Tasa de una reacción química: factores modificadores

Publicado el 7 septiembre, 2020 por Rodrigo Ricardo

Tasa de reacción

Cuando escuchas la palabra tasa, ¿en qué piensas? ¿Una tasa de interés? ¿Una tasa de velocidad? ¿Una tasa de crecimiento? ¿O quizás una tarifa de pago? La mayoría de las tasas tienen algo que sucede en un período de tiempo específico, como el porcentaje de interés que paga en una tarjeta de crédito cada año, cuánto conduce en una hora, qué tan rápido crece en un año o cuánto le pagan por hora. .

En química, la velocidad de una reacción describe qué tan rápido avanza una reacción a lo largo del tiempo. En otras palabras, la velocidad de reacción mide la rapidez con que los reactivos se transforman en productos. La velocidad de reacción es el cambio en la concentración de reactivos a lo largo del tiempo o el cambio en la concentración de productos a lo largo del tiempo. Las unidades de las velocidades de reacción están en términos de M / tiempo. Para reacciones más rápidas, los segundos se utilizan para unidades de tiempo; para reacciones más largas, se utilizan minutos.

Las velocidades de reacción pueden expresarse en términos de cualquier especie química involucrada en la reacción. La tasa de reacción se puede escribir para la desaparición de un reactivo o la aparición de un producto.

Tomemos un ejemplo de una reacción bastante interesante: la reacción entre el ácido clorhídrico y el zinc metálico. Cuando se combina, el ácido corroe el metal para producir gas hidrógeno y algunas sales metálicas disueltas. La velocidad de esta reacción podría medirse en términos de la desaparición del zinc o la velocidad de aparición del gas hidrógeno.

Si estuviéramos expresando la velocidad de reacción en términos de desaparición del zinc metálico, escribiríamos:

Tasa de reacción = -cambio [zinc] / tiempo

La pendiente de la línea sería negativa, porque la concentración de nuestro reactivo disminuye constantemente.

Si estuviéramos expresando la velocidad de reacción en términos de aparición de gas hidrógeno, escribiríamos:

Tasa de reacción = cambio [gas hidrógeno] / tiempo

La pendiente de la línea sería positiva, porque la concentración de nuestro reactivo aumenta constantemente.

Esta reacción ocurre bastante rápido, pero piense … ¿de qué formas podríamos aumentar la velocidad de reacción? ¿Cuáles son algunas formas en las que podríamos disminuir la velocidad de reacción?

Antes de hablar sobre los factores que influyen en la velocidad de reacción, veamos una reacción química a nivel molecular.

Reacciones químicas: la visión de una molécula

Las moléculas están formadas por átomos unidos por el intercambio de electrones. Estos enlaces son relativamente fuertes y requieren una cierta cantidad de energía para romperse. Los golpes y choques aleatorios de moléculas entre sí generalmente no contienen suficiente energía para romper estos enlaces y causar una reacción química. Además, las moléculas deben colisionar con la orientación adecuada.

Según la teoría de la colisión, para que ocurra una reacción química es necesario que haya una colisión efectiva entre los reactivos. Para ser eficaz, una colisión debe cumplir los dos requisitos siguientes:

  • Las moléculas chocan con suficiente energía para romper enlaces
  • Las moléculas chocan con una orientación favorable.

Cualquier factor que afecte la probabilidad de una colisión efectiva también afecta la velocidad de reacción.

Temperatura

Usted y su estómago pueden saber por la experiencia de cocinar que cambiar la temperatura de los reactivos influye en la velocidad de reacción. Generalmente, si queremos cocinar algo, lo calentamos. Cuando no queremos que nuestra comida se eche a perder, la enfriamos. ¡Por eso tenemos refrigeradores, congeladores, microondas, estufas y hornos en nuestras cocinas!

Pensemos por qué la temperatura podría afectar la velocidad de reacción … ¿de qué se mide la temperatura?

La temperatura es una medida de la energía en movimiento dentro de un sistema. Cuanto mayor es la temperatura, más energía tiene el sistema. Es probable que las moléculas con más energía tengan colisiones más efectivas entre sí, lo que da como resultado una mayor velocidad de reacción. Podríamos esperar hasta que nuestros huevos se cocinen solos, pero es poco probable que eso suceda antes de que se echen a perder. En cambio, agregamos calor para aumentar la velocidad de reacción.

¿Qué pasaría con la velocidad de reacción si bajáramos la temperatura?

La disminución de la temperatura disminuye la energía de las moléculas. Las moléculas chocan menos, lo que resulta en menos reacciones. Cuando enfriamos nuestra comida para conservarla, estamos disminuyendo la velocidad de reacción. Esto evita que los microbios, como las bacterias y el moho, descompongan nuestra comida tan rápido, y evita que las frutas y verduras frescas comiencen a descomponerse.

