica el tiempo (t) y en eje Y (eje las ordenadas) las concentraciones.
Observa los cálculos que se realizan utilizando ya sea los dados en tablas o tomados de los gráficos.
Δc = Variación en la concentración del reactivo (concentración consumida).
Δc = 0,080 (mol/L) - 0,040 (mol/L)
Δc = 0,040 (mol/L)
Δt = Variación en el tiempo (lapso de tiempo transcurrido).
Δt = 4 min - 2 min
Δt = 2min
Relación (Δc/Δt) = 0,40 (mol/L) / 2 min
Δt = 0,20 (mol/L)/min
Esta relación indica que 0,020 (mol/L) de reactivo se transforman en producto cada minuto, es decir, la rapidez de desaparación del reactivo es de 0,020 (mol/L)/min en el lapso de tiempo considerado.
Δc = Variación en la concentración del producto (concentración producida).
Δc = 0,1420 (mol/L) - 0,0560 (mol/L)
Δc = 0,086 (mol/L)
Δt = variación en el tiempo (lapso de tiempo transcurrido).
Δt = 15,05 min - 3,65 min
Δt = 11,4 min
Relación (Δc/Δt) = 0,086 (mol/L) / 11,4 min
Relación (Δc/Δt) = 0,0075 (mol/L)/min
Esta relación indica que 0.0075 (mol/L) de producto se forman cada minuto, es decir, la rapidez de aparición del producto es de 0,0075 (mol/L)/min en el lapso de tiempo considerado.
La observación de las Tablas A y B, sus respectivas gráficas y los cálculos realizados, permiten escribir las siguientes conclusiones para el curso de una reacción:
1. El tiempo aumenta.
2. La concentración del reactivo disminuye.
3. La concentración del producto aumenta.
4. La relación (Δc/Δt) es la rapidez de la reacción, la cual se define de la siguiente manera: rapidez de una reacción es la disminución de la concentración de un reaccionante o el aumento de la concentración de un producto en la unidad de tiempo.
La rapidez de una reacción química se representa con ere minúscula, r. Sus unidades son (mol/L) / unidad de tiempo.
Expresión matemática: r = (Δc/Δt) [Ec. 1]
2. Teorías para explicar la rapidez de las reacciones químicas
La rapidez de las reacciones puede ser explicada por dos (2) teorías:
a) Teoría de las Colisiones o Teoría de los Choques.
b) Teoría de las Velocidades Absolutas de Reacción de Henry Eyring o Teoría del Estado de Transición.
a) Teoría de las Colisiones o Teoría de los Choques.
De acuerdo con esta teoría las moléculas para poder reaccionar deben cumplir con las siguientes condiciones:
Primero, las moléculas tienen que chocar para ponerse en contacto.
Segundo, para que los choques moleculares sean efectivos, las moléculas deben poseer una energía igual o mayor, que cierto valor crítico (valor mínimo).
Svante Arrhenius en 1888 llamó a este valor mínimo de energía, energía de activación, la cual se representa por Ea. La energía de activación es característica de cada reacción.
Por consiguiente, los reactivos no pasan directamente a productos, sino que primero adquieren energia suficiente para sobrepasar una barrera de energía de activación.
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| Figura 1. Efecto de la orientación sobre la probabilidad de que ocurra la reacción |
Tercero, para que los choques moleculares con suficiente energía sean efectivos, deben cumplir con un requerimiento de orientación. La orientación relativa de las moléculas durante los choques, determina si la energía mínima que poseen en ese instante, es capaz de orientar a los átomos a formar nuevos enlaces. En consecuencia, solamente una fracción de los choques con suficiente energía para reaccionar, son los que dan origen a los productos.
b) Teoría de las Velocidades Absolutas de Reacción de Henry Eyring o Teoría del Estado de Transición
Para entender el contenido de esta teoría imaginate la siguiente situación:
1. Se tiene una roca en la posición A y se desea llevarla a la posición C, donde posee menor energía potencial.
2. Para ello es necesario suministrarle a la roca energía, para vencer la barrera que la separa de una posición a la otra.
3. Cuando la roca alcanza la posición B, posee una energía potencial mayor que en A o C. Debido a esto, la roca no se encuentra en equilibrio, por lo tanto, puede regresarse a la posición A o seguir a la posición C.
La teoría de las Velocidades Absolutas de Reacción de Henry Eyring postula que:
Primero, los moléculas antes de reaccionar deben formar un complejo activado en equilibrio con los reactivos (equivalente a la posición B de la roca).
Este complejo activado puede regresarse, regenerar los reactivos y reacción.
Segundo, si el complejo activado se dirige hacia la formación de los productos (posición C de la roca), entonces, la rapidez de la reacción está dada por la rapidez de descomposición del complejo para formar los productos.
En la Figura 2, se presentan todas las variables relacionadas con la aplicación de esta teoría.
