Velocidad de reacción y equilibrio químico

La idea

Qué vas a aprender

• Qué es la velocidad de una reacciónconcepto

  La velocidad de reacción es la rapidez con la que los reactivos se consumen y aparecen los productos, generalmente medida como cambio de concentración en un tiempo determinado:

  $$v = \frac{\Delta [\text{producto}]}{\Delta t}$$

  Para que dos partículas reaccionen, necesitan chocar entre sí, con la energía suficiente y la orientación adecuada (esto se conoce como la teoría de las colisiones). No todo choque produce reacción: si las partículas no traen bastante energía, o chocan "mal orientadas", rebotan sin transformarse. Cuantas más colisiones efectivas por segundo haya, más rápida es la reacción.

• Las variables que cambian la velocidadconcepto
  • Concentración: cuanta más cantidad de reactivo hay en un mismo volumen, más partículas conviven cerca y más choques ocurren por segundo. Por eso una lija de acero se oxida más rápido en un ambiente con más oxígeno disponible que en uno pobre en oxígeno.
  • Temperatura: al subir la temperatura, las partículas se mueven más rápido y con más energía, así que chocan más veces y más fuerte. Por eso la comida se conserva más tiempo en la heladera: el frío no detiene la descomposición, pero la hace mucho más lenta.
  • Superficie de contacto: cuando el reactivo sólido está más dividido (en polvo en vez de en un bloque), hay más superficie expuesta para reaccionar. Por eso un comprimido efervescente molido se disuelve más rápido que uno entero.
  • Catalizadores: son sustancias que aceleran la reacción sin consumirse en el proceso; abren un "camino alternativo" que requiere menos energía para que ocurra la reacción. El organismo usa catalizadores biológicos (enzimas) constantemente, por ejemplo en la digestión.
• El equilibrio químico como estado dinámicoconcepto

  Muchas reacciones no son de "ida solamente": los productos, a medida que se forman, pueden volver a convertirse en reactivos. Se dice entonces que la reacción es reversible, y se representa con una doble flecha:

  $$A + B \rightleftharpoons C + D$$

  Al principio, la reacción hacia adelante (formación de productos) es más rápida. Pero a medida que se acumulan productos, la reacción inversa (vuelta a reactivos) se acelera. Llega un momento en que ambas velocidades se igualan: se sigue reaccionando en los dos sentidos, pero como ocurren al mismo ritmo, las concentraciones de reactivos y productos dejan de cambiar. Ese es el equilibrio químico: no es que todo se detuvo, es que los cambios en un sentido se compensan exactamente con los del otro. Por eso se dice que es un equilibrio dinámico, no estático.

• Por qué importa esta ideaconcepto

  Controlar la velocidad de reacción y saber hasta dónde llega una reacción tiene aplicaciones todos los días: la industria alimenticia usa el frío para bajar la velocidad de descomposición; los organismos vivos regulan miles de reacciones con catalizadores biológicos; y muchos procesos industriales (como la producción de amoníaco para fertilizantes) se diseñan pensando en cómo favorecer que el equilibrio se desplace hacia los productos que interesan.

Ejemplos resueltos

• - Concentración: cuanta más cantidad de reactivo hay en un mismo volumen, más partículas conviven cerca y más choques ocurren por segundo. Por eso una lija de acero se oxida más rápido en un ambiente con más oxígeno disponible que en uno pobre en oxígeno. - Temperatura: al subir la temperatura, las partículas se mueven más rápido y con más energía, así que chocan más veces y más fuerte. Por eso la comida se conserva más tiempo en la heladera: el frío no detiene la descomposición, pero la hace mucho más lenta. - Superficie de contacto: cuando el reactivo sólido está más dividido (en polvo en vez de en un bloque), hay más superficie expuesta para reaccionar. Por eso un comprimido efervescente molido se disuelve más rápido que uno entero. - Catalizadores: son sustancias que aceleran la reacción sin consumirse en el proceso; abren un "camino alternativo" que requiere menos energía para que ocurra la reacción. El organismo usa catalizadores biológicos (enzimas) constantemente, por ejemplo en la digestión.

Errores comunes

• "En el equilibrio, la reacción se detiene."

  No: la reacción directa e inversa siguen ocurriendo, solo que a la misma velocidad, así que no hay cambio neto observable.

  Cómo corregirlo: No: la reacción directa e inversa siguen ocurriendo, solo que a la misma velocidad, así que no hay cambio neto observable.

• "Un catalizador hace que la reacción produzca más cantidad de producto."

  No cambia cuánto se produce en el equilibrio; solo hace que se llegue más rápido a ese punto.

  Cómo corregirlo: No cambia cuánto se produce en el equilibrio; solo hace que se llegue más rápido a ese punto.

• "Más temperatura siempre significa más cantidad de producto."

  La temperatura acelera la velocidad, pero no necesariamente favorece que haya más producto en el equilibrio; eso depende de cada reacción.

  Cómo corregirlo: La temperatura acelera la velocidad, pero no necesariamente favorece que haya más producto en el equilibrio; eso depende de cada reacción.

• "Si algo reacciona rápido, reacciona completamente."

  Velocidad y "cuánto llega a reaccionar" son cosas distintas: una reacción puede ser rápida y aun así detenerse en un equilibrio con bastante reactivo sin consumir.

  Cómo corregirlo: Velocidad y "cuánto llega a reaccionar" son cosas distintas: una reacción puede ser rápida y aun así detenerse en un equilibrio con bastante reactivo sin consumir.

• "Los catalizadores se gastan como un reactivo más."

  Un catalizador participa en el mecanismo de la reacción pero se regenera al final: la cantidad que había al empezar es la misma que queda al terminar.

  Cómo corregirlo: Un catalizador participa en el mecanismo de la reacción pero se regenera al final: la cantidad que había al empezar es la misma que queda al terminar.

En resumen