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¿Te has preguntado qué tan rápido ocurre una reacción? A lo largo de este capítulo podremos responder a esta pregunta, pudiendo incluso cuantificar la expresión de la velocidad. Además, aprenderemos qué es lo que posibilita un montón de reacciones que ocurren en nuestro cuerpo que de otro modo demorarían hasta cientos de años en ocurrir.

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© Fernando Brierley V. – Felipe Salas B. 2011

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Cinética

A pesar de haber aprendido muchas cosas acerca de las reacciones químicas, aún no hemos sentado bases tan esenciales e importantes como ¿cuánto tarda una reacción? O bien, ¿qué ocurre si en una reacción los productos vuelven a reaccionar formando a los reactantes? A lo largo de esta guía explicaremos preguntas como esas. I] Teoría de las Colisiones. Supongamos que poseemos dos reactantes y los queremos hacer reaccionar. De un modo macroscópico vemos que los reactantes se unen, muchas veces con absorción/liberación de calor y obtenemos nuestro producto. Sin embargo, lo que no vemos del proceso son los innumerables choques entre las partículas, los cuales pueden ser choques

inefectivos o bien choques efectivos, estos producen la ruptura y posterior formación de nuevos enlaces atómicos, junto con la reordenación de las moléculas a través de fuerzas de Van der Walls, obteniendo así nuestro producto. La teoría de las Colisiones nos plantea que, al momento de ocurrir una reacción, es necesario que se rompan enlaces (requiere energía, la llamada energía de activación) y se formen nuevos enlaces (libera energía).

II] Energía de activación. Toda reacción requiere lo que conocemos como energía de activación. Esta energía es la necesaria para que la reacción ocurra, pues es la necesaria para que los reactantes lleguen a lo que conocemos como complejo activado. El complejo activado es una fase dentro de una reacción en la cual no poseemos reactantes ni productos, sino una fase intermedia de estos. Los compuestos producidos dentro del complejo activado, son altamente inestables, por ello es que reaccionan estableciendo nuevos enlaces para formar los productos. Luego, el complejo activado libera energía dando origen los productos. Como vemos, tanto las reacciones endotérmicas como las exotérmicas tienen una energía de activación. La diferencia entre ellas, desde un punto de vista termodinámico, es la energía que liberan luego del complejo activado.

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III] Velocidad de una reacción. Dentro de una reacción hay muchos pasos que pasan inadvertidos por nosotros. Sin embargo, para determinar la velocidad de una reacción es necesario conocerlos. Supongamos que tenemos una reacción de la forma:

podemos expresar la velocidad

de la reacción de la siguiente manera:

Donde k es directamente proporcional a la velocidad de la reacción. Es más, si tenemos la reacción

su velocidad quedará expresada por

, es decir, las concentraciones de los productos son un factor de la velocidad. En base a esto, definiremos el Orden de una reacción: Es la suma de los exponentes de las concentraciones al expresar la velocidad de esta. En general, el orden de una reacción y su velocidad son directamente proporcionales. Si volvemos a la expresión de velocidad de nuestra reacción, tenemos:

IV] Factores que afectan la velocidad de reacción:

Como la constante de la velocidad se obtiene de un modo experimental, existen formas de alterar la velocidad de una reacción.

- Concentración: La velocidad es directamente proporcional a la concentración, por lo tanto, al aumentar la concentración aumenta la velocidad de reacción. Desde el punto de vista de la teoría de las Colisiones, un aumento de la concentración implica un aumento del número de choques y por lo tanto, un aumento de velocidad.

- Temperatura: Si aumentamos la temperatura de un cuerpo, entonces aumentará también la velocidad con la que se mueven sus partículas. Una mayor velocidad, en teoría, aumenta el número de choques efectivos por lo cual aumenta la velocidad de reacción.

- Presión: Si un sistema está sometido a una gran presión, alterará la velocidad de movimiento de las partículas, aumentando su energía cinética. Producto de ello, el número de choques efectivos aumenta por lo cual aumenta la velocidad de reacción.

- Catalizadores: Los catalizadores son diversas sustancias las cuales son capaces de alterar la energía de activación. Hay algunos (los llamados positivos) que disminuyen la energía de activación, disminuyendo así la velocidad de reacción. Los otros (llamados negativos) aumentan la energía de activación, aumentando así la velocidad de reacción. L t z “ y ” p

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4 un reactante más. Es por ello que, cuando la reacción termina, es posible extraer el catalizador usado.

- Estado de agregación de los reactantes: Dependiendo del estado físico en el que se encuentren, el número de choques efectivos entre las moléculas puede variar. Si aumentamos el número de choques, entonces aumentará la velocidad de reacción.

