Reacción en cadena en Química: Definición y ejemplos

Reacción en cadena en química

¿Qué es una reacción en cadena y cómo ocurre una reacción en cadena en química? Una reacción en cadena es un proceso en el que los componentes de la reacción experimentan reacciones indefinidas hasta que se alcanza un punto final. Este punto final puede ser un paso de terminación o los reactivos finalmente se agotarán. Según la definición de reacción en cadena en química, una reacción en cadena es una reacción que tiene un paso inicial y ocurre varias veces hasta que un punto final detiene la cadena. El número de reacciones que ocurren en esta cadena puede ser de miles o incluso más. Muchas reacciones se pueden clasificar como reacciones en cadena, pero este término para una reacción generalmente se reserva para reacciones de radicales libres y reacciones de fisión nuclear. Estas reacciones de fisión nuclear ocurren en reactores nucleares y armas de fisión nuclear. Las reacciones de fisión nuclear son reacciones en cadena importantes que permiten que las plantas de energía nuclear produzcan energía para nuestro uso diario. Las reacciones en cadena producidas por los radicales se utilizan en muchas aplicaciones, como la polimerización, la autooxidación, el fuego y las explosiones. Incluso el deterioro de los alimentos es una reacción en cadena.

¿Qué sucede en una reacción en cadena?

Una reacción en cadena es similar a lo que sucede en un juego de dominó. Este «efecto dominó» comienza al derribar una ficha de dominó, lo que provoca que otra y otra se derriben. Una reacción en cadena necesita un paso de iniciación, un portador, pasos de propagación y un paso de terminación. El paso de iniciación inicia la reacción en cadena. Un portador es una sustancia que permite que la cadena de reacciones continúe ocurriendo. Los pasos de propagación son los pasos de reacción que ocurren entre los pasos de iniciación y terminación. El punto final de una reacción en cadena se denomina paso de terminación.

Tipos de reacciones en cadena

Los dos tipos principales de reacciones en cadena son las reacciones radicales y la fisión nuclear. Ambos tipos de reacciones en cadena involucran los mismos componentes generales de reacción. Estas reacciones en cadena continuarán hasta que se agoten los reactivos. El agotamiento de los reactivos ocurre cuando todos han reaccionado o cuando ocurren los pasos de eliminación. Estos pasos de eliminación son reacciones que hacen que los reactivos se conviertan en materiales no reactivos para las reacciones en cadena.

Reacción radical

Las reacciones radicales son reacciones en cadena que involucran especies químicas llamadas radicales. Estas especies radicales son átomos que contienen un electrón desapareado. Los radicales son creados por una escisión de enlace homolítico, donde los dos electrones del enlace que se rompe se dividen por igual entre las dos entidades del enlace que se rompe. Las reacciones radicales tienen los pasos de reacción generales que ocurren para que ocurra esta reacción en cadena.

• Paso de iniciación
  • Escisión homolítica: este paso inicia o inicia la reacción radical. Hay una ruptura de un enlace que da como resultado la formación de dos especies radicales. Estas especies de radicales son los portadores de las reacciones de radicales.
• Pasos de propagación
  • Adición a un enlace pi: en este paso de propagación, un radical puede agregarse a un enlace pi como un enlace doble para destruir el enlace pi y generar un nuevo radical.
  • Abstracción de hidrógeno: un radical puede abstraer un átomo de hidrógeno. Este átomo de hidrógeno abstraído formará un nuevo enlace sigma con el radical. Se genera un nuevo radical al eliminar su átomo de hidrógeno.
  • Abstracción de halógeno: este paso de propagación es similar a la extracción de hidrógeno, con la diferencia de que se extrae un átomo de halógeno en lugar de un átomo de hidrógeno. Se crea un nuevo radical a partir del proceso de eliminación de un átomo de halógeno.
  • Eliminación: en este paso, se eliminará un átomo de una especie radical, lo que dará como resultado la formación de dos nuevos fragmentos donde uno de los fragmentos es una nueva especie radical.
• Paso de terminación
  • Acoplamiento: cuando dos radicales se unen, este paso se denomina paso de acoplamiento. Este paso de acoplamiento da como resultado la eliminación de radicales del entorno de reacción.

No todos los pasos de propagación ocurrirán en cada reacción radical. El paso de acoplamiento también puede ser un paso de propagación si este paso involucra una especie dirradical. Los pasos de propagación tienen la definición refinada como pasos que producen la reacción neta. Un paso de iniciación puede implicar un iniciador, que es una especie química que inicia un paso de iniciación. Cuando se necesita un iniciador en una reacción de radicales, el paso de iniciación puede ser un paso de propagación típico (p. ej., extracción de hidrógeno). Estos casos especiales deben tenerse en cuenta al analizar los pasos de una reacción radicalaria.

Fisión nuclear

La fisión nuclear es una reacción en cadena en la que se produce una división de núcleos pesados. Estos núcleos pesados ​​suelen ganar estabilidad y producir energía cuando se fragmentan en dos núcleos de tamaño medio. La energía necesaria para fragmentar un núcleo en nucleones individuales se denomina energía de enlace nuclear. La fisión ocurre cuando un núcleo es golpeado por un neutrón que se mueve lentamente. Los neutrones que se producen a partir de la primera fisión seguirán y producirán más fisiones. Cada fisión individual de uranio conduce a la producción de dos o tres neutrones. Esos dos o tres neutrones pueden producir más fisiones, lo que conduce a aún más fisiones. La mayoría de los productos de fisión son radiactivos. Otros núcleos pesados, además del uranio, sufrirán fisión. Los neutrones son los portadores de estas reacciones en cadena porque son necesarios para continuar la cadena de reacciones. Cada vez que un neutrón golpea un núcleo, se producen elementos más ligeros. En la fisión nuclear, la masa del material fisionable es clave para continuar la reacción en cadena.

