Cinética química I: Introducción a las velocidades de reacción

Todas las sustancias químicas se unen a otras o se descomponen para formar otras diferentes mediante reacciones. La rama de la química que se dedica al estudio y análisis de la velocidad o rapidez a la que ocurren estos procesos se llama cinética química. Es muy importante conocer qué tan rápido se llevan a cabo ciertas reacciones para, por ejemplo, obtener información acerca de la caducidad de ciertos alimentos, qué tan rápido va a surtir efecto un medicamento, etcétera.

Existen diversos factores que influyen en las velocidades de reacción:

  • El estado físico de los reactivos. Generalmente las reacciones químicas se llevan a cabo de manera más rápida si los reactivos se encuentran en estado gas o líquido. En caso de que se encuentren en estado sólido (al menos uno de ellos) la velocidad de reacción dependerá de manera importante del área de contacto disponible del sólido. Por ejemplo, si queremos disolver cloruro de sodio (sal común) en un vaso de agua se disolverá más rápido sí está granulada de la forma común a que si usamos sal de mar cuyos granos son más grandes.
  • La concentración de los reactivos. Una gran cantidad de reacciones se lleva a cabo mucho más rápido si se aumenta la concentración de uno de los reactivos.
  • La temperatura a la que se lleva a cabo la reacción. Al aumentar la temperatura de una sustancia sabemos que se incremente la energía cinética de sus partículas y en consecuencia hay más choques entre ellas. Por ello, al aumentar la temperatura en una reacción química elevamos la velocidad a la que ésta se lleva a cabo.
  • La presencia de un catalizador. Generalmente un catalizador cambia la velocidad de una reacción aumentándola.

Velocidad media y velocidad instantánea de reacción.

Se pueden calcular las velocidades media e instantánea de una reacción utilizando datos experimentales. Supongamos que tenemos la siguiente reacción A —> B (A produce B) y queremos determinar las velocidades de reacción respecto al reactivo A. Primero habría que graficar los datos de la concentración de A con respecto al tiempo como se observa en la imagen que presentamos a continuación.

Cambio de concentración de un reactivo respecto al tiempo en una reacción química.

Por ejemplo, para obtener la velocidad media, primero se escoge un intervalo de tiempo y se realiza la siguiente operación:

Velocidad media respecto a A = – DA / Dt 

El cambio de la concentración de A se divide entre el intervalo de tiempo. Es importante notar el signo negativo en esta fórmula ya que el reactivo A se convierte en B y por lo tanto con el paso del tiempo desaparece.

Para obtener la velocidad instantánea a cierto tiempo, simplemente en la gráfica (como se puede observar en la figura anterior) se traza una línea tangente a ese punto y se calcula la pendiente de dicha línea. Por ejemplo, en la gráfica anterior se muestra cómo obtener la velocidad instantánea a los 100 segundos de haber empezado la reacción.

Constante de velocidad

Suponiendo que se tiene la siguiente reacción:

aA + bB —> cC + dD

Y también conociendo las concentraciones iniciales de los reactivos A y B, podríamos obtener la relación que existe entre estas concentraciones iniciales y la velocidad de reacción. Podríamos llevar a cabo varios experimentos variando alguna de las concentraciones iniciales de cualquiera de los dos reactivos y veríamos cómo influye ésta en la rapidez en la que se lleva a cabo la reacción. En algunos casos veríamos que la velocidad de reacción es directamente proporcional a las concentraciones iniciales de los reactivos A y B. Trasladando esta conclusión a un modelo matemático obtendríamos la siguiente fórmula:

Velocidad de reacción = k[A]m[B]n 

Donde k es la constante de velocidad de la reacción y depende directamente de la temperatura a la cual se lleva a cabo. Generalmente en el laboratorio se obtienen datos de concentraciones iniciales y velocidades de reacción con el método gráfico que vimos anteriormente. Es cuestión de sustituir esos datos en la fórmula y despejar la constante de velocidad. Los coeficientes m y n determinan el orden de la reacción y se pueden obtener experimentalmente como veremos en un post posterior.

Recomiendo la revisión de la literatura en las referencias, ya que ahí se encuentran ejemplos con resultados de experimentos reales donde se observa cómo influyen las concentraciones iniciales en la velocidad de reacción.

Referencias:

  1. Brown Theodre L., y cols. Química. La ciencia central. PEARSON Educación, México, 2004. Pág. 56 ISBN 970-26-0468-0
  2. Cinética Química
    Consultada el día lunes 23 de octubre del 20187.

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