Cinética química

Expresión matemática de la velocidad de reacción

En cinética química, la velocidad de reacción refleja cuán rápido se consumen las sustancias iniciales (reactivos) o se acumulan las sustancias finales (productos). Consideremos este principio con el ejemplo clásico de la síntesis del yoduro de hidrógeno, donde una molécula de hidrógeno interactúa con una molécula de yodo: $H_2 + I_2 = 2HI$.

Matemáticamente, este proceso se describe mediante la relación entre el cambio de concentración ($\Delta c$) y un intervalo de tiempo determinado ($\Delta t$). Dado que durante el proceso los reactivos se consumen constantemente, su concentración disminuye. Para que el valor final de la velocidad siga siendo una magnitud positiva, en las fórmulas se coloca obligatoriamente un signo menos delante de la fracción para los reactivos:

• Respecto al hidrógeno ($H_2$): $v_1 = - \frac{\Delta c(H_2)}{\Delta t}$
• Respecto al yodo ($I_2$): $v_2 = - \frac{\Delta c(I_2)}{\Delta t}$

Para el producto de la reacción (yoduro de hidrógeno), la situación es la inversa: su concentración solo aumenta con el tiempo. Por lo tanto, aquí no se requiere el signo menos y la fórmula adquiere la forma: $v_3 = \frac{\Delta c(HI)}{\Delta t}$. De este modo, la dinámica del sistema se puede monitorizar a través de cualquiera de sus participantes.

Naturaleza de las colisiones moleculares

Imaginemos un proceso químico que tiene lugar en una mezcla gaseosa o líquida. En tales estados de agregación, las partículas se encuentran en un movimiento caótico continuo, lo que da lugar a un número colosal de contactos mutuos. Para hacernos una idea de la escala: en el aire ordinario, cada molécula individual experimenta alrededor de 400 millones de colisiones en tan solo un segundo.

Si absolutamente cada una de estas colisiones condujera inevitablemente a una transformación química, entonces todas las reacciones terminarían prácticamente al instante. Sin embargo, en la práctica real de laboratorio y de la naturaleza, observamos un panorama completamente diferente: la mayoría de los procesos químicos transcurren a una velocidad mensurable, a menudo bastante lenta. La razón principal de este fenómeno radica en que la gran mayoría de las colisiones que ocurren son ineficaces; las partículas simplemente rebotan unas en otras y esto no conduce a una transformación química.

Energética de la colisión eficaz

Para que una colisión molecular sea exitosa y conduzca a una reacción, se debe cumplir una condición estricta. Las partículas que chocan deben poseer una reserva suficiente de energía cinética ($E_{kin} = \frac{m \cdot v^2}{2}$, donde se tienen en cuenta la masa y la velocidad).

El proceso de transformación en sí durante un impacto eficaz transcurre según el siguiente algoritmo:

1. En el momento del contacto físico se produce una fuerte deformación de las capas electrónicas de las partículas.
2. Durante este proceso de deformación, la energía cinética del movimiento de traslación se transforma en energía potencial del sistema.
3. Si el incremento final de la energía potencial resulta ser suficientemente grande, se desencadena una reorganización interna profunda.

Como resultado, cambia toda la estructura electrónica: los antiguos enlaces químicos que mantenían a los átomos en los reactivos iniciales se rompen de forma irreversible. Inmediatamente después, se forman nuevos enlaces que configuran las moléculas de los productos de reacción.

Qué más repasar sobre el tema

• Análisis profundo de los factores que influyen en la velocidad de reacción (temperatura, presión, concentración).
• El papel de los catalizadores en la modificación de la energía necesaria para una colisión exitosa.
• Mecanismos de ruptura gradual y formación sincrónica de nuevos enlaces químicos.
• Relación entre la energía cinética de las partículas y la temperatura de la mezcla de reacción.
• Teoría de las colisiones activas y cálculo de la proporción de impactos eficaces.

Otros temas de la sección «Capítulo 6. Patrones en el curso de las reacciones químicas»

Material preparado por los profesores de WhiteCoat Pro según el plan de estudios de las facultades de medicina. De carácter educativo.