Fundamentos de la Teoría de Colisiones y Cinética Química: Velocidad de Reacción y Factores Clave

Teoría de las Colisiones: Fundamentos de las Reacciones Químicas

La teoría de las colisiones, propuesta por Max Trautz en 1916 y por William Lewis en 1918, explica cualitativamente cómo ocurren las reacciones químicas y por qué las velocidades de reacción difieren. Para que una reacción ocurra, las partículas reaccionantes deben colisionar. Sin embargo, solo una cierta fracción de las colisiones totales causa un cambio químico; estas se denominan colisiones exitosas.

Las colisiones exitosas poseen la energía suficiente (conocida como energía de activación) en el momento del impacto para romper los enlaces existentes y formar nuevos, lo que resulta en los productos de la reacción. El incremento de la concentración de los reactivos y el aumento de la temperatura conducen a un mayor número de colisiones y, por ende, a más colisiones exitosas, lo que incrementa la velocidad de la reacción.

El Papel de los Catalizadores en las Colisiones

Cuando un catalizador interviene en la colisión entre las moléculas reaccionantes, se requiere una menor energía para que tenga lugar el cambio químico. Por consiguiente, un mayor número de colisiones poseerá la energía suficiente para que la reacción ocurra, lo que también incrementa la velocidad de reacción.

La teoría de las colisiones está estrechamente relacionada con la cinética química.

Cinética Química: El Estudio de la Rapidez de Reacción

La cinética química es una rama de la fisicoquímica que se encarga del estudio de la rapidez de las reacciones, cómo esta rapidez cambia bajo condiciones variables y qué eventos moleculares se efectúan durante la reacción global (como difusión, fenómenos de superficie o catálisis). Es un campo puramente empírico y experimental; la rama de la química que permite indagar en los mecanismos de reacción se conoce como dinámica química.

Objetivo y Determinación de la Velocidad de Reacción

El objetivo principal de la cinética química es medir la rapidez de las reacciones químicas y establecer ecuaciones que describan su comportamiento.

Experimentalmente, la velocidad de una reacción puede describirse a partir de la(s) concentración(es) de las especies involucradas y una constante. Sin embargo, esta puede depender de numerosos factores, como el solvente utilizado, la presencia de catalizadores, los fenómenos de transporte o el material del reactor, lo que complejiza significativamente el proceso de determinación de las velocidades de reacción.

Clasificación de Reacciones Químicas

Reacciones Simples y Complejas

Las reacciones pueden clasificarse en simples o complejas, según el número de pasos o estados de transición necesarios para describirlas. Si solo se requiere un paso (un estado de transición), la reacción se considera simple y su orden corresponde a la suma de los coeficientes estequiométricos de la ecuación. En caso contrario, es necesario proponer una serie de pasos (cada uno con su propio estado de transición), lo que se denomina mecanismo de reacción, el cual debe ser consistente con la velocidad de reacción observada.

Reacciones Homogéneas y Heterogéneas

Las reacciones también se clasifican cinéticamente en homogéneas y heterogéneas. Las reacciones homogéneas ocurren en una única fase, mientras que las heterogéneas se desarrollan en más de una fase. Las reacciones heterogéneas suelen depender del área de una superficie, ya sea la de las paredes del recipiente o la de un catalizador sólido. En este documento, nos centraremos principalmente en las reacciones homogéneas.

Factores que Influyen en la Velocidad de Reacción

• Temperatura: Un aumento de la temperatura generalmente incrementa la energía cinética de las moléculas, lo que lleva a más colisiones exitosas.
• Concentración de Reactivos: Una mayor concentración de reactivos implica más partículas por unidad de volumen, aumentando la frecuencia de colisiones.
• Presencia de Catalizadores: Los catalizadores proporcionan una ruta de reacción alternativa con una menor energía de activación, acelerando la reacción sin consumirse.
• Naturaleza de los Reactivos: Las propiedades intrínsecas de las sustancias (tipo de enlaces, tamaño molecular, etc.) influyen en la facilidad con la que reaccionan.