Dependencia de la temperatura

Cinética química

La velocidad de reacción es la velocidad a la que se produce una reacción química. La velocidad de reacción se define como el cambio en la concentración de un componente en la reacción con el tiempo. La velocidad de una reacción depende de varios factores, incluida la concentración de reactivos y la temperatura a la que se realiza la reacción. Cada reactivo contribuye a la velocidad de la reacción por un factor específico. Esta relación está definida por la ley de la velocidad de reacción.

Ley de Tarifas

La ley de velocidad es una ecuación que describe la relación entre la concentración de reactivos, A y B, y sus órdenes de reacción, m y n. La constante de velocidad, k, relaciona las concentraciones y órdenes de los reactivos con la velocidad de reacción. Depende de la reacción como de la temperatura a la que se realiza la reacción.

r = k [A]^m[B]ⁿ for aA + bB → cC

Ecuación de Arrhenius

La ecuación de Arrhenius relaciona la constante de velocidad de reacción con la energía de activación de una reacción química. La energía de activación se define como la cantidad de energía que necesita una reacción química para continuar. Si una reacción no cumple con este requisito de energía de activación, la reacción no continuará.

La relación exponencial negativa entre k y la temperatura indica que a medida que aumenta la temperatura, también aumenta el valor de k. Dado que la constante de velocidad se puede determinar experimentalmente en un rango de temperaturas, la energía de activación se puede calcular utilizando la ecuación de Arrhenius. Al tomar el logaritmo neperiano de ambos lados, la ecuación de Arrhenius se reescribe como una ecuación lineal.

Una gráfica de ln k vs. 1/T produce una línea recta con una pendiente igual a -E_a/R y una intersección con el eje y de ln A. Dado que se conoce la constante de gas ideal, R, E_a se puede determinar gráficamente utilizando una serie de valores k a diferentes temperaturas.

Catalizadores y energía de activación

Algunas reacciones químicas tienen una energía de activación suficientemente grande que hace que la reacción proceda lentamente, si es que lo hace. La reacción de descomposición del peróxido de hidrógeno en oxígeno y agua ocurre espontáneamente, pero ocurre a un ritmo increíblemente lento. Una forma de superar esta barrera inicial es suministrar energía en forma de calor. Sin embargo, esto no siempre es lo ideal, ya que el calor excesivo puede afectar a la estabilidad de los productos o reactivos o puede facilitar las reacciones secundarias.

La energía de activación de las reacciones químicas puede modificarse mediante catalizadores. Un catalizador reduce la energía de activación de una reacción química, pero no es consumido por la reacción. En otras palabras, un catalizador facilita la reacción química al facilitar la superación del requerimiento crítico de energía de activación. En la descomposición del peróxido de hidrógeno, la adición de nitrato de hierro disminuye la energía de activación y permite que la reacción proceda a un ritmo más rápido. Sin embargo, es importante tener en cuenta que, si bien un catalizador puede afectar la velocidad de una reacción, un catalizador NO cambia la cantidad de producto producido por la reacción.

Referencias

1. Kotz, J.C., Treichel Jr, P.M., Townsend, J.R. (2012). Química y reactividad química. Belmont, CA: Brooks/Cole, Cengage Learning.
2. Silberberg, M.S. (2009). Química: La naturaleza molecular de la materia y el cambio. Boston, MA: McGraw Hill.

La medida de la rapidez con la que se produce una reacción se denomina velocidad de reacción. La velocidad de una reacción química está definida por la ley de velocidad, que describe la relación entre la velocidad de la reacción y las concentraciones de reactivo. En esta ecuación, k es la constante de velocidad, A y B son los dos reactivos, y m y n son sus respectivos órdenes de reacción.

La constante de tasa convierte la relación en las unidades de tasa adecuadas, moles por litro por segundo. Por lo tanto, la constante de velocidad tiene diferentes unidades, dependiendo del orden general de la reacción. Sin embargo, la constante de tasa tiene más importancia que la simple conversión de unidades. La constante de velocidad está relacionada con la cantidad mínima de energía requerida para que ocurra una reacción química, llamada energía de activación.

En una reacción, los reactivos se encuentran en un estado inicial de energía potencial. A medida que avanza la reacción, debe superar una cierta energía potencial, la energía de activación, antes de alcanzar su estado final. La energía neta de la reacción es la diferencia entre el estado inicial y el final. Esta diferencia puede ser negativa, lo que significa que la reacción libera energía, o positiva, lo que significa que absorbe energía.

Si no hay suficiente energía disponible para superar la energía de activación, la reacción no continuará. En algunos casos, la energía puede suministrarse en forma de calor. Esto proporciona energía adicional para superar la barrera de la activación, y la reacción puede continuar. También se puede agregar un catalizador, que proporciona una vía alternativa de menor energía de activación entre los reactivos y los productos.

Los catalizadores no se consumen en la reacción y, por lo tanto, no afectan a la energía neta de la reacción. La energía de activación se determina experimentalmente y se relaciona con la constante de reacción k mediante la ecuación de Arrhenius, donde A es el factor preexponencial o de frecuencia, R es la constante universal del gas y T es la temperatura absoluta a la que se produce la reacción.

A partir de esta ecuación, sabemos que aumentar la temperatura de reacción o disminuir la energía de activación aumenta la constante de velocidad. Volviendo a la ecuación de la ley de la tasa, se deduce que una constante de velocidad más alta da como resultado una velocidad de reacción más alta. Esto tiene sentido porque a medida que aumenta la temperatura, las moléculas se mueven más rápido y chocan con más frecuencia, lo que resulta en una mayor fracción de moléculas con mayor energía que la energía de activación.

En este laboratorio, aprenderá a medir experimentalmente la energía de activación de una reacción utilizando la descomposición del peróxido de hidrógeno como reacción modelo.