Introducción a la Química
Objetivo de aprendizaje
- Explicar cómo la concentración, el área de superficie, la presión, la temperatura y la adición de catalizadores afectan la velocidad de reacción
Puntos clave
- Cuando se elevan las concentraciones de los reactivos, la reacción procede más rápidamente. Esto se debe a un aumento en el número de moléculas que tienen la energía mínima requerida. Para los gases, el aumento de la presión tiene el mismo efecto que el aumento de la concentración.
- Cuando los sólidos y los líquidos reaccionan, el aumento del área de superficie del sólido aumentará la velocidad de reacción. Una disminución en el tamaño de las partículas provoca un aumento en la superficie total del sólido.
- Elevar la temperatura de reacción en 10 °C puede duplicar o triplicar la velocidad de reacción. Esto se debe a un aumento en el número de partículas que tienen la energía mínima requerida. La velocidad de reacción disminuye con una disminución de la temperatura.
- Los catalizadores pueden reducir la energía de activación y aumentar la velocidad de reacción sin ser consumidos en la reacción.
- Las diferencias en las estructuras inherentes de los reactivos pueden conducir a diferencias en las tasas de reacción. Las moléculas unidas por enlaces más fuertes tendrán tasas de reacción más bajas que las moléculas unidas por enlaces más débiles, debido a la mayor cantidad de energía necesaria para romper los enlaces más fuertes.
Condiciones
- catalystA sustancia que aumenta la velocidad de una reacción química sin consumirse en el proceso.
- energía de activaciónla cantidad mínima de energía que las moléculas deben tener para que se produzca una reacción en caso de colisión.
Concentraciones de reactivos
El aumento de las concentraciones de reactivos hace que la reacción ocurra a un ritmo más rápido. Para que ocurra una reacción química, debe haber un cierto número de moléculas con energías iguales o mayores que la energía de activación. Con un aumento en la concentración, el número de moléculas con la energía mínima requerida aumentará, y por lo tanto la velocidad de la reacción aumentará. Por ejemplo, si una de cada millones de partículas tiene suficiente energía de activación, entonces de cada 100 millones de partículas, solo 100 reaccionarán. Sin embargo, si tienes 200 millones de esas partículas dentro del mismo volumen, entonces 200 de ellas reaccionan. Al duplicar la concentración, la velocidad de reacción también se ha duplicado.
Área de superficie
En una reacción entre un sólido y un líquido, el área de superficie del sólido afectará en última instancia la rapidez con la que se produce la reacción. Esto se debe a que el líquido y el sólido pueden chocar entre sí solo en la interfaz líquido-sólido, que se encuentra en la superficie del sólido. Las moléculas sólidas atrapadas dentro del cuerpo del sólido no pueden reaccionar. Por lo tanto, aumentar el área de superficie del sólido expondrá moléculas más sólidas al líquido, lo que permite una reacción más rápida.
Por ejemplo, considere un ladrillo de 6 x 6 x 2 pulgadas. El área de las superficies expuestas del ladrillo es de 4(6\veces 2)+2 (6\veces 6)=120\;cm^2. Sin embargo, cuando el ladrillo se desmonta en nueve cubos más pequeños, cada cubo tiene una superficie de 6(2 \veces 2) = 24\ cm^2, por lo que la superficie total de los nueve cubos es de 9 \veces 24 = 216\ cm^2.
Esto muestra que la superficie total expuesta aumentará cuando un cuerpo más grande se divide en piezas más pequeñas. Por lo tanto, dado que una reacción tiene lugar en la superficie de una sustancia, el aumento del área de superficie debe aumentar la cantidad de sustancia disponible para reaccionar, y por lo tanto aumentará la velocidad de la reacción también.
Presión
Aumentar la presión para una reacción que involucre gases aumentará la velocidad de reacción. A medida que aumenta la presión de un gas, disminuye su volumen (PV=nRT; P y V están inversamente relacionados), mientras que el número de partículas (n) permanece sin cambios. Por lo tanto, el aumento de la presión aumenta la concentración del gas (n/V) y garantiza que las moléculas de gas colisionen con mayor frecuencia. Tenga en cuenta que esta lógica solo funciona para gases, que son altamente compresibles; cambiar la presión para una reacción que solo involucra sólidos o líquidos no tiene ningún efecto en la velocidad de reacción.
Temperatura
Se ha observado experimentalmente que un aumento de 10 °C en la temperatura generalmente duplica o triplica la velocidad de una reacción entre moléculas. La energía mínima necesaria para que una reacción proceda, conocida como energía de activación, permanece igual con el aumento de la temperatura. Sin embargo, el aumento promedio de la energía cinética de partículas causada por el calor absorbido significa que una mayor proporción de las moléculas reactivas ahora tienen la energía mínima necesaria para colisionar y reaccionar. Un aumento de la temperatura provoca un aumento en los niveles de energía de las moléculas involucradas en la reacción, por lo que la velocidad de la reacción aumenta. De manera similar, la velocidad de reacción disminuirá con una disminución de la temperatura.
Presencia o ausencia de un catalizador
Los catalizadores son sustancias que aumentan la velocidad de reacción al reducir la energía de activación necesaria para que se produzca la reacción. Un catalizador no se destruye ni cambia durante una reacción, por lo que se puede usar de nuevo. Por ejemplo, en condiciones normales, H2 y O2 no se combinan. Sin embargo, se combinan en presencia de una pequeña cantidad de platino, que actúa como catalizador, y la reacción se produce rápidamente.
La naturaleza de los reactivos
Las sustancias difieren notablemente en las velocidades a las que experimentan cambios químicos. Las diferencias de reactividad entre las reacciones pueden atribuirse a las diferentes estructuras de los materiales involucrados; por ejemplo, si las sustancias están en solución o en las materias de estado sólido. Otro factor tiene que ver con las fuerzas de enlace relativas dentro de las moléculas de los reactivos. Por ejemplo, una reacción entre moléculas con átomos unidos por enlaces covalentes fuertes tendrá lugar a un ritmo más lento que una reacción entre moléculas con átomos unidos por enlaces covalentes débiles. Esto se debe al hecho de que se necesita más energía para romper los enlaces de las moléculas fuertemente unidas.