Velocidad de reacción química

Tasa de reacción

La velocidad a la que se produce una reacción química se define como el cambio en la concentración del sustrato o producto a lo largo del tiempo. La velocidad de una reacción química es una función que se presenta en forma de ecuación de velocidad generalmente aplicable. Los cambios en la cantidad de componentes en dicha ecuación generalmente se expresan en concentraciones molares. Tenga en cuenta que se puede utilizar cualquier otra forma de expresar cantidades, como masa, fracción molar o fracción atómica (relación). La química también utiliza un concepto más avanzado llamado velocidad instantánea de una reacción química . El curso de la reacción se puede visualizar trazando la relación entre la concentración molar (en el eje y) y el tiempo de reacción (en el eje x). Para la curva resultante se determinan una tangente y su pendiente, la última de las cuales corresponde a la velocidad instantánea de la reacción. Otro valor que también caracteriza la velocidad de una reacción química es la llamada vida media . Es un valor que describe el comportamiento de los elementos radiactivos a lo largo del tiempo. La vida media es el tiempo necesario para que reaccione la mitad de la cantidad inicial de sustrato, lo que significa que cuanto más larga es la vida media, menor es la constante de velocidad k en la ecuación de velocidad de una reacción química. Factores que afectan la velocidad de una reacción química:

• Concentración de sustrato : se ha demostrado experimentalmente una y otra vez que la velocidad de reacción depende decisivamente de la concentración de sustrato. Cuanto mayor sea su concentración en el sistema, más rápido se desarrollará un proceso en particular. Esto se puede explicar utilizando la teoría de colisiones. Según esta teoría, una condición para que tenga lugar una reacción química particular es que se produzca una colisión exitosa (es decir, una colisión con suficiente energía) entre moléculas de sustrato individuales. Por lo tanto, cuantas más moléculas de sustrato haya (cuanto mayor sea su concentración), mayor será la probabilidad de colisión y, por tanto, mayor será la velocidad de reacción (esta es una relación directamente proporcional).
• Un catalizador presente en el sistema : los catalizadores son sustancias que, cuando se agregan a un sistema de reacción, aumentan la velocidad a la que se produce una reacción química. Esto está relacionado con la reducción de la energía de activación, es decir, la energía necesaria para que los sustratos superen la barrera energética de la reacción y formen el complejo activo (el estado de transición) antes de la formación de los productos de reacción reales. La reducción de la energía de activación por parte del catalizador significa que se requiere menos energía para iniciar la reacción química.
• Temperatura y presión : según la regla de van’t Hoff, aumentar la temperatura del sistema de reacción en 10ᵒC aumenta la velocidad de reacción de 2 a 4 veces. Esta relación permite estimar la velocidad de reacción si se aumenta la temperatura, pero no se aplica a todas las reacciones y en casos excepcionales incluso conduce a una disminución de la velocidad de reacción o a productos indeseables. En reacciones en las que participan únicamente sustancias gaseosas, la presión en el sistema juega un papel clave. Su aumento significa que la concentración de sustrato es mayor, por lo que las colisiones exitosas entre moléculas individuales se producen de manera más eficiente y aumenta la velocidad de reacción.
• Grado de finura : en su superficie tienen lugar reacciones químicas que involucran sustratos sólidos. Cuanto mayor sea la superficie de la sustancia, más rápida y eficiente será la reacción que la involucra. Así, para aumentar al máximo esta superficie, los sustratos se someten a trituración o trituración. Un ejemplo es el polvo de hierro, que se oxida rápidamente con la llama de un soplete, efecto que no se observa al calentar una barra de hierro.
• Mezclado : el mezclado tiene un efecto similar en la velocidad de reacción que el grado de finura. El inicio del movimiento de moléculas en el sistema conduce a su contacto más frecuente y a la formación de productos de reacción. En los procesos de superficie, la mezcla facilita el desprendimiento de las moléculas resultantes, por ejemplo de la superficie del catalizador, aumentando así el acceso a los centros activos para otros sustratos.

ecuación de tasa

La ecuación de velocidad se puede utilizar para describir las relaciones entre la velocidad de una reacción química y la concentración de los sustratos. Cada transformación química tiene una ecuación de velocidad característica. En términos más simples, esta relación se puede expresar como el producto del coeficiente k (llamado constante de velocidad de reacción, un valor que es constante para una reacción química particular a una temperatura particular) y la concentración de los sustratos. La forma de la ecuación de velocidad depende del orden de reacción:

• Reacciones de primer orden : la velocidad depende únicamente de la concentración del sustrato, elevado a la primera potencia.
• Reacciones de segundo orden : en este caso, ambos componentes de la reacción o el coeficiente estequiométrico frente a un sustrato (por ejemplo, en reacciones de descomposición) deben incluirse en la ecuación de velocidad. En tal reacción, la velocidad dependerá del producto de las concentraciones del sustrato.

Los ejemplos proporcionados anteriormente son los más comunes, ya que la mayoría de las reacciones químicas son de primer o segundo orden. Pero conviene recordar que también son posibles reacciones de otro orden, como por ejemplo de orden cero, donde la velocidad de reacción no depende de la concentración de los sustratos. La ecuación de velocidad que se escribe para una reacción química particular depende principalmente de su mecanismo, es decir, de la secuencia de reacciones elementales en las que las moléculas sufren cambios. En el caso de procesos con mecanismos de varios pasos, la velocidad de toda la reacción está determinada por su paso más lento. En tal situación, es difícil determinar con precisión la ecuación de tasas o puede resultar muy complicada. La ecuación de velocidad también está relacionada con el concepto de orden de una reacción química . El orden se define como la suma de los exponentes en la ecuación de tasa. Determina cuántas moléculas, iones o átomos deben participar en una colisión exitosa para que se lleve a cabo una reacción química.

Impacto de los catalizadores en la velocidad de las reacciones químicas.

Los catalizadores son sustancias cuya presencia en un sistema aumenta la velocidad de una reacción química. Es importante destacar que ellos mismos no reaccionan en los procesos. Junto con los sustratos forman los llamados complejos activos, que son mucho más fáciles de transformar. Una vez completada la reacción química, el catalizador se regenera en su forma original. La tarea principal del catalizador es reducir la energía de activación, es decir, la energía que se debe suministrar para que se produzcan colisiones exitosas entre los sustratos involucrados en la reacción. Podemos distinguir catálisis homogénea (el catalizador y los reactivos están en el mismo estado físico), catálisis heterogénea (el catalizador y los reactivos están en diferentes estados físicos; el tipo más común de catálisis, en la que el catalizador se denomina de contacto) y autocatálisis. (uno de los productos resultantes acelera una mayor reacción química). La catálisis y los catalizadores son aspectos extremadamente valiosos e importantes de la mayoría de los procesos industriales, especialmente los de la industria química . Los catalizadores se utilizan en la mayoría de los procesos tecnológicos de la química, por ejemplo, en la producción de ácido nítrico (V) o ácido sulfúrico (VI) .