Cinética Química: Velocidad, Mecanismos y Factores Influyentes

La velocidad de un proceso químico se define como el cambio en la concentración de reactivos o productos con respecto al tiempo en dicho proceso. Un orden global de reacción es la suma de los órdenes parciales respecto a cada uno de los reactivos.

Tipos de Reacciones según su Orden

• Reacción de orden cero: En estas reacciones, la característica fundamental es que la velocidad de reacción no depende de la concentración. Las reacciones de orden cero se encuentran frecuentemente en catálisis heterogénea, cuando la reacción se lleva a cabo sobre una superficie saturada de reactivo, y en reacciones catalizadas con suficiente exceso de sustrato para saturar el catalizador.

• Reacción de orden 1: En estas reacciones, la velocidad sí depende de la concentración de los reactivos y corresponden a procesos elementales unimoleculares.

• Reacción de orden 2:

Periodo de Semireacción (t_1/2)

El periodo de semireacción es el tiempo necesario para que la concentración de un reactivo disminuya a la mitad de su valor inicial.

• Orden 0:

• Orden 1:

• Orden 2:

Mecanismo de Reacción y Molecularidad

El mecanismo de reacción es el conjunto de las fases o estados que constituyen una reacción química. Los mecanismos de reacción están ligados a la cinética química.

La molecularidad es el número de moléculas que toman parte como reactivos en un proceso elemental, es decir, la suma de las moléculas de cada reactivo antes de formar el complejo activado para convertirse en los productos. Es un concepto teórico que indica el número de partículas individuales que participan en un paso elemental del mecanismo de reacción.

La etapa limitante determina la velocidad de la reacción y es la etapa más lenta de todas las que conforman el mecanismo de reacción.

Teoría de las Colisiones

La teoría de las colisiones pertenece al campo de la cinética química, aunque también tiene altas aplicaciones en el mundo de la física. Consiste en el choque de moléculas; estas moléculas poseen cierta energía potencial, vibracional, cinética, etc. Todas estas energías deben ser lo suficientemente grandes como para romper la barrera de energía llamada "energía de activación". Si esta barrera se rompe, la colisión es efectiva y se producirá la reacción entre las moléculas involucradas. Por otra parte, si el choque no es efectivo, la reacción no se producirá. Cuando se llega a una "energía de activación", la reacción se encuentra en un pico de energía, y dependiendo de la estabilidad de la molécula formada, la reacción puede ser exotérmica (el producto de la reacción es más estable que los reactivos separados) o endotérmica (si el producto de la reacción es más inestable que los reactivos separados).

Condiciones para que el choque sea eficaz:

• Que las moléculas reaccionantes choquen con la energía suficiente como para romper o debilitar sus enlaces (moléculas activadas y energía de activación).
• Que las moléculas reaccionantes choquen con la orientación adecuada.

Factores que Afectan la Velocidad de Reacción

Temperatura

La temperatura es un factor crucial que afecta la velocidad de las reacciones químicas. Un aumento en la temperatura generalmente incrementa la velocidad de reacción, ya que proporciona más energía cinética a las moléculas, aumentando la frecuencia y la energía de las colisiones.

Influencia de los Catalizadores

Un catalizador es una sustancia que varía la rapidez de una reacción química sin consumirse en la reacción. Al final de la reacción aparece inalterado. Cuando hablamos de aumentar la rapidez de la reacción, es un catalizador positivo o directamente catalizador, y cuando hablamos de disminuir la rapidez de la reacción, es un catalizador negativo o inhibidor. El cometido de un catalizador se cree que es disminuir el valor de la energía de activación (Ea) que es propia de cada reacción. Este efecto del catalizador sirve como explicación de los catalizadores positivos. Sin embargo, no se puede expresar con seguridad que los inhibidores tengan el efecto contrario (aumentar Ea); no se conoce exactamente cómo actúan estos últimos.

En las reacciones con catalizador, al disminuir éste la Ea, se forma antes el compuesto intermedio e inestable (complejo activado) que inmediatamente se transforma en producto.

• Catálisis homogénea: El catalizador y las sustancias intervinientes en la reacción poseen el mismo estado de agregación.
• Catálisis heterogénea: El estado de agregación del catalizador es diferente del de las sustancias intervinientes.