Velocidad de reacción y factores que la modifican
Valentina guarda un envase de leche en la nevera y su hermano deja otro igual sobre la mesa de la cocina, en Cali. Al día siguiente, la leche de la mesa está dañada y la de la nevera sigue buena. Los dos envases tenían las mismas sustancias, pero los cambios químicos que dañan la leche ocurrieron mucho más rápido en uno que en otro. ¿Qué determina qué tan rápido ocurre una reacción? Eso estudia la cinética química.
¿Qué es la velocidad de reacción?
Algunas reacciones son casi instantáneas, como la combustión del gas propano en una estufa. Otras son lentas, como la oxidación de una reja de hierro. La velocidad de reacción indica qué tan rápido se consumen los reactivos o se forman los productos.
Como la concentración se mide en mol/L y el tiempo en segundos, la unidad sale de dividir una por otra: mol/L entre s. Los reactivos se gastan, así que su concentración baja; los productos se forman, así que la suya sube.
Fíjate en que la curva del reactivo cae muy rápido al comienzo y se va aplanando: la reacción se hace más lenta con el tiempo. Lo explicamos más adelante.
Define con tus propias palabras qué es la velocidad de una reacción química. Luego indica en qué unidades suele expresarse cuando se mide como cambio de concentración…
Define con tus propias palabras qué es la velocidad de una reacción química. Luego indica en qué unidades suele expresarse cuando se mide como cambio de concentración molar por unidad de tiempo.
Velocidad media
Para calcularla tomamos dos instantes y vemos cuánto cambió la concentración:
$$v = \frac{\Delta[\text{A}]}{\Delta t} = \frac{[\text{A}]_{final} - [\text{A}]_{inicial}}{t_{final} - t_{inicial}}$$El cambio $\Delta[\text{A}]$ de un reactivo es negativo (se gasta). Por eso, para que la velocidad sea positiva, se escribe con signo menos: $v = -\Delta[\text{A}]/\Delta t$. En un producto no hace falta el signo.
Es una velocidad media porque la reacción no avanza siempre al mismo ritmo: es el promedio en ese intervalo. Si tienes una tabla de datos, calcula una velocidad media por cada intervalo.
En una reacción, la concentración de un reactivo pasa de $0{,}80\ \text{mol/L}$ a $0{,}50\ \text{mol/L}$ en $10\ \text{s}$. Calcula la velocidad media de consumo de ese…
En una reacción, la concentración de un reactivo pasa de $0{,}80\ \text{mol/L}$ a $0{,}50\ \text{mol/L}$ en $10\ \text{s}$. Calcula la velocidad media de consumo de ese reactivo en $\text{mol/(L}\cdot\text{s)}$.
La tabla muestra la concentración de un reactivo $\text{A}$ en el tiempo: | Tiempo (s) | 0 | 20 | 40 | 60 | |---|---|---|---|---| | $[\text{A}]$ (mol/L) | 1{,}00 |…
La tabla muestra la concentración de un reactivo $\text{A}$ en el tiempo:
| Tiempo (s) | 0 | 20 | 40 | 60 |
|---|---|---|---|---|
| $[\text{A}]$ (mol/L) | 1{,}00 | 0{,}60 | 0{,}40 | 0{,}30 |
Calcula la velocidad media de consumo de $\text{A}$ en cada intervalo de $20\ \text{s}$ y explica por qué la velocidad va disminuyendo a medida que transcurre la reacción.
Velocidad y coeficientes estequiométricos
En una reacción, las sustancias no se gastan ni se forman al mismo ritmo: depende de sus coeficientes. En $\text{N}_2 + 3\,\text{H}_2 \rightarrow 2\,\text{NH}_3$, por cada mol de $\text{N}_2$ que reacciona se gastan 3 mol de $\text{H}_2$ y se forman 2 mol de $\text{NH}_3$. Entonces el $\text{H}_2$ se consume tres veces más rápido que el $\text{N}_2$.
Para la reacción $2\,\text{N}2\text{O}5 \rightarrow 4\,\text{NO}2 + \text{O}2$ se mide que el $\text{N}2\text{O}5$ se consume a razón de…
Para la reacción $2\,\text{N}_2\text{O}_5 \rightarrow 4\,\text{NO}_2 + \text{O}_2$ se mide que el $\text{N}_2\text{O}_5$ se consume a razón de $0{,}020\ \text{mol/(L}\cdot\text{s)}$. Con base en los coeficientes estequiométricos, calcula la velocidad de formación del $\text{NO}_2$ y la del $\text{O}_2$, y explica tu razonamiento.
Teoría de colisiones
¿Por qué ocurren las reacciones y por qué unas son más rápidas? La teoría de colisiones lo explica así: para que dos partículas reaccionen deben chocar, pero no todo choque produce reacción. Se necesita que:
-
Las partículas choquen con una orientación adecuada.
-
El choque tenga energía suficiente, al menos la energía de activación ($E_a$): la energía mínima para romper enlaces de los reactivos y empezar a formar los de los productos.