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| Figura 2. Diagrama de energía potencial |
A partir de la gráfica se tiene:
E reaccionante = 20 kJ
E productos = 10 kJ
E complejo activado = 35 kJ
Ea = 35 kJ - 20 kJ
Ea = 15 kJ
3. Factores que afectan la rapidez de una reacción química
La rapidez de una reacción depende de una serie de factores:
¶ Naturaleza de las sustancias reaccionantes.
¶ Superficie de contacto entre los reaccionantes (estado de subdivisión de los reaccionantes)
¶ Concentración de los reaccionantes.
¶ La temperatura.
¶ Presencia de un catalizador.
3.1. Naturaleza de las sustancias reaccionantes:
Si se coloca un trozo de hierro (Fe) y uno de oro (Au) al aire libre, se observará después de cierto tiempo, que el hierro se ha oxidado, mientras que el oro no ha sufrido ninguna variación.
Explicación
El hierro debido a su estructura electrónica (su naturaleza) tiene afinidad hacia el oxígeno, por lo tanto, los átomos de hierro al chocar con las moléculas de oxígeno, producen la reacción de oxidación, con su respectiva rapidez de reacción. La estructura electrónica del oro (su naturaleza) no le permite reaccionar con el oxígeno.
3.2 Superficie de contacto entre los reaccionantes (Estado de subdivisión de los reaccionantes)
Se tienen dos (2) muestras de la misma cantidad de madera, una en forma de un trozo compacto (A) y la otra en trozos muy pequeños (B).
Al someter ambas muestras de madera al proceso de combustión, la experiencia nos ha enseñado que el trozo compacto demora más tiempo en arder, es decir, la rapidez de reacción de la muestra B es mayor que la correspondiente a la de muestra A.
Explicación
La superficie de contacto de la madera se hace mayor al subdividirla, en consecuencia, los choques de las partículas que la forman con las moléculas de oxígeno del aire aumentan, lo cual hace que la rapidez de la reacción se incremente.
3.3. Concentración de los reaccionantes
Se tienen las siguientes muestras:
¶ Volúmenes iguales de dos (2) soluciones de HCl cuyas concentraciones son 0,5 mol/L y 1,0 mol/L
¶ Volúmenes iguales de dos (2) soluciones de Na₂CO₃ cuyas concentraciones son 0,5 mol/L y 1,0 mol/L
¶ Al verter con mucho cuidado las muestras de las soluciones de HCl, sobre las soluciones de Na₂CO₃, se observa que la reacción B es mayor que la reacción A.
Explicación
La rapidez de la reacción B es ma más alta que la correspondiente a la reacción A, porque al ser más alta la concentración de sus reactivos, incrementa el número de choques entre sus partículas, formándose mayor cantidad de producto en el mismo tiempo.
En 1864 Cato Guldberg y Peter Waage comprobaron que a temperatura constante, la rapidez de una reacción homogénea es directamente proporcional a la concentración en mol/L de los reaccionantes, cada concentración elevada a una potencia que se determina experimentalmente.
Esta generalización se denomina Ley de Acción de Masas.
Por ejemplo, si se tiene la siguiente ecuación química para una reacción.
aA + bB → cC + dD
la rapidez de desaparición de A o B, o la rapidez de formación de C o D, es proporcional a las concentraciones en mol/L de A o B o de A y B, cada una elevada a una potencia que se determina experimentalmente.
Matemáticamente se expresa mediante la expresión:
[Ec. 2]
la cual se llama ecuación de rapidez de reacción.
r = rapidez de la reacción
k = constante de proporcionalidad, llamada rapidez específica o constante de rapidez específica o constante de rapidez específica de la reacción.
[ ] = concentración de los reactivos en mol/L.
x, y = orden de cada reactivo en la ecuación de rapidez
Se denomina orden de una reacción a la suma de todos los exponentes a los cuales se encuentran elevadas las concentraciones en la ecuación de rapidez.
En la ecuación [2] el orden de la reacción, n, está dado por n = x + y.
Nota: Generalmente los exponentes x, y en la ecuación de rapidez (2) son sustituidos por los coeficientes de los reaccionantes en la ecuación química balanceada, es decir:
3.4. Efecto de la temperatura
Se disponen de los siguientes materiales:
¶ Volúmenes iguales de dos (2) muestras de agua. Una caliente, A, y la otra fría B.
¶ En cada una de ellas se introduce media pastilla de alka-seltzer. Se observa que la rapidez de la reacción entre el alka-seltzer y el agua es mayor en el agua caliente.
¶ Los alimentos se descomponen más rápido dentro del horno de la cocina que estando dentro de la nevera.
¶ El crecimiento del pasto y la actividad metabólica de la mosca común, es mayor en la época de calor que en los tiempos fríos.
