Cinética química, constante de velocidad de reacción y constante de equilibrio

Reacciones químicas y tasas de reacción

Hola, mi nombre es Cathy Caterpillar, y como sé mucho sobre las transformaciones, estoy aquí para contarles todo sobre la cinética química, que también podríamos cambiar el nombre de la cinética de la oruga para esta lección. Quiero decir, quién sabe, ¡incluso podría transformarme en una mariposa antes de que termine esta lección!

La cinética química estudia las velocidades de reacción de las reacciones químicas o la rapidez con que un grupo de sustancias se transforma en otro grupo. Usemos la química de la oruga para ilustrar esta idea. Lo sé, lo sé, no existe tal cosa, ¡pero quédate conmigo! Bien, entonces las reacciones químicas tienen reactivos y productos, algo así como esto:

Oruga + capullo -> mariposa

La oruga y el capullo son reactivos y la mariposa es un producto. La flecha indica que tuvo lugar una reacción química. Esto se llama reacción hacia adelante: vamos de oruga y capullo a mariposa, o de izquierda a derecha.

Sé que prefiero la química de las orugas, pero tal vez sea porque soy una oruga. Pero para aquellos de ustedes que quieran probar lo real, echen un vistazo a esta reacción química donde el nitrógeno y el hidrógeno se combinan para formar gas amoníaco:

N2 + 3H2 -> 2NH3

Entonces, ¿qué moléculas son los reactivos y cuáles son los productos? Si dijo que el nitrógeno y el hidrógeno son reactivos y el amoníaco es el producto, ¡tiene razón!

Ahora, ocurren diferentes reacciones químicas a diferentes velocidades, y la velocidad de reacción mide qué tan rápido los reactivos se convierten en productos. Algunas reacciones químicas pueden ocurrir en segundos, mientras que otras pueden tardar cientos o incluso miles de años.

Equilibrio

Entonces, sabemos que ocurren diferentes reacciones químicas a diferentes velocidades, pero ¿sabías que algunas reacciones químicas pueden ir al revés? Pero, ¿y si la reacción de la oruga fuera al revés? Tendríamos una mariposa rompiéndose en una oruga y un capullo. O si miramos nuestro otro ejemplo de reacción química, tendríamos amoníaco descomponiéndose en nitrógeno e hidrógeno gaseoso.

Parece una tontería, ¿verdad? Pero en el mundo real de la química, y no en el mundo de las orugas, puede suceder. Así que ahora, leerías la reacción química de derecha a izquierda.

Cuando una reacción química puede ir hacia adelante y hacia atrás, los químicos lo demuestran usando una flecha doble, como esta: <–>.

Entonces, si algunas reacciones pueden ir en ambos sentidos, ¿qué termina sucediendo? Quiero decir, si las orugas y los capullos se convierten en mariposas, y las mariposas en orugas y capullos, y si el nitrógeno y el hidrógeno experimentan una reacción química para convertirse en amoníaco, y el amoníaco se descompone en nitrógeno e hidrógeno, ¿con qué demonios terminaremos? Mariposas ¿Capullos y orugas? ¿Amoníaco? ¿Nitrógeno e hidrógeno? No sé ustedes, ¡pero mi cabeza está a punto de explotar!

Bueno, no te preocupes, no es tan confuso como parece. Usemos la química de nuestra oruga para ilustrar lo que sucede. Entonces, digamos que comienzas con una habitación llena de orugas y capullos. Recuerde, estos son nuestros reactivos.

Una vez que comienza la reacción química, las orugas y los capullos se unen para formar nuestros productos, o las mariposas. Todo parece bastante sencillo en esta reacción directa, ¿verdad?

Pero ahora que las mariposas se están acumulando, comenzarán a experimentar una reacción inversa. Entonces, las mariposas se están descomponiendo en orugas y capullos.

Ahora tenemos ambos sucediendo, las mariposas se producen y luego las mariposas se descomponen y se convierten en orugas y capullos. Finalmente, esta reacción química alcanzará el equilibrio . Esto no significa que las reacciones dejen de ocurrir, pero sí significa que por cada mariposa producida, una mariposa se descompone en una oruga y un capullo. Entonces, equilibrio solo significa que la velocidad de la reacción directa es la misma que la velocidad de la reacción inversa.

Antes de continuar, veamos el equilibrio en una reacción química real. Recuerde, el gas nitrógeno y el gas hidrógeno se combinan para formar gas amoniaco. En el equilibrio, el número de moléculas de hidrógeno y nitrógeno que se unen para formar amoníaco es igual al número de moléculas de amoníaco que se descomponen para formar gas hidrógeno y nitrógeno.

Pero el equilibrio no significa necesariamente que el número de orugas y capullos sea igual al número de mariposas o que el número de moléculas de nitrógeno e hidrógeno sea igual al número de moléculas de amoníaco. Usando la química de las orugas, digamos que la reacción ocurrió muy rápido: las orugas y los capullos se convirtieron rápidamente en mariposas. Esto significa que había muchos productos (o mariposas) cuando finalmente se alcanzó el equilibrio. O digamos que la reacción fue muy lenta y que las orugas y los capullos tardaron una eternidad en convertirse en mariposas. En este caso, habría muchos más reactivos (o orugas y capullos) que productos en el momento en que se produjo el equilibrio.

