La reacción química: velocidad y energía 1

Un trozo de madera arde, desprendiendo gases y dejando un residuo de cenizas; el petróleo se transforma en plásticos y fibras textiles; el hierro abandonado a la intemperie se oxida. Estos y otros ejemplos ponen de manifiesto los cambios que continuamente suceden en los sistemas materiales.

a ¿Recuerdas qué diferencia hay entre los procesos físicos y químicos?

b ¿A cuál de ellos corresponde la fusión de un cubito de hielo? ¿Y la oxidación del hierro?

Los procesos en los que se obtienen nuevas sustancias son cambios químicos y reciben el nombre más usual de reacciones químicas.

Una reacción química es un proceso en el cual unas sustancias iniciales, denominadas reactivos, se transforman total o parcialmente en otras diferentes, denominadas productos.

En una reacción química se obtienen nuevas sustancias. Por ejemplo, cuando se quema gasolina en el motor de un coche, ya que se obtiene dióxido de carbono y vapor de agua; sin embargo, no son reacciones químicas los cambios de estado, los cambios de forma o de posición ni los procesos de separación de mezclas.

Desde el punto de vista microscópico, sabemos que una reacción química tiene lugar cuando los átomos de los reactivos se reagrupan de forma diferente para dar los productos. Esto significa que se rompen los enlaces en los reactivos y se forman nuevos enlaces, que dan lugar a los productos de la reacción. H2

En esta reacción de formación del agua, los átomos de hidrógeno y oxígeno, inicialmente enlazados entre sí, se agrupan formando moléculas triatómicas de agua.

¿Qué tipos de reacciones químicas hay?

Existe una enorme cantidad de reacciones químicas, que se pueden clasificar atendiendo a varios criterios, como, por ejemplo, según los reactivos que intervienen o el tipo de proceso que tiene lugar.

De este modo, podemos diferenciar entre:

➜ Reacciones de formación: son aquellas en las que se forma un compuesto a partir de sus elementos constituyentes.

➜ Reacciones de descomposición: en estas reacciones un compuesto se descompone en otras sustancias más simples.

➜ Reacciones de sustitución: en este caso una parte de la molécula de algún reactivo es sustituida por otra, procedente de otro de los reactivos.

Otras reacciones de interés son las reacciones ácido-base, o de neutralización entre un ácido y una base, y las reacciones redox, que estudiarás al final de esta unidad.

De los numerosos procesos químicos que tienen lugar a nuestro alrededor, podemos encontrar algunos que transcurren muy rápidamente y otros que se producen con lentitud. Compara, por ejemplo, la detonación de un explosivo con la oxidación de una reja de hierro.

Además de los reactivos que intervienen y los productos que se forman, de una reacción química nos interesa conocer la rapidez con la que sucede, especialmente si esa reacción es la base de algún proceso industrial o tecnológico. La magnitud que mide esa rapidez es la velocidad de reacción. La velocidad de una reacción química depende, lógicamente, de la propia naturaleza de los reactivos.

Pero, para un mismo proceso, puede variar según las condiciones en las que este se produce. El estudio experimental de la velocidad de reacción ha puesto de manifiesto la influencia de diversos factores:

➜ Un aumento de temperatura produce, por lo general, un incremento de la velocidad a la que transcurre la reacción.

➜ La agitación y la mezcla eficaz de los reactivos también se traduce en una mayor velocidad del proceso.

➜ Si la reacción tiene lugar entre sustancias disueltas, la velocidad es mayor cuanto mayor sea la concentración de los reactivos. En el caso de reactivos en estado gaseoso, la velocidad se incrementa al hacerlo la presión a la que se encuentran. Si uno de los reactivos es sólido, la velocidad de la reacción aumenta al disgregarlo, es decir, al hacer mayor la superficie de contacto.

➜ La presencia de algunas sustancias distintas de los reactivos ‒los catalizadores‒ produce un notable incremento de la velocidad de ciertas reacciones.

La teoría de las colisiones

Esta teoría surge para explicar la distinta velocidad con la que transcurren las reacciones químicas y la influencia de los factores anteriores.

La hipótesis en la que se basa es que la reacción se produce por la colisión entre las partículas que forman los reactivos. De acuerdo con la teoría cinético-molecular, dichas partículas se encuentran en continuo movimiento, por lo que tendrán lugar choques entre ellas, que pueden dar lugar o no a la formación de productos.

De todos los choques que se producen, solo algunos –que se denominan choques eficaces–, tienen la orientación adecuada y la energía suficiente para que se rompan los enlaces entre los átomos de los reactivos y se formen los nuevos enlaces que darán lugar a los productos de la reacción.

La teoría de las colisiones es válida para justificar las observaciones experimentales. De acuerdo con esta teoría, la reacción transcurre más rápidamente si el número de choques eficaces aumenta. Por tanto:

➜ Un aumento de temperatura, según la teoría cinético-molecular, supone que las partículas se mueven más rápidamente. En consecuencia, tendremos mayor número de choques con la energía suficiente. La agitación y la mezcla eficaz de los reactivos también harán que se produzcan más choques.

