Cinética Química Esencial: Velocidad de Reacción, Mecanismos y Catálisis

Conceptos Fundamentales de Reacciones

Reacciones Elementales y No Elementales

• Reacción Elemental: Los órdenes parciales de cada reactivo coinciden con sus coeficientes estequiométricos en la ecuación balanceada. Transcurre en una sola etapa.
• Reacción No Elemental: Transcurre en múltiples pasos o etapas intermedias.

Grado de la Reacción (Orden Global)

El grado de la reacción, o orden global, es la suma de los órdenes parciales de los reactivos (ej., α + β).

Dependencia de la Velocidad de Reacción

La velocidad de reacción depende principalmente de la concentración de los reactivos, la temperatura (T) y la presencia de un catalizador.

Órdenes de Reacción

Reacción de Orden Cero

• La velocidad de reacción no depende de la concentración de los reactivos.
• Son a menudo reacciones catalizadas, donde el catalizador acelera el proceso.
• Aunque los reactivos se agoten, la velocidad permanece constante hasta que el catalizador se satura o se agota un reactivo limitante.
• La velocidad depende únicamente de la constante de velocidad (k).
• La vida media (T_1/2) se calcula como: T_1/2 = [A]₀ / (2k).

Reacción de Primer Orden

• La velocidad de reacción es directamente proporcional a la concentración de un solo reactivo.
• La vida media (T_1/2) se calcula como: T_1/2 = ln(2) / k.

Leyes de Velocidad (Ejemplo)

Una ley de velocidad general puede expresarse como: V = k[A]^α[B]^β. De aquí, la constante de velocidad (k) se puede despejar como: k = V / ([A]^α[B]^β).

Mecanismos de Reacción y Especies Intermedias

Mecanismo de Reacción

El mecanismo de reacción describe la secuencia de pasos elementales a través de los cuales ocurre una reacción química global.

Intermedios de Reacción

Los intermedios de reacción son especies químicas que se forman en una etapa elemental y se consumen en una etapa posterior. No aparecen en la ecuación global ajustada de la reacción.

Termodinámica de Reacciones

Reacción Endotérmica

• Una reacción endotérmica absorbe energía del entorno.
• Los productos tienen mayor energía que los reactivos (ΔH > 0).
• En un diagrama de energía, los reactivos se sitúan energéticamente por debajo de los productos.

Reacción Exotérmica

• Una reacción exotérmica desprende energía al entorno.
• Los productos tienen menor energía que los reactivos (ΔH < 0).
• En un diagrama de energía, los reactivos se sitúan energéticamente por encima de los productos.

Cinética Química y Ecuación de Arrhenius

Ecuación de Arrhenius

La Ecuación de Arrhenius relaciona la constante de velocidad (K) con la temperatura y la energía de activación:

K = A * e(-Ea/RT)

• K: Constante de velocidad de la reacción.
• A: Factor preexponencial (o factor de frecuencia), relacionado con la frecuencia de colisiones.
• Ea: Energía de activación, la energía mínima necesaria para que ocurra una reacción.
• R: Constante de los gases ideales.
• T: Temperatura absoluta (en Kelvin).

Relación entre Ea, K y Velocidad

Una mayor energía de activación (Ea) implica una menor constante de velocidad (K) y, por ende, una menor velocidad de reacción (V). Esto se debe a que Ea es inversamente proporcional a K.

Forma Integrada de la Ecuación de Arrhenius (para dos temperaturas)

Permite calcular la energía de activación o la constante de velocidad a una temperatura diferente:

ln(K₂/K₁) = (Ea/R) * (1/T₁ - 1/T₂)

Despejando Ea:

Ea = R * ln(K₂/K₁) / (1/T₁ - 1/T₂)

Catálisis

Definición de Catálisis y Catalizadores

• Catálisis: Proceso en el que interviene un catalizador para modificar la velocidad de una reacción.
• Catalizadores: Sustancias que aumentan la velocidad de una reacción química sin consumirse en el proceso. Aparecen al principio y al final de la reacción sin sufrir un cambio químico neto.

Tipos de Catálisis

• Catálisis Heterogénea: El catalizador se encuentra en una fase diferente a la de los reactivos (ej., un catalizador sólido en una reacción de gases o líquidos).
• Catálisis Homogénea: El catalizador se encuentra en la misma fase que los reactivos (ej., un catalizador líquido en una reacción en fase líquida).

Efecto de los Catalizadores en la Velocidad

Al utilizar un catalizador, la velocidad de la reacción se incrementa porque el catalizador modifica el mecanismo de la reacción, proporcionando una ruta alternativa con una energía de activación (Ea) menor. Una menor Ea implica una mayor constante de velocidad (K) y, por ende, una mayor velocidad de reacción (V).

Factores que Afectan la Velocidad de Reacción

Temperatura

Un aumento de la temperatura (T) generalmente aumenta la velocidad de reacción. Esto se debe a que a mayor T, el término e(-Ea/RT) aumenta, lo que a su vez incrementa la constante de velocidad (K) y, por ende, la velocidad (V).

Un aumento de la energía (ej., por incremento de temperatura) incrementa la velocidad de reacción al aumentar el número de choques efectivos entre las moléculas de los reactivos.

Concentración y Presión

Si se aumenta o disminuye la concentración de los reactivos (o la presión en el caso de gases), se modifica directamente la velocidad de reacción.

Naturaleza de los Reactivos

La velocidad de una reacción química generalmente no se ve afectada por la concentración de los productos, a menos que la reacción sea reversible y los productos actúen como reactivos en la reacción inversa, o que un producto sea un catalizador o inhibidor.