Constantes de velocidad y reacciones químicas

Ahora que entendemos las velocidades de reacción, las reacciones hacia adelante y hacia atrás y el equilibrio, es hora de agregar una pieza más al rompecabezas. Esa es la constante de velocidad de reacción , que a veces simplemente se denomina constante de velocidad. Hay muchas cosas que debe saber sobre las constantes de velocidad de reacción, así que aquí tiene:

• Las constantes de velocidad de reacción son números y generalmente se muestran en moles / litro. No quiero entrar en los detalles de los lunares en esta lección, pero debes saber que moles / litro mide la concentración de algo, como la cantidad de sustancia disuelta en agua o, si usamos la química de la oruga, podríamos decir cuántas mariposas hay en un determinado volumen de aire.
• Las constantes de velocidad de reacción se utilizan en las leyes de velocidad, que son expresiones matemáticas. Las leyes de velocidad pueden ayudarlo a determinar qué tan rápido ocurrió una reacción química. No se preocupe por las leyes de velocidad de esta lección, pero tenga en cuenta que las constantes de velocidad ayudan a determinar qué tan rápido ocurren las reacciones.
• Las constantes de velocidad de reacción están representadas por la variable k .
• En términos generales, una constante de velocidad de reacción grande significa una velocidad de reacción más rápida y una constante de velocidad pequeña significa una velocidad de reacción más lenta. Eso significa que si tuviéramos una constante de velocidad de reacción grande para la reacción oruga + capullo -> mariposas, esa reacción sucedería muy rápido, ¡y las mariposas comenzarían a acumularse!
• Aunque la palabra ‘constante’ te hace pensar que no cambia, las constantes de velocidad de reacción en realidad no permanecen constantes. Por ejemplo, cambian dependiendo de los reactivos y productos. Entonces, nuestra reacción que involucra nitrógeno e hidrógeno tendrá una constante de velocidad diferente a la de otra reacción química. Y si cambiamos la temperatura, digamos que calentamos el nitrógeno y el hidrógeno, la constante de velocidad también cambiaría.

Equilibrio constante

Entonces, volvamos a nuestra química de orugas. Habría una constante de velocidad de reacción para la reacción directa aquí:

oruga + capullo -> mariposa

Esta constante de velocidad de reacción estaría representada por un subíndice k f ( f significa hacia adelante).

También habría una velocidad de reacción constante para la reacción inversa:

oruga + capullo <- mariposa

Esta constante de velocidad de reacción se llamaría k subíndice r ( r para reverso).

Cuando divide estas constantes de velocidad de reacción, puede crear una constante de equilibrio, que está representada por un subíndice k eq ( eq para equilibrio). Esto se ve así:

Kf / Kr = Keq

Podrías estar pensando, ‘Cathy Caterpillar, eh, ¿y qué?’ Y te entiendo, no suena particularmente emocionante. Diablos, en un día típico estoy felizmente comiendo materia de hojas y no me impresiona demasiado … pero esta constante de equilibrio es bastante buena.

Recuerda que nuestra ecuación química oruga + capullo <–> mariposa estaba en equilibrio, ¿verdad? Bueno, podemos usar la constante de equilibrio para decirnos si hay más orugas y capullos o mariposas cuando la reacción está en equilibrio.

• Si la constante de equilibrio es 1, entonces los productos son iguales a los reactivos, lo que significa que el número de orugas y capullos es igual al número de mariposas.
• Si la constante de equilibrio es menor que 1, los reactivos son mayores que los productos, lo que significa que hay más orugas y capullos que mariposas.
• Si la constante de equilibrio es mayor que 1, hay más productos que reactivos, es decir, más mariposas que orugas y capullos.

Resumen de la lección

¡Siento que se avecina un cambio! Antes de transformarme por completo, repasemos esta lección.

• En una reacción química, hay reactivos y productos, y la velocidad a la que los reactivos se convierten en productos se llama velocidad de reacción.
• La cinética química estudia las velocidades de reacción en las reacciones químicas.
• Algunas reacciones químicas pueden avanzar y retroceder.
• El equilibrio es cuando la velocidad de la reacción directa es igual a la velocidad de la reacción inversa; esto no significa que los reactivos sean iguales a los productos.
• k es la constante de velocidad de reacción y se usa para determinar qué tan rápido ocurren las reacciones químicas.
• k no es realmente constante; puede cambiar según la reacción, así como los cambios en las condiciones, como un aumento de temperatura.
• k para reacciones directas e inversas se puede utilizar para determinar la constante de equilibrio. Este número le dice si hay más reactivos o productos cuando una reacción química alcanza el equilibrio.

Bueno, creo que eso lo cubre y, hablando de transformaciones, ¡mira esto! ¡Supongo que se podría decir que mi velocidad de reacción fue bastante rápida! De ahora en adelante puedes llamarme Cathy Butterfly, pero supongo que no suena igual.

Los resultados del aprendizaje

Una vez que haya completado esta lección, podrá:

• Definir cinética química y velocidades de reacción.
• Explica qué significa el equilibrio en una reacción química.
• Identificar qué factores afectan las velocidades de reacción y las constantes de equilibrio.
• Describe cómo encontrar la constante de equilibrio de una reacción y qué significan las diferentes constantes de equilibrio.

Rodrigo Ricardo Editor y fundador