➜ La mayor concentración, el incremento de la presión o el de la superficie de contacto, según el caso, servirá para que haya más proximidad entre las partículas, lo que significa más choques entre ellas.

Si la orientación es adecuada, ocurrirá un choque eficaz (arriba). De no ser así se producirá un choque no eficaz (abajo).

¿Qué son los catalizadores?

Son sustancias que no se consumen en la reacción química, pero que aumentan significativamente su velocidad, aun estando en muy pequeña cantidad. Durante bastantes años, la forma en que un catalizador aumentaba la velocidad de una reacción no se conocía. Además, se da la circunstancia de que cada catalizador es específico de un proceso químico concreto. Actualmente sabemos algo más sobre la catálisis, que es un fenómeno bastante complejo. De un modo simplificado, podemos afirmar que el catalizador actúa enlazándose con los reactivos, favoreciendo de esta manera la ruptura de sus enlaces.

El resultado es que se requiere menos energía para que el choque sea eficaz y se formen los productos. Al final del proceso, el catalizador se regenera y vuelve a actuar sobre otras partículas de reactivos.

Reactivos

Catalizador PRODUCTOS

El catalizador se une a las moléculas de reactivo, debilitando sus enlaces. Así se facilita la obtención de los productos.

La catálisis es importantísima, tanto desde el punto de vista de la industria química como desde el punto de vista biológico. Así, numerosos procesos químicos que se llevan a cabo en la industria requieren el uso de catalizadores para que su velocidad sea adecuada y puedan ser rentables. Algunos ejemplos son la síntesis del amoníaco o la del ácido sulfúrico.

Sin embargo, donde los catalizadores adquieren un papel fundamental es en las reacciones biológicas, que serían muy lentas si no existiesen. Son catalizadores las enzimas y las vitaminas, sustancias necesarias en cientos de reacciones de los seres vivos.

E

1. ¿Por qué se conservan en buen estado los alimentos en el frigorífico o, aún mejor, en el congelador? Redacta una breve explicación, teniendo en cuenta lo que acabas de estudiar sobre la velocidad de reacción y los factores de los que depende.

2. Elabora un esquema sobre el mecanismo que explica la velocidad de reacción, partiendo de las respuestas a las siguientes cuestiones:

¿Qué se entiende, según la teoría de las colisiones, por choque eficaz?

¿Por qué se ha de producir un choque eficaz para que tenga lugar la reordenación de los átomos que da lugar a los productos?

¿Son eficaces todos los choques entre las partículas que forman los reactivos?

¿Qué debe ocurrir para que un choque sea eficaz?

3. Una cierta reacción química tiene lugar entre reactivos en estado gaseoso. ¿Cómo podríamos aumentar su velocidad? Justifica tu respuesta de acuerdo con la teoría de las colisiones.

4. Entre las distintas formas de aumentar la velocidad de una reacción química, ¿qué ventajas crees que tiene, desde el punto de vista práctico, el uso de un catalizador? Arguméntalo, buscando, si lo necesitas, información adicional en libros o en Internet.

Además de formarse los productos a partir de los reactivos, en una reacción química también se produce un intercambio de energía entre el sistema formado por reactivos y productos y su entorno. Este intercambio de energía consiste en la cesión o la absorción de calor.

La razón hay que buscarla, una vez más, en el proceso que ocurre a escala microscópica. Se requiere un aporte energético para romper los enlaces en los reactivos; por otra parte, la formación de los enlaces en los productos libera una cierta cantidad de energía; la diferencia entre las dos cantidades de energía es la energía intercambiada durante la reacción.

En el transcurso de una reacción química tiene lugar un intercambio de energía en forma de calor entre el sistema y el medio. Si la reacción libera calor, se dice que es exotérmica; si, por el contrario, absorbe calor, se denomina endotérmica.

La cantidad de calor liberado o absorbido en una reacción dada es la misma para una cantidad fija de los reactivos, y recibe el nombre de calor de reacción. Por ejemplo, en la conocida reacción de formación del agua a partir de hidrógeno y oxígeno se desprenden 571,14 kJ por cada 4 gramos de hidrógeno que se combinan; por tanto, es una reacción exotérmica.

Diagramas de energía

Para representar los cambios energéticos que acompañan a una reacción química recurrimos a un diagrama de energía, en el que se indican los valores de energía correspondientes a distintas etapas del proceso, al principio (reactivos), durante y al final de la reacción (productos).

De acuerdo con la teoría de las colisiones, para que los choques entre las partículas de los reactivos sean eficaces, se debe alcanzar la energía de activación, que viene dada por la diferencia de energía entre la correspondiente a los reactivos y el máximo de la curva. Observa en esta figura cómo sería el diagrama de energía de una reacción exotérmica, en la que la energía de los productos es menor que la de los reactivos.

La diferencia de energía entre los reactivos y el máximo de la curva es la energía de activación.

La diferencia de energía entre los reactivos y los productos es la energía del proceso.

5. Analiza los siguientes diagramas de energía, y contesta razonadamente: a) ¿A qué tipo de reacción corresponde cada uno, exotérmica o endotérmica? b) ¿Cuál es el valor de la energía del proceso? c) ¿Cuánto vale la energía de activación en cada caso? reacciones químicas. Reacciones de especial interés