- Luz: Hay reacciones, que al recibir energía en forma de luz, aumentan su velocidad de

reacción. V] Catalizadores. A pesar de ya conocer a grandes rasgos lo que hace un catalizador, es necesario ver un poco más acerca de ellos. Es importante recalcar que la acción de un catalizador en una reacción disminuye (o aumenta en el caso de los inhibidores) la energía de activación de esta “ m t t v ” E t z t t t t la reacción, siendo liberado al final de esta, pudiendo ser nuevamente utilizado en otra reacción. Dependiendo de la diferencia de estado entre los reactantes y el catalizador es que podemos clasificar las reacciones catalizadas en dos tipos:

1. Reacciones Heterogéneas: Ocurren cuando los reactantes y el catalizador se encuentran en estados físicos distintos.

2. Reacciones Homogéneas: Ocurren cuando los reactantes y el catalizador se encuentran en el mismo estado físico.

Es necesario recalcar que la naturaleza química de los catalizadores puede variar.

Podemos encontrar catalizadores orgánicos o inorgánicos.

1. Catalizadores inorgánicos: Dentro de esta categoría entran todos los catalizadores que no sean orgánicos. Pueden ser metales, minerales, etc.

2. Catalizadores orgánicos: Dentro de esta categoría entran todos los catalizadores orgánicos. Veremos con especial atención a las enzimas.

Las enzimas son proteínas las cuales actúan como catalizadores en nuestro cuerpo.

Sin ellas, las innumerables reacciones que ocurren para mantenernos vivos no podrían ocurrir. Las enzimas, al ser proteínas están formadas por la unión de aminoácidos, los cuales tienen en sus extremos un grupo carboxilo y un grupo amino.

Sin embargo, las proteínas pueden ser desnaturalizadas. Causas como el aumento

de la temperatura o un cambio de pH provocan que la proteína deje de funcionar

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correctamente. Es por ello, que muchas enzimas funcionan bien en el cuerpo humano pero no en otros lugares.

Dato puntaje: Cuando freímos un huevo y la clara pasa de ser de un color transparente a uno blanco se debe a la desnaturalización de las proteínas que la conforman. Resumiendo, las enzimas son los catalizadores naturales que usa nuestro cuerpo, y para su correcto funcionamiento es necesario que tengan una temperatura y un pH adecuados.

VI] Equilibrio químico.

Si en una reacción, los reactantes se están convirtiendo en productos, y los productos a su vez se convierten en reactantes; estamos en un equilibrio químico.

Un equilibrio químico necesariamente tiene que

ocurrir cuando una reacción es reversible. Es más, las velocidades de formación directa e inversa tienen que ser las mismas. Una reacción en equilibrio se expresa de la siguiente manera:

Donde A y B se convierten en C y D, y por su parte C y D están reaccionando formando de vuelta A y B. Una vez alcanzado el equilibrio, existe una constante, la llamada constante de equilibrio (Kc)

La cual, si es mayor que uno, significa que hay mayor concentración de productos que

reactantes, si es igual a uno significa que la concentración es la misma y si es menor a 1 significa que la concentración de reactantes es mayor que la concentración de productos.

Dato puntaje: Si dentro de nuestra ecuación química hay sustancias sólidas o líquidas, no es necesario ponerlas en la ecuación de la constante de equilibrio.

VII] Formas de afectar el equilibrio.

Científicos, entre ellos Le Chatelier y Bröwn, se preguntaron cómo alterar la constante de equilibrio de una reacción reversible. Después de numerosos experimentos y de un arduo trabajo intelectual concluyeron que los factores que desplazan el equilibrio (es decir, qué lado de la ecuación se comienza a producir en mayor cantidad) son:

- Temperatura: Al variar la temperatura, dependiendo si la reacción es Endotérmica o

Exotérmica pueden ocurrir dos cosas:

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6 o Exotérmica: En este caso la reacción

libera calor. Por lo tanto, al aumentar la temperatura el equilibrio se ve desplazado hacia el lado izquierdo (pues este lado no necesita calor). De modo análogo, al disminuir la temperatura el equilibrio se ve desplazado hacia el lado derecho.

o Endotérmica: En este caso la reacción absorbe calor. Por lo tanto, al aumentar la temperatura el equilibrio se ve desplazado hacia el lado derecho (pues este lado necesita calor). De modo análogo, al disminuir la temperatura el equilibrio se ve desplazado hacia el lado izquierdo.

- Presión: Dependiendo del lado de la reacción en el que haya mayor número de moles de sustancias gaseosas, si disminuimos la presión el equilibrio se ve desplazado hacia ese lado.

- Aumentar concentraciones: Si agregamos un componente al lado izquierdo, el equilibrio se ve desplazado hacia el lado derecho. Análogamente, si agregamos un componente al lado derecho, el equilibrio se ve desplazado hacia el lado izquierdo.