En general, la velocidad de reacción aumenta al aumentar la temperatura.

Concentración

Imagina que estás en la tienda de comestibles. La tienda está casi vacía y no tienes problemas para recorrer los pasillos. De repente, más y más personas entran a la tienda. Muy pronto, ¡difícilmente podrá mover su carrito sin chocar contra otra persona!

La concentración de personas en la tienda acaba de aumentar, aumentando así la probabilidad de colisiones entre carretas y personas.

Al amontonar más reactivos en un espacio (o alternativamente, disminuyendo el volumen del espacio) se aumenta la concentración. Los reactivos chocan más entre sí, lo que aumenta las posibilidades de una colisión efectiva.

Si la concentración de los reactivos disminuye, ¿cómo cambiará la velocidad de reacción?

Cuanto menor sea la concentración de reactivos, menor será la velocidad de reacción.

En general, cuanto mayor sea la concentración de reactivos, más rápida será la velocidad de reacción.

Para los sistemas gaseosos, se puede lograr el mismo efecto cambiando la presión del sistema.

Área de superficie

Hagamos un pequeño experimento. Estamos disolviendo dos piezas de zinc, cada una con un peso de 10 gramos, en ácido clorhídrico. Una pieza de zinc forma una bola perfectamente redonda. La otra pieza de zinc es una hoja delgada, de solo un átomo de espesor. ¿Qué pieza de zinc desaparecerá más rápido? ¿Cuál tendrá la velocidad de reacción más rápida?

Cuanta más superficie de un reactivo esté expuesta, más rápido ocurrirá la reacción. Esto se debe simplemente a que hay más oportunidades para que ocurran colisiones efectivas. Una reacción más lenta tendrá menos superficie expuesta de un reactivo.


Tasas de reacción basadas en el área de superficie
gráfico de tiempo de velocidad de reacción basado en el área de superficie

En el gráfico que compara las dos velocidades de reacción para el ácido clorhídrico y el zinc, notará que ambas velocidades se estabilizan hacia el final de la reacción. Hay una cantidad finita de superficie que puede reaccionar, por lo que eventualmente la velocidad de reacción se ve limitada por la cantidad de superficie disponible para reaccionar.

Catalizadores

Algunas reacciones son desesperadamente lentas sin la presencia de un catalizador. Un catalizador es una sustancia que aumenta la velocidad de reacción pero no participa en la reacción en sí. El catalizador permanece sin cambios.

Un catalizador aumenta la velocidad de reacción al reducir la cantidad de energía necesaria para iniciar la reacción. Los catalizadores químicos funcionan para ayudar a orientar adecuadamente los reactivos y acelerar la reacción. Los catalizadores químicos comunes incluyen platino o óxido de manganeso (IV).

De manera similar al área superficial, la velocidad de reacción en presencia de un catalizador está limitada por la cantidad de catalizador presente. La velocidad de una reacción catalizada se estabilizará.

Nuestros cuerpos están llenos de catalizadores que ayudan a que procedan las reacciones químicas. Estos catalizadores biológicos están hechos principalmente de proteínas y se denominan enzimas .

Resumen de la lección

La velocidad de reacción es el cambio en la concentración de reactivos a lo largo del tiempo o el cambio en la concentración de productos a lo largo del tiempo. Las unidades de las velocidades de reacción están en términos de M / tiempo.

Para que ocurra una reacción química, debe haber una colisión efectiva entre los reactivos.

Una colisión efectiva requiere que:

  • Las moléculas chocan con suficiente energía para romper enlaces
  • Las moléculas chocan con una orientación favorable.

Las velocidades de reacción pueden verse afectadas por varios factores, incluida la concentración, la temperatura, el área de superficie y la presencia de un catalizador.

El aumento de la concentración aumenta el número de colisiones efectivas.

El aumento de temperatura aumenta la energía cinética de las partículas, lo que conduce a colisiones más efectivas.

El aumento de la superficie aumenta las partículas disponibles para reaccionar, aumentando la probabilidad de colisiones efectivas.

La adición de un catalizador aumenta la velocidad de reacción al disminuir la cantidad de energía necesaria para que ocurra una reacción.

Siempre que aumenta el número de colisiones efectivas, aumenta la velocidad de reacción.

Los resultados del aprendizaje

Una vez que haya completado esta lección, debería poder:

  • Definir la velocidad de reacción e identificar sus unidades de medida.
  • Recuerde lo que se requiere para una colisión efectiva
  • Explicar la relación entre colisiones efectivas y velocidades de reacción.
  • Describe los factores que afectan las tasas de reacción.

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