Estas y otras observaciones, han permitido concluir que la rapidez de la mayoría de las reacciones químicas aumenta a medida que incrementa la temperatura.
Explicación
Al aumentar la temperatura de una reacción, incrementa el número de moléculas de reactivo que tienen suficiente energía (Ver Sección 2a) para reaccionar, en consecuencia, la rapidez de la reacción aumenta.
3.5 Catalizadores
Los hechos experimentales han demostrado que:
¶ El clorato de potasio (KCIO₃) se descompone por calentamiento más rápidamente, cuando se mezcla con una pequeña cantidad de dióxido de manganeso (MnO₂), que cuando está solo.
El MnO₂, se recupera después de la reacción sin ningún cambio en sus propiedades químicas
¶ El hidrógeno (H) y el oxígeno (O₂) no reaccionan apreciablemente a temperatura ambiente, pero en presencia de platino (Pt) finamente dividido, la reacción transcurre con rapidez creciente hasta ser muy pronto explosiva.
Después de la reacción, el platino se recupera sin haber sufrido ningún cambio en sus propiedades químicas.
¶ Cuando la pintura minio (Pb₃O₄) se usa para cubrir las piezas de hierro, la rapidez de oxidación de este metal se reduce a un mínimo. Las sustancias anteriores, MnO₂ Pt, Pb₃O₄, se llaman catalizadores.
Un catalizador es una sustancia que modifica la rapidez de una reacción sin sufrir ninguna alteración química.
Los catalizadores se clasifican en catalizadores positivos y catalizadores negativos, ya sea que aceleren la rapidez de las reacciones químicas o las retarden respectivamente.
El proceso mediante el cual actúa un catalizador se llama catálisis.
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| Figura 3 |
Se ha observado que algunas sustancias son capaces de detener la actividad de un catalizador, estas sustancias se denominan venenos de los catalizadores.
5. Importancia de los catalizadores
Los catalizadores son de uso muy común; la mayoria de las reacciones que se llevan a cabo en el cuerpo humano, en la atmósfera, en los océanos, y en los procesos químicos industriales, es con la participación de catalizadores.
Brevemente señalamos la acción de los catalizadores en algunas reacciones químicas.
¶ La obtención del amoníaco (NH₃) en la industria mediante el Proceso Haber, se acelera si en la reacción se agrega un catalizador formado por una mezcla de hierro, molibdeno y algo de óxido de aluminio (Al₂O₃).
¶ La preparación de ácido nítrico (HNO₃) industrialmente por el Método de Ostwald, basa en la oxidación del amoníaco, en presencia de una malla de platino que actúa catalizador.
¶ La obtención del ácido sulfurico (H₂SO₄) en el Método de las Cámaras de Plomo, realiza utilizando el ácido nitroso (HNO₂) como catalizador.
¶ Cuando se hace pasar acetileno (C₂H₂) sobre níquel finamente dividido y en caliente, se polimeriza formando benceno (C₆H₆)
¶ Los alquenos y los alquinos adicionan fácilmente hidrógeno en presencia de paladio como catalizadores y se transforman en alcanos.
¶ El acetaldehido (CH₃COH) se hidrogena catalíticamente y se obtiene alcohol etílico (C₂H₅OH).
¶ En la célula se realizan las reacciones muy fácilmente, gracias a la presencia de catalizadores producidos por los organismos vivos. Estos catalizadores se denominan enzimas. Las enzimas son de naturaleza proteínica. Cada enzima actúa sobre un determinado tipo de substancia, a la cual se le llama substrato y lo transforma en otra(s) sustancia(s).
A continuación se señalan algunas enzimas, el substrato donde actúan y el (los) producto(s) obtenido(s).
6. Importancia en ciencia y tecnología de la rapidez de las reacciones químicas.
Los químicos no solamente desean conocer cuales son las sustancias que se formarán a partir de determinados reactivos, sino también, la rapidez con que dichas reacciones se llevan a cabo y comprender los factores que afectan dicha rapidez.
Así vemos, por ejemplo lo siguiente:
¶ qué factores son importantes para determinar la rapidez con que los alimentos se descomponen.
¶ qué determina la rapidez a la cual el hierro se llena de herrumbre.
¶ obtener un material dental que pueda solidificarse rápidamente.
¶ cuáles factores influyen en la rapidez del crecimiento de los microorganismos.
¶ qué factores controlan la rapidez a la cual se quema la gasolina en el motor de un automóvil.
¶ conocer si la energía liberada en una reacción química, se hace de inmediato, en un período de minutos, quizás de días o aún de meses.
¶ cuáles factores influyen en la destrucción de la capa de ozono (O₃) y con qué rapidez actúan
¶ cómo influyen las enzimas en los procesos químicos que tienen lugar en nuestro organismo.
¶ cuáles metales se oxidan más fácil y rápidamente con el oxígeno del aire.
