Fundamentos de la Cinética Química: Velocidad, Colisiones y Energía de Activación

Cinética Química: Factores y Mecanismos de la Velocidad de Reacción

Velocidad de Reacción (V.R.)

La velocidad de reacción es la cantidad de sustancia que reacciona o se produce por unidad de tiempo. Representa la capacidad de respuesta del sistema químico ante un estímulo.

Tipos de Velocidad

• Velocidad Promedio: Se calcula para un intervalo de tiempo determinado.
• Velocidad Instantánea: Se determina en un momento dado específico.

Factores que Afectan la Velocidad de Reacción

La velocidad de reacción depende de las siguientes variables:

1. Naturaleza de los Reactivos: Depende del tipo de reactivo que intervenga.
   • Reactivos con estructuras complejas o enlaces fuertes suelen tener una V.R. muy lenta.
   • Reactivos iónicos o con enlaces débiles suelen tener una V.R. muy rápida.
2. Concentración de Reactivos: Aplicable a reactivos en disolución o en estado gaseoso.

   En un recipiente, cuanto mayor sea la concentración de los reactivos, mayor será la velocidad de reacción.

3. Temperatura del Sistema (T°): La temperatura afecta directamente la energía cinética de las moléculas.
4. Estado Físico de los Reactivos: (Superficie de contacto).
5. Presencia de Catalizadores: Sustancias que modifican la velocidad de reacción.

Teoría de las Colisiones

Esta teoría explica la cinética química a nivel molecular. Consiste en el choque de moléculas que poseen energía (potencial, vibracional, cinética).

Criterios para una Colisión Efectiva

Para que una colisión sea efectiva y se produzca la reacción, deben cumplirse dos condiciones:

1. Energía Suficiente: Todas estas energías deben ser suficientemente grandes como para romper la barrera de energía, llamada Energía de Activación ($E_a$). Si esta barrera se rompe, la colisión es efectiva y se producirá la reacción entre las moléculas involucradas. Si el choque no es efectivo, la reacción no se produce.
2. Efecto Estérico (Orientación Adecuada): Debe haber una disposición espacial adecuada para romper enlaces y formar enlaces nuevos.

Conceptos Energéticos Clave

• Energía de Activación ($E_a$): Energía mínima requerida para que los reactivos alcancen un complejo activado.
• Complejo Activado: Estado molecular intermedio de alta energía donde existe rompimiento y formación de enlaces.

Explicación de la Reacción: Siempre que hay reacción se necesita $E_a$. Cuando los reactivos tienen la distribución y concentración adecuada, se rompen enlaces para generar productos.

Catálisis y Modificadores de la Velocidad

Un catalizador es una sustancia que, añadida a los reactivos, aumenta la velocidad de reacción sin consumirse en el proceso.

Tipos de Catalizadores y Efectos

• Catalizadores Positivos: Disminuyen la $E_a$, resultando en una reacción muy rápida.
• Catalizadores Negativos (Inhibidores): Aumentan la $E_a$, disminuyendo la velocidad de reacción (Reacción lenta).

Clasificación de la Catálisis

Catálisis Homogénea

Ocurre cuando el catalizador se encuentra en la misma fase (estado físico) que los reactivos y productos.

Catálisis Heterogénea

Reacción química mediada por un catalizador que se encuentra en una fase diferente a la de los reactivos y productos.

Biocatalizadores

Catalizadores biológicos, típicamente enzimas. Se rigen por el mecanismo de acción enzimática.

Conceptos Adicionales de Reacciones Químicas

Reacciones Reversibles e Irreversibles

• Reacción Irreversible: Una reacción que procede en una sola dirección (ejemplo: prender un fósforo).
• Reacción Reversible: Una reacción que puede proceder en ambas direcciones (ejemplo: sistema cerrado).

Conceptos de Combustión

• Comburente: Sustancia oxidante de la combustión; provoca la combustión (generalmente oxígeno).
• Combustible: Sustancia reductora de la combustión.