Cinética Química: Conceptos Fundamentales
La velocidad de reacción representa la rapidez con que tiene lugar la transformación química de unas sustancias, los reactivos, en otras distintas, los productos.
Tipos de Velocidad de Reacción
La velocidad media de una reacción se mide a partir de la disminución de la concentración de un reactivo o el aumento de la concentración de un producto en un intervalo de tiempo.
La velocidad instantánea es la velocidad que posee la reacción en un momento dado.
Factores que Afectan a la Velocidad de Reacción
- Concentración de los reactivos.
- Naturaleza química de los reactivos.
- Estado de agregación de los reactivos.
- Grado de división de los reactivos sólidos.
- La temperatura.
- Presencia de catalizadores (positivos o negativos).
Teorías de la Cinética Química
Teoría de las Colisiones
El simple choque de las partículas no es suficiente para que estas reaccionen. Si esto fuera así, casi todas las reacciones serían instantáneas, dado el enorme número de choques que se producen entre las partículas en un breve intervalo de tiempo.
Para que un choque sea efectivo y conduzca a la reacción, las partículas deben cumplir dos condiciones:
- Poseer la energía cinética suficiente para que tenga lugar el reordenamiento de los enlaces y la formación de una nueva sustancia (ruptura de enlaces de los reactivos y formación de enlaces nuevos de los productos). La energía necesaria para que un choque sea efectivo y rompa los enlaces necesarios para que se produzca la reacción se conoce como energía de activación.
- Orientación adecuada en el momento del choque.
El choque de partículas que cumplen estas dos condiciones es un choque eficaz y da lugar a la reacción entre ellas.
Teoría del Complejo Activado
Según esta teoría, también conocida como teoría del estado de transición, cuando las moléculas de los reactivos se aproximan, experimentan una deformación que, en el choque, da lugar a un estado intermedio de alta energía y corta duración, donde se forma una especie llamada complejo activado, en el que se están rompiendo y formando enlaces.
Solo se llega a formar si las moléculas de los reactivos disponen de una energía igual o superior a la energía de activación (energía que deben absorber los reactivos para que al colisionar lleguen a formar el complejo activado), característica de cada reacción.
Catálisis
La catálisis es el proceso por el cual se aumenta o disminuye la velocidad de una reacción química mediante la adición de una sustancia llamada catalizador, que no se consume en la reacción.
- Catálisis homogénea: Cuando todas las sustancias (reactivos, productos y catalizador) están en la misma fase.
- Catálisis heterogénea: Cuando las sustancias están en distinta fase.
- Catálisis enzimática: Las enzimas son proteínas cuya función es catalizar reacciones bioquímicas específicas en el metabolismo de los seres vivos. Estos catalizadores biológicos se caracterizan por su eficacia y su especificidad. Aquellas personas que presentan intolerancia a la lactosa es porque no sintetizan la lactasa o porque su cantidad es insuficiente.
Mecanismo de Reacción
Se llama reacciones elementales a cada una de las etapas intermedias que tienen lugar en una reacción química. El mecanismo de la reacción es el conjunto de reacciones elementales cuya suma es la reacción global y que justifican la ecuación de velocidad de esta.
El proceso elemental que transcurre más lentamente se denomina etapa limitante de la velocidad.
La molecularidad de una reacción elemental es el número de átomos o moléculas independientes que intervienen en ella.
Otros Conceptos Relacionados
La adición de iones no comunes tiende a aumentar la solubilidad del soluto. Al aumentar la concentración iónica se incrementa la atracción entre iones, haciendo que se reduzca la concentración de iones disueltos, por lo que Q < Ksp.
Para saber si es trimolecular nos fijamos en los reactivos que hay ajustando.
Aplicación Industrial: Producción de Amoniaco (Proceso Haber)
El proceso Haber es un ejemplo clásico de aplicación de los principios de la cinética y el equilibrio químico a escala industrial.
El químico Fritz Haber obtuvo el Premio Nobel de Química en 1918 (no 1913) por el proceso de producción de amoniaco a escala industrial que lleva su nombre: proceso Haber.
El proceso permite comprender los factores cinéticos y termodinámicos que influyen en las velocidades de reacción y la evolución de los equilibrios químicos.
El amoniaco es un compuesto muy utilizado. Durante la Primera Guerra Mundial se produjeron grandes cantidades de amoniaco por el método de la cianamida, que es un compuesto altamente tóxico. En la actualidad, se utiliza a nivel industrial el proceso Haber.
En el proceso Haber se obtiene nitrógeno gaseoso (N₂) por licuefacción del aire o haciéndolo pasar a través de coque al rojo. El hidrógeno (H₂) se obtiene principalmente del gas natural. El nitrógeno así obtenido se mezcla con hidrógeno puro, conduciendo la mezcla a tubos convertidores rellenos de una masa catalítica porosa compuesta principalmente por óxidos de hierro y pequeñas cantidades de óxidos de potasio y aluminio.
La reacción química del proceso a partir del hidrógeno y el nitrógeno gaseosos es exotérmica y reversible:
N₂(g) + 3H₂(g) ⇌ 2NH₃(g)
Se suele operar a presiones entre 200 y 700 atmósferas y alrededor de 400-500 °C.
Efecto de la Temperatura en la Formación de Amoniaco
Puesto que la reacción es exotérmica, según el Principio de Le Chatelier, la formación de amoniaco es favorecida por una disminución de la temperatura