lunes, 13 de julio de 2015

Introducción al concepto de velocidad de reacción

Cuando ocurre un proceso químico las sustancias denominadas reactivos se transforman en otras sustancias llamadas productos.
En algunos casos el cambio de reactivo a producto se verifica con lentitud. Así ocurre con un clavo (de hierro) que expuesto a la intemperie (con el oxígeno del aire), necesita de cierto tiempo (horas, días, meses) para que se observe la formación de óxido.
Sin embargo, hay reacciones que se realizan muy velozmente, como la de magnesio (trozo de cinta) que al agregarle unas gotas de ácido clorhídrico concentrado reacciona rápidamente transformándose en cloruro de magnesio con desprendimiento de hidrógeno y calor (en una reacción exotérmica).
La velocidad de reacción se calcula midiendo la rapidez de aparición de un producto o la desaparición de un reactivo.

Factores que influyen en la velocidad de las reacciones químicas

La velocidad de las reacciones químicas depende de varios factores.

a) Temperatura
El efecto de la temperatura está relacionado con la energía: a mayor temperatura, mayor energía media tendrán las moléculas. En realidad, a una determinada temperatura la energía de todas las moléculas no es la misma, por eso hablamos de un valor medio. La energía de las partículas responde a una distribución en la que su media es mayor conforme aumenta la temperatura. Por ello, enfocando el problema desde el punto de vista de las reacciones, compararemos la energía de las moléculas con la energía de activación. Al aumentar la temperatura, un mayor número de moléculas tendrán suficiente energía para superar el máximo de la gráfica de energía, la energía de activación, y podrán entonces romper sus enlaces para formar los productos. En resumen, a mayor temperatura, mayor número de choques efectivos.
Veamos un ejemplo:
La oxidación del magnesio se produce muy lentamente a temperatura ambiente, si la aumentamos acercando un mechero vemos como es rápida. Además, al ser   reacción exotérmica desprende calor y hace que continúe con gran velocidad.


b) Concentración
Este factor es el más sencillo de comprender: cuantas más moléculas tengamos, más choques habrá y más cantidad de reactantes pasarán productos. ¿Cómo medimos esas cantidades? En química, la unidad de medida es el mol. Como la mayoría de las reacciones se dan en disolución, para comparar mejor utilizamos la molaridad (moles/litro). Esto se explica teniendo en cuenta que para el número de choques es muy importante el volumen del recipiente. Si tienes el doble de moles en un recipiente cien veces mayor los choques serán bastante menos. En estado gaseoso utilizaremos la presión, más fácil de medir y proporcional a la molaridad. A mayor presión mayor será la velocidad. PV=nRT 
P= moles    . RT
    volumen

c) La naturaleza de las sustancias que reaccionan
La naturaleza y variedad de sustancias involucradas en una reacción química determinan el tipo de reacción que se produce; estas diferencias pueden atribuirse a las desigualdades de reactivos, estructura de los átomos, iones y moléculas participantes.
Es condición necesaria que las partículas que reaccionan choquen unas contra otras, para que haya una transformación química, aunque no todos los choques entre las partículas que constituyen los reactivos producen un cambio químico, pues existen algunas que al chocar rebotan sin sufrir transformación alguna, porque no tienen la suficiente energía o la orientación adecuada.
La velocidad con que reaccionan las sustancias dependerá de que los choques entre partículas (átomos, iones o moléculas) sean efectivos; esto es, deben tener la energía necesaria para reaccionar.
Al respecto, veamos qué dice la Teoría de las colisiones: Para que tenga lugar una reacción química debe cumplirse necesariamente que el choque o colisión de las partículas de los reactivos se produzca entre átomos, moléculas o iones. Para que se garantice la reacción debe cumplirse que: la energía cinética sea suficiente para que tenga lugar el reordenamiento de los enlaces y se forme la nueva sustancia y que colisionen con la debida orientación. Si cumplen esto se denomina choque eficaz.


d) Estado físico
Debido a que las reacciones se producen a partir de choques entre moléculas, cuanto más frecuentes sean los choques mayor será la velocidad de la reacción. Si el estado de los reactantes es gaseoso o se encuentran en disolución, los choques pueden darse por parte de todas las moléculas de que dispongamos. En el caso de los sólidos no sucede así, las partículas susceptibles de chocar serán solo las que se encuentran en la superficie del sólido, que son las únicas a las que se pueden acercar las moléculas del otro reactivo. Por esto la velocidad depende de la superficie de contacto y aumentará con el grado de división. Será mayor cuanto menores sean los trozos del sólido debido a que para la misma masa aumenta la superficie. Si nos interesa aumentar la velocidad y hay un sólido en juego, lo mejor es machacarlo o, mejor todavía, disolverlo.

e) Presencia de catalizadores
Un catalizador es una sustancia que varía la forma de producirse una reacción creando un nuevo camino para el que la velocidad es mucho mayor. Esto se debe a que la energía de activación de esta nueva reacción es bastante menor que la de la primera, que además se sigue produciendo. Otra característica muy importante de los catalizadores es que se recuperan, no se gastan, sino que son a la vez reactivos y productos. De este modo se necesita una pequeña cantidad para aumentar muchísimo la velocidad de una reacción. El problema es que cada reacción tiene un catalizador diferente, si es que lo tiene.
No hay una sustancia que nos sirva para todas las reacciones. Los catalizadores son específicos para cada reacción.

f) Presión:
La velocidad de las reacciones gaseosas se incrementa muy significativamente con la presión, que es, en efecto, equivalente a incrementar la concentración del gas. Para las reacciones en fase condensada, la dependencia en la presión es débil, y sólo se hace importante cuando la presión es muy alta.
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
g) Radiación electromagnética e intensidad de luz:
La radiación electromagnética es una forma de energía. Como tal, puede aumentar la velocidad o incluso hacer que la reacción sea espontánea, al proveer de más energía a las partículas de los reactantes. Esta energía es almacenada, en una forma u otra, en las partículas reactantes (puede romper enlaces, promover moléculas a estados excitados electrónicos o vibracionales, etc), creando especies intermediarias que reaccionan fácilmente. Al aumentar la intensidad de la luz, las partículas absorben más energía, por lo que la velocidad de reacción aumenta. Por ejemplo, cuando el metano reacciona con cloro gaseoso en la oscuridad, la velocidad de reacción es muy lenta. Puede ser acelerada cuando la mezcla es irradiada bajo luz difusa. En luz solar brillante, la reacción es explosiva.