• Iniciación: los núcleos pesados, como el uranio-233, el uranio-235 o el plutonio-239, son golpeados por un neutrón para producir la primera fisión.

Proceso de fisión nuclear

• Propagación: la masa del material fisionable debe mantener una cierta masa para asegurar futuras fisiones. La masa crítica es la cantidad de material fisionable necesario para mantener las reacciones en cadena a una velocidad constante.
• Terminación: una explosión nuclear pondrá fin a la reacción en cadena. Si hay una masa supercrítica, que es una masa mayor que la masa crítica, las reacciones en cadena se aceleran y conducen a una explosión nuclear. Las reacciones en cadena se detendrán si hay una masa subcrítica. Los neutrones escaparán y no reaccionarán con el material de fisión de masa subcrítica. Los neutrones sobrerreaccionarán en masa supercrítica porque habrá una sobreabundancia de material de fisión.

Ejemplos de reacciones en cadena

El polietileno es un material polimérico comúnmente utilizado en la producción de botellas de plástico, aislamiento y materiales de embalaje. La reacción orgánica responsable de la producción de polietileno útil es la polimerización por radicales. La polimerización por radicales es una reacción en cadena. En esta reacción de radicales, el etileno, también conocido como eteno, se somete a una fuente de calor en presencia de peróxidos. El mecanismo para esta polimerización por radicales implica dos pasos de iniciación, un tipo de paso de propagación y dos pasos de terminación que se describen a continuación.

• Pasos de iniciación
  • Escisión homolítica: cuando el peróxido se somete a calor, esto provocará una escisión homolítica del enlace entre los dos átomos de oxígeno. Esto da como resultado la formación de dos radicales alcoxi.
  • Adición a un enlace pi: el radical alcoxi reaccionará con el enlace pi del etileno además de un paso de enlace pi. Este paso da como resultado la formación de un radical de carbono.
• Paso de propagación
  • Adición a un enlace pi: el radical de carbono se sumará al enlace pi del etileno, lo que dará como resultado un nuevo radical de carbono con una cadena más larga. Este paso ocurre repetidamente, agregando un monómero (enlace carbono-carbono) a la vez. El polímero de polietileno tiene más de 10 000 unidades repetitivas, por lo que este paso ocurre muchas veces.

Unidad de repetición de polietileno

• Pasos de terminación
  • Acoplamiento: cuando un radical alcoxi y un radical de carbono se combinan, se destruyen dos especies de radicales.
  • Acoplamiento: si se combinan dos radicales de carbono, este es otro paso de terminación porque se eliminan o destruyen dos especies de radicales.

Las centrales nucleares producen energía empleando la fisión nuclear. El material fisionable, también conocido como combustible, para este proceso es el uranio-235. En el proceso de fisión nuclear en una planta de energía nuclear, existen características clave que ayudan en esta reacción en cadena.

• Se utiliza una fuente emisora ​​de neutrones para iniciar la reacción en cadena.
• Las barras de control hechas de boro o cadmio se utilizan para controlar el proceso de fisión mediante la absorción de neutrones. La clave para una reacción en cadena autosostenida es el control del flujo de neutrones. Estas barras de control también ayudan a evitar que el núcleo del reactor se sobrecaliente. Cuando un reactor necesita estar fuera de línea, estas barras de control se insertan más profundamente en el núcleo del reactor.
• Dentro del núcleo del reactor, hay un moderador que controla el flujo de neutrones ralentizándolos. Estos neutrones más lentos pueden ser utilizados por el combustible y continuar la reacción en cadena.
• El calor se elimina del núcleo del reactor mediante un líquido refrigerante. Este líquido refrescante también puede servir como moderador.
• Los productos de fisión se acumularán dentro del núcleo del reactor y reducirán la eficiencia al capturar neutrones. Es necesario eliminar estos productos de fisión y agregar más combustible.

Resumen de la lección

Un proceso en el que los componentes de la reacción experimentan múltiples reacciones hasta que se produce un punto final se denomina reacción en cadena. El fuego es un ejemplo de una reacción en cadena que continuará hasta que se agote todo el material de reacción o se alcance el punto final de apagar el fuego. Hay muchos ejemplos de reacciones en cadena, pero los dos tipos principales son las reacciones de radicales libres y la fisión nuclear. En las reacciones de radicales libres, las especies químicas llamadas radicales permiten estas reacciones en cadena. Estos radicales son especies químicas que tienen un electrón desapareado. Los radicales son los portadores de las reacciones de radicales libres, mientras que los neutrones son los portadores de la fisión nuclear. En la fisión nuclear, hay una división de núcleos que da como resultado la producción de energía, neutrones y núcleos de menor tamaño. La energía requerida para la división de la fragmentación de un núcleo se llama energía de enlace nuclear. Las reacciones en cadena producen productos útiles que ayudan a sustentar la vida. La reacción de polimerización por radicales del etileno conduce a la formación de polietileno que se utiliza para fabricar plásticos. Una planta de energía nuclear emplea la reacción en cadena de la fisión nuclear en el núcleo del reactor para proporcionar energía para calentar una casa y mantener las luces encendidas.

Rodrigo Ricardo Editor y fundador