Es como una pelota que debe subir una loma antes de caer al otro lado: si no tiene energía para llegar a la cima, vuelve atrás. Cuanto más alta es la loma ($E_a$ grande), menos choques la superan y más lenta es la reacción.
Por tanto, la velocidad depende de cuántos choques efectivos (con orientación y energía suficientes) ocurren por segundo.
Factores que modifican la velocidad
Todo lo que aumente los choques efectivos por segundo hace más rápida la reacción.
| Factor | Si aumenta... | Por qué |
|---|---|---|
| Concentración | más rápida | hay más partículas por volumen, más choques |
| Superficie de contacto | más rápida | más partículas de reactivo quedan expuestas |
| Temperatura | más rápida | las partículas se mueven más rápido: más choques y más con energía $\ge E_a$ |
| Catalizador | más rápida | ofrece un camino con menor $E_a$ |
Concentración y superficie de contacto
Con más partículas en el mismo volumen, se encuentran más veces. En un sólido solo reaccionan las partículas de la superficie, así que al triturarlo queda más superficie expuesta. Por eso una pastilla efervescente triturada se disuelve más rápido que entera, y la leña astillada prende más fácil que un tronco.
Temperatura
Al calentar, las partículas tienen más energía cinética: chocan más veces y, sobre todo, una fracción mucho mayor supera la $E_a$. Por eso la leche se daña más rápido sobre la mesa en Cali que en la nevera: a mayor temperatura, los procesos de las bacterias y las reacciones que la descomponen van más rápido. Como regla práctica, muchas reacciones duplican su velocidad por cada aumento de unos $10\ °\text{C}$.
Catalizador
Un catalizador acelera una reacción sin consumirse. No da más energía a las partículas: ofrece otro camino con menor energía de activación, de modo que más choques logran reaccionar. En los seres vivos los catalizadores son las enzimas. La catalasa del hígado descompone el peróxido de hidrógeno en agua y oxígeno.
Samuel observa que una pastilla efervescente entera tarda más en disolverse en agua que la misma pastilla triturada. Indica cuál factor que modifica la velocidad de…
Samuel observa que una pastilla efervescente entera tarda más en disolverse en agua que la misma pastilla triturada. Indica cuál factor que modifica la velocidad de reacción explica la diferencia y señala en cuál de los dos casos la reacción es más rápida.
Valentina guarda la leche en la nevera y su hermano deja otro envase igual sobre la mesa de la cocina, en Cali. Después de un día, la leche de la mesa se ha dañado y la…
Valentina guarda la leche en la nevera y su hermano deja otro envase igual sobre la mesa de la cocina, en Cali. Después de un día, la leche de la mesa se ha dañado y la de la nevera no. Explica este hecho usando la teoría de colisiones y el efecto de la temperatura sobre la velocidad de reacción.
Comparar condiciones y diseñar experimentos
Para saber qué factor influye, se cambia una sola variable y las demás se controlan (se mantienen iguales).
Cuando se combinan varios factores, razona uno por uno. En la descomposición del $\text{H}_2\text{O}_2$: con $3\,\%$ a $20\,°\text{C}$ es lenta; con catalasa baja la $E_a$ y se acelera; con $6\,\%$ y $40\,°\text{C}$ hay más concentración y más energía de choque. Justifica cada posición con estos argumentos.
En una planta de tratamiento de aguas cerca de Medellín se prueba la descomposición del peróxido de hidrógeno (…
En una planta de tratamiento de aguas cerca de Medellín se prueba la descomposición del peróxido de hidrógeno ($2\,\text{H}_2\text{O}_2 \rightarrow 2\,\text{H}_2\text{O} + \text{O}_2$) en tres condiciones: (a) $\text{H}_2\text{O}_2$ al $3\,\%$ a $20\,°\text{C}$; (b) $\text{H}_2\text{O}_2$ al $3\,\%$ a $20\,°\text{C}$ con un trozo de hígado fresco, que contiene la enzima catalasa; (c) $\text{H}_2\text{O}_2$ al $6\,\%$ a $40\,°\text{C}$. Ordena las tres condiciones de menor a mayor velocidad esperada y justifica cada posición. Explica además cómo actúa el catalizador en términos de energía de activación y por qué no se consume en la reacción.
Un grupo de estudiantes de décimo quiere comparar la velocidad con que el magnesio reacciona con ácido clorhídrico midiendo el volumen de hidrógeno producido. Realizan…
Un grupo de estudiantes de décimo quiere comparar la velocidad con que el magnesio reacciona con ácido clorhídrico midiendo el volumen de hidrógeno producido. Realizan tres montajes con la misma cantidad de magnesio: (1) cinta de magnesio con $\text{HCl}$ $1\,\text{M}$; (2) magnesio en polvo con $\text{HCl}$ $1\,\text{M}$; (3) cinta de magnesio con $\text{HCl}$ $0{,}5\,\text{M}$. Todos se hacen a la misma temperatura. Plantea la hipótesis del orden de velocidades, indica qué variable se modifica en cada comparación y cuáles deben mantenerse controladas, y explica por qué el volumen final de hidrógeno sería igual en (1) y (2) aunque su velocidad sea distinta.