La cinética química se define como el área relacionada con la rapidez o velocidad a la que se lleva a cabo una reacción química, y para que esta sea posible es necesario que una serie de enlaces intramoleculares se rompan mientras que se formen otras nuevas.
Según la teoría cinética, este fenómeno de redistribución o formación de enlaces químicos viene dado por choques entre moléculas; para que estos choques conduzcan a la formación de un producto debe haber una orientación molecular favorable además de que debe existir una energía mínima en el proceso. Bajo estas condiciones las moléculas son excitadas o activadas, produciendo el choque entre las moléculas causando una asociación molecular temporal con alta energía denominada complejo activo que contiene un máximo energético igual a la energía de activación(Ea). Esta energía de activación es la energía mínima necesaria para que los reactivos puedan formarse en productos.
Otro aspecto importante en el procedimiento para la transformación de reactivos a productos es el tiempo necesario para que se lleve a cabo la transformación. Pueden ocurrir transformaciones rápidas como procesos muy lentos, y es allí donde se relacionan los conceptos de cinética y velocidad de reacción. La palabra “cinética” está asociada a movimiento o cambio, en el ámbito de la química se refiere a la velocidad de reacción, dada por el cambio en la concentración del reactivo o del producto en función al tiempo. Hoy día existen distintos parámetros que alteran y afectan la velocidad de una reacción química, entre ellas se encuentran:
Factores que afectan la velocidad de una reacción química
Estado físico de los reactivos: tal como ya se mencionó, para que una reacción química ocurra los reactivos involucrados en la reacción deben interactuar entre sí, cuanto más rápido sea el movimiento entre las moléculas más rápido ocurre la reacción. Esta interacción se ve afectada por las distintas fases en la que se encuentran los reactivos. Por ejemplo, en una fase heterogénea que incluyen sólidos, la reacción está limitada por el área de contacto de los reactivos, es decir mientras mayor es el área de contacto, mayor área superficial del sólido y mayor la velocidad de reacción.
Concentración de los reactivos: durante una reacción química los reactivos se consumen mientras se forman los productos, el progreso de la reacción puede ser medido en función bien sea en la disminución en la concentración de los reactivos o en el aumento en la concentración de los productos. A medida que la concentración de los reactivos aumenta existe un incremento en la frecuencia de choques entre las moléculas lo que genera un aumento en la velocidad de reacción.
Temperatura de reacción: cuando en un sistema de reacción se aumenta la temperatura, la energía cinética de las moléculas aumenta por lo tanto estas se mueven y las colisiones o choques entre ellas ocurren con más frecuencia aumentando por lo tanto de la velocidad de reacción.
Presencia de un catalizador: un catalizador es un componente que aumenta la velocidad de una reacción, la sola presencia de este componente mejora el tipo de choques entre las moléculas aumentando por lo tanto la velocidad de esta.
Fórmulas para medir la velocidad de reacción
Tal como ya se mencionó, para establecer la velocidad de reacción se debe medir la concentración del reactivo y/o producto en función al tiempo, por lo tanto, para una reacción química sencilla (Reactivos ⟶ productos ó A ⟶ B) la velocidad puede expresarse de la siguiente manera:
En este caso ∆[A] y ∆[B] representan los cambios de la concentración en unidad de molaridad para un determinado periodo de tiempo, en una reacción química los reactivos son los compuestos que se consumen por lo tanto, la concentración de A disminuye con el de tiempo, y ∆[A] es una cantidad negativa, como la velocidad de reacción debe representarse como un valor positivo entonces se coloca un signo menos en la expresión; sin embargo la velocidad de formación de productos no requiere de un signo negativo debido a que la concentración de estos aumenta con el tiempo y por lo tanto ∆[B] es una cantidad positiva.
Estas velocidades que se expresan por las ecuaciones (ec.1 y ec.2) ya mencionadas representan las velocidades promedio en cierto periodo de ∆t, además representan sólo la expresión de la velocidad de reacción para reacciones con estequiometría sencillas tal como se muestra en la reacción A ⟶ B, sin embargo para reacciones más complejas del tipo 2A ⟶ B, donde se consumen dos moles de A por cada mol que se forma de B, y la velocidad para que se consuma A es el doble de rápido que la velocidad de formación de B, su velocidad puede expresarse de otra manera.
Por ejemplo, si se toma este tipo de reacciones aA + bB ⟶ Producto (donde a y b representan los coeficientes estequiométricos), la velocidad depende solo de la concentración de A y B es decir de la concentración de los reactivos y viene dada según la siguiente expresión:
V=k[A]x[B]y (ec.3)
Donde k es la constante de velocidad y representa la proporcionalidad entre la velocidad de reacción y la concentración de los reactivos. Los exponentes X y Y, definen las relaciones entre las concentraciones de los reactivos (A y B) y la velocidad de la reacción, estos exponentes son números que se determinan experimentalmente, para su determinación es necesario variar la concentración de uno de los reactivos mientras se mantienen la del otro constante, por lo tanto, si la concentración de B es constante, entonces se obtiene la siguiente expresión:
V= k`[A]x (ec.4)
Donde k` contiene a [B]y, al aplicar logaritmo a la ecuación 4, esta se transforma en:
log V= log k` + xlog [A] (ec.5)
La ecuación 5, expresa la dependencia lineal entre log V y log [A] y “x” representa la pendiente de la recta resultante. También la influencia de la temperatura sobre la velocidad de reacción aparece implícita en la constante de velocidad k y su relación se expresa mediante la ecuación de Arrhenius (ecuación 6):
K= Ae-Ea/RT (ec.6)
Donde Ea es la energía de activación, T es la temperatura absoluta, R es la constante de los gases (1,99 cal/K*mol) y A= fracción de choques o colisiones efectivas, al aplicar logaritmo a esta ecuación, se obtiene una expresión que muestra una relación lineal entre el log k y el inverso de la temperatura con pendiente igual a -Ea(2,303R)-1.
Log k= log A – Ea(2,303R)-1(1/T) (ec.7)
Referencias bibliográficas
Chang, Raymond Química, 6ª Edición. Editorial McGraw-Hill, (1999).Autora
Escrito por Mahiceth Quintero Valero para la Edición #105 de Enciclopedia Asigna, en 11/2021. Mahiceth es Doctora en Química Aplicada