Cinética química
Keywords: Cinética química, 1888, Alimento, Año, Catalizador, Concentración, Corrosión, Ecuación de Arrhenius, Energía
La cinética química es el campo de la química que se ocupa de la rapidez o velocidad de las reacciones. Su importancia es muy amplia ya que se relaciona con temas como la rapidez en que un medicamento actúa o problemas industriales como el descubrimiento de catalizadores para la sintetización de materiales nuevos.
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Velocidades de reacción
La velocidad de reacción es el cambio de concentración de los reactivos por unidad de tiempo. Las unidades de reacción generalmente son de molaridad por segundo (M/s).
La velocidad media de aparición del producto en una reacción esta dado por la variación de la concentración de una especie química con el tiempo:
v = dC / dt
La velocidad de aparición del producto es igual a la velocidad de desaparición del reactivo. De este modo, para una reacción química hipotética:
a A + b B -> g G + h H
la velocidad de reacción se define como:
v = − (1 / a)(d[A] / dt) = − (1 / b)(d[B] / dt) = (1 / g)(d[G] / dt) = (1 / h)(d[H] / dt)
donde los corchetes denotan la concentración de cada una de las especies.
La velocidad de las reacciones químicas abarca escalas de tiempo muy amplias. Por ejemplo, una explosión puede ocurrir en menos de un segundo; la cocción de un alimento puede tardar minutos u horas; la corrosión puede tomar años y la erosión de las rocas ocurre a lo largo de miles o hasta millones de años.
Factores que influyen en las velocidades de reacción
La rapidez en que se forman o se rompen enlaces en una reacción depende de la naturaleza los reactivos.
Temperatura
Por norma general, la velocidad de reacción aumenta con la temperatura porque al aumentarla incrementa la energía cinética de las moléculas. Con mayor energía cinética, las moléculas se mueven más rápido y chocan con más frecuencia y con más energía. El comportamiento de la constante de velocidad o coeficiente cinético frente a la temperatura puede ser descrito a través de la Ecuación de Arrhenius, por el cual el logaritmo neperiano de la constate de velocidad es inversamente proporcional a la temperatura.
Para un buen número de reacciones químicas la velocidad se duplica aproximadamente cada diez grados centígrados
Área de contacto
Si en una reacción interactúan reactivos en distintas fases, su área de contacto es menor y su velocidad también es menor.
Presencia de un catalizador
Los catalizadores aumentan la velocidad de una reacción sin transformarla.
Concentración de los reactivos
La mayoría de las reacciones son más rápidas entre más concentradas se encuentren los reactivos. A mayor concentración, mayor frecuencia de colisión.
A obtención de una ecuación que pueda emplearse para predecir la dependencia de la velocidad de reacción con las concentraciones de reactivos es uno de los objetivos básicos de la cinética química. Esa ecuación, que es determinada de forma empírica, recibe el nombre de ecuación de velocidad.
De este modo si consideramos de nuevo la reacción hipotética:
a A + b B -> g G + h H
la velocidad de reacción "v" puede expresarse como
v = k[A]m[B]n
Los terminos entre corchetes son las molaridades de los reactivos y los exponentes m y n son coeficientes que, salvo en el caso de una etapa elemental no tienen por que estar relacionados con el coeficiente estequiométrico de cada uno de los reactivos. Los valores de estos exponentes se conocen como orden de reacción
Energía de Activación
En 1888, el químico sueco Svante Arrhenius sugirió que las moléculas deben poseer una cantidad mínima de energía para reaccionar. Esa energía proviene de la energía cinética de las moléculas que colisionan. La energía cinética sirve para originar las reacciones, pero si las moléculas se mueven muy lento, las moléculas solo rebotarán al chocar con otras moléculas y la reacción no sucede.
Para que reaccionen las moléculas, estas deben tener una energía cinética total que sea igual o mayor que cierto valor minimo de energía llamado energía de activación (Ea). Una colisión con energía Ea o mayor, consigue que los átomos de las moléculas alcancen el estado de transición. Pero para que se lleve acabo la reacción es necesario también que las moléculas estén orienteadas correctamente.
La constante de la velocidad de una reacción (k) depende también de la temperatura ya que la energía cinética depende de ella. La relación entre k y la temperatura está dada por la ecuación de Arrhenius:
Donde A es el factor de frecuencia