Teoría de colisiones, ecuación de Arrhenius y estado de transición en cinética química

Resumen

El documento explica los fundamentos de la cinética química a partir de la teoría de colisiones, que atribuye las reacciones a choques eficaces entre partículas. Recoge los factores que influyen en la velocidad de reacción, el papel de la energía de activación y la ecuación de Arrhenius. Además, describe la teoría del estado de transición o del complejo activado y el perfil energético de la reacción.

Puntos clave

La teoría de colisiones establece que una reacción se produce por choques eficaces entre partículas de los reactivos.
La velocidad de reacción depende de la frecuencia de choques, de su eficacia energética y de su orientación favorable.
La mayoría de las colisiones entre moléculas son ineficaces, por lo que las reacciones gaseosas son mucho más lentas que la frecuencia de choques.
La energía de activación (Ea) es la energía cinética mínima necesaria para romper enlaces y formar productos.
La ecuación de Arrhenius relaciona la constante cinética k con la fracción de moléculas que superan la energía de activación, según e^(-Ea/RT).
En la teoría del estado de transición se forma un complejo activado de alta energía y corta duración, en el que se rompen y forman enlaces.
El perfil de reacción es la curva de energía que representa todo el proceso desde reactivos hasta productos.

Ponte a prueba

Teoría de Colisiones de Choques: Fundamentos de la Cinética Química

La Teoría de Colisiones de Choques propone que las reacciones químicas se producen a partir de los choques eficaces entre las moléculas, los átomos o los iones de los reactivos.

Factores que Influyen en la Velocidad de Reacción

La velocidad de la reacción depende de:

La frecuencia con que chocan las moléculas por unidad de volumen.
La eficacia del choque (en términos energéticos).
La orientación favorable del choque.

Cálculo de la Frecuencia de Choque

Para calcular la frecuencia de choque, hay que referirse a la Teoría Cinética de los Gases, según la cual existe una relación entre la frecuencia de los choques y la concentración de los reactivos, las masas moleculares, la distancia entre los centros de las moléculas en el momento del choque y la raíz cuadrada de la temperatura absoluta.

Ineficacia de las Colisiones

En una reacción entre gases, la frecuencia de colisión entre moléculas es muy alta (aproximadamente 10³⁰ choques por segundo). Si de cada colisión resultase la formación de productos, las reacciones entre gases ocurrirían a mucha velocidad. La realidad es que estas reacciones son mucho más lentas, lo que significa que un gran número de choques son ineficaces.

La teoría de colisiones relaciona la constante cinética con el número de colisiones eficaces entre moléculas, siendo estas las que realmente dan lugar a los productos.

Cálculo de Choques Ineficaces y la Ecuación de Arrhenius

Energía de Activación

La Energía de Activación (E_a) es la energía cinética suficiente para que, al chocar, las moléculas rompan los enlaces entre ellas y den lugar a los productos.

La Ecuación de Arrhenius

El cálculo de la fracción de moléculas que superan la energía de activación fue establecido como e^-Ea/RT. Con todo lo anterior, se establece una ecuación denominada Ecuación de Arrhenius, que nos da el valor de la constante cinética de una reacción, k.

Teoría del Estado de Transición o del Complejo Activado

Formación del Complejo Activado

La Teoría del Estado de Transición o del Complejo Activado se basa en la formación de un estado intermedio transitorio entre reactivos y productos, que tiene alta energía y escasa duración.

En este estado se forma un complejo activado en el que se están rompiendo y formando los enlaces. Para alcanzar dicho estado se necesita una energía de activación (siempre positiva).

Representación Energética y Perfil de Reacción

En un diagrama energético se puede representar la entalpía de los reactivos y de los productos, del complejo activado y de todos los pasos entre unos y otros en función del transcurso de la reacción o de la coordenada de la reacción. El estado de activación explica la posibilidad de las reacciones directa e inversa en un equilibrio de una reacción.

El Perfil de la Reacción es la curva de energía que refleja todo el proceso.

Preguntas frecuentes

¿Qué es la energía de activación?

La energía de activación (Ea) es la energía cinética suficiente para que, al chocar, las moléculas rompan los enlaces entre ellas y den lugar a los productos.

¿Qué establece la ecuación de Arrhenius?

La ecuación de Arrhenius permite calcular el valor de la constante cinética k de una reacción a partir de la fracción de moléculas que superan la energía de activación, expresada como e^(-Ea/RT).

¿Qué es el complejo activado?

El complejo activado es un estado intermedio transitorio, de alta energía y escasa duración, entre reactivos y productos, en el que se están rompiendo y formando enlaces.