Relación entre la constante de velocidad y la energía de activación
La velocidad de una reacción es una poderosa herramienta de diagnóstico. Si averiguamos a qué velocidad se fabrican los productos y qué hace que las reacciones se ralenticen, podemos desarrollar métodos para mejorar la producción. Esta información es esencial para la fabricación a gran escala de muchos productos químicos, como los fertilizantes, los medicamentos y los artículos de limpieza del hogar.
En primer lugar, es importante entender qué es la velocidad de reacción. Cuando se produce una reacción, las moléculas chocan entre sí con la energía suficiente para que los reactivos se descompongan o se transformen en una nueva especie conocida como producto (a menudo hay más de un producto). Por tanto, la velocidad de reacción es efectivamente la velocidad con la que se forma el producto y también la velocidad con la que se consume el reactivo. Dado que las reacciones requieren que las moléculas superen una determinada barrera energética para chocar con éxito, la velocidad de reacción suele indicar si las condiciones son adecuadas para que esto ocurra. Por ejemplo, una velocidad de reacción lenta podría indicar que no se producen muchas de las colisiones con la fuerza adecuada para romper los enlaces químicos de los reactivos, por lo que el producto no se fabrica tan rápidamente. Si se sabe esto, los fabricantes pueden investigar la mejor manera de aumentar el número de colisiones de moléculas con éxito para aumentar el rendimiento.
Acelerar el ritmo de las reacciones químicas
Como vimos en la conferencia anterior, la velocidad a la que se produce una reacción puede ser muy importante para los resultados de la misma. En el ámbito de la investigación forense, la parte de la investigación que más se preocupa por la velocidad de las reacciones es la investigación de la muerte. Tanto el momento de la muerte como los procesos químicos que tienen lugar tras el fallecimiento de una persona son de gran interés para un investigador. Un químico puede utilizar su conocimiento de lo que sucede químicamente a un cuerpo después de la muerte para ayudar a determinar tanto el método como el momento de la muerte. En esta conferencia hablaremos de los procesos químicos que tienen lugar en el cuerpo inmediatamente y a lo largo del tiempo después de la muerte. Comenzaremos con una explicación general de cómo los químicos estudian la velocidad de las reacciones.
Las reacciones químicas requieren distintos tiempos para completarse, dependiendo de las características de los reactivos y los productos y de las condiciones en las que se produce la reacción. La cinética química es el estudio de las velocidades de reacción, de cómo cambian las velocidades de reacción bajo condiciones variables y de qué mecanismo procede la reacción.
Explicar cómo los factores afectan a la velocidad de las reacciones químicas
Antes de que se produzca una reacción química, las moléculas que reaccionan deben chocar entre sí con la fuerza suficiente para romper sus enlaces originales, entrar en un estado de transición de mayor energía y formar después los nuevos enlaces de las moléculas del producto. Si sólo chocan entre sí, sólo rebotarán y no ocurrirá nada. No se producirá ninguna reacción química.
Incluso en el caso de las reacciones químicas que obedecen a la segunda ley de la termodinámica, como la reacción entre el hidrógeno gaseoso y el oxígeno gaseoso para producir agua, los reactantes simplemente chocan entre sí y no se produce ninguna reacción química observable. Esto es muy frustrante si usted es un químico humano que espera que se forme el producto en su tubo de ensayo, o una célula de levadura que espera que se descompongan los azúcares del zumo de uva. Naturalmente, a ambos organismos les gustaría encontrar formas de acelerar las reacciones químicas para que se forme una cantidad razonable de producto en un periodo de tiempo razonable.
Muchos metales puros, como el mercurio o el platino, son buenos catalizadores inorgánicos. Estos agentes proporcionan grandes superficies en las que las moléculas de los reactivos son absorbidas y orientadas entre sí. Mantenidas en la relación adecuada, las moléculas reactivas necesitan menos energía de activación para que la colisión sea productiva, por lo que la reacción química puede tener lugar más rápidamente a temperaturas más bajas. Los catalizadores se utilizan mucho en la fabricación de todo tipo de productos, desde el caucho hasta la margarina, y la mayoría de los coches modernos tienen “convertidores catalíticos” como parte de sus sistemas de escape. Las sustancias químicas peligrosas producidas en el motor del coche pasan por un catalizador de platino antes de pasar al aire. En la superficie del metal, las sustancias químicas peligrosas reaccionan y se vuelven menos dañinas.
¿Cómo afecta el catalizador a la velocidad de reacción?
La cinética de las reacciones es el estudio de la velocidad de las reacciones químicas, y la velocidad de las reacciones puede variar enormemente en un amplio rango de escalas de tiempo. Algunas reacciones pueden tener una velocidad explosiva, como la detonación de los fuegos artificiales (Figura 17.1 “Fuegos artificiales de noche sobre el río”), mientras que otras pueden ocurrir a una velocidad lenta durante muchos años, como la oxidación del alambre de púas expuesto a los elementos (Figura 17.2 “Alambre de púas oxidado”).
Para entender la cinética de las reacciones químicas y los factores que afectan a la cinética, debemos examinar primero lo que ocurre durante una reacción a nivel molecular. Según la teoría de la colisión de la reactividad, las reacciones se producen cuando las moléculas reaccionantes “colisionan efectivamente”. Para que se produzca una “colisión efectiva”, las moléculas reactantes deben estar orientadas en el espacio correctamente para facilitar la ruptura y la formación de enlaces y el reordenamiento de los átomos que dan lugar a la formación de moléculas de producto (véase la Figura 17.3 “Visualizaciones de colisiones”).
Durante una colisión molecular, las moléculas también deben poseer una cantidad mínima de energía cinética para que se produzca una colisión efectiva. Esta energía varía para cada reacción y se conoce como energía de activación (Ea) (Figura 17.4 “Energía potencial y energía de activación”). Por tanto, la velocidad de reacción depende de la energía de activación; una energía de activación más alta significa que menos moléculas tendrán energía suficiente para sufrir una colisión efectiva.