Velocidad de Reacción y Factores que la Afectan: Concentración, Temperatura y Catalizadores

Velocidad de Reacción y Factores que la Afectan

La velocidad de una reacción química se define como la variación de la concentración de reactivos o productos por unidad de tiempo. Matemáticamente, se puede expresar como:

v = k [A]^m [B]^n

(Las concentraciones de reactivos están elevadas a su correspondiente coeficiente cinético solo en el caso en el que la reacción sea elemental). Donde los corchetes denotan la concentración de cada una de las especies; v denota la velocidad de reacción y k es la constante cinética. La velocidad de las reacciones químicas abarca escalas de tiempo muy amplias.

Factores que Afectan la Velocidad de Reacción

Los principales factores que influyen en la velocidad de una reacción son:

• Estado físico de los reactivos: En las reacciones heterogéneas, la velocidad depende de la superficie de contacto entre ambas fases; siendo mayor cuanto mayor es el estado de división.
• Concentración de los reactivos: A mayor concentración, mayor probabilidad de colisión entre las partículas, y por lo tanto, mayor velocidad.
• Temperatura: Un aumento de temperatura incrementa la energía cinética de las moléculas, lo que conduce a colisiones más frecuentes y energéticas, aumentando la velocidad.
• Presencia de catalizadores: Los catalizadores modifican el mecanismo de la reacción, proporcionando un camino alternativo con menor (o mayor, en el caso de inhibidores) energía de activación.
• Superficie de contacto: Tanto de reactivos como de catalizadores.
• Presión: Un aumento de presión incrementa la energía cinética de las partículas, resultando en una reacción más rápida.
• Luz: En algunas reacciones, la luz puede proporcionar la energía necesaria para que se produzca la reacción.

Temperatura y Ecuación de Arrhenius

La temperatura tiene un efecto significativo en la velocidad de reacción. La relación entre la constante de velocidad (k) y la temperatura se describe mediante la ecuación de Arrhenius:

k = A exp(-Ea/RT)

Donde:

• k es la constante de velocidad.
• A es el factor preexponencial o factor de frecuencia.
• Ea es la energía de activación.
• R es la constante de los gases ideales.
• T es la temperatura absoluta (en Kelvin).

Logaritmo neperiano: lnk = lnA - Ea/RT

Estado Físico de los Reactivos

Si en una reacción interactúan reactivos en distintas fases, su área de contacto es menor y su rapidez también es menor. En cambio, si el área de contacto es mayor, la rapidez es mayor.

Al encontrarse los reactivos en distintas fases, aparecen nuevos factores cinéticos a analizar. Hay que estudiar la rapidez de transporte, pues en la mayoría de los casos, estas son mucho más lentas que la rapidez intrínseca de la reacción, y son las etapas de transporte las que determinan la cinética del proceso.

Una mayor área de contacto reduce la resistencia al transporte. También son muy importantes la difusividad del reactivo en el medio y su solubilidad, dado que este es el límite de la concentración del reactivo, y viene determinada por el equilibrio entre las fases.

Presencia de un Catalizador

Los catalizadores modifican el mecanismo de reacción, empleando pasos elementales con mayor o menor energía de activación. Ejemplos:

• Catalizadores homogéneos: El hierro III en la descomposición del peróxido de hidrógeno.
• Catalizadores heterogéneos: La malla de platino en las reacciones de hidrogenación.

Concentración de los Reactivos

Los términos entre corchetes representan las molaridades de los reactivos, y los exponentes m y n son los órdenes de reacción parciales. Estos exponentes, salvo en el caso de una etapa elemental, no tienen por qué estar relacionados con el coeficiente estequiométrico de cada uno de los reactivos. Los valores de estos exponentes se conocen como orden de reacción.

Hay casos en que la velocidad de reacción no es función de la concentración. En estos casos, la cinética de la reacción está condicionada por otros factores del sistema, como, por ejemplo, la radiación solar o la superficie específica disponible en una reacción gas-sólido catalítica, donde el exceso de reactivo gas hace que siempre estén ocupados todos los centros activos del catalizador.

Energía de Activación

En 1888, Svante Arrhenius sugirió que las moléculas deben poseer una cantidad mínima de energía para reaccionar. Esta energía mínima se conoce como energía de activación (Ea).

La constante de la rapidez de una reacción (k) depende también de la temperatura, ya que la energía cinética depende de ella. La relación entre k y la temperatura está dada por la ecuación de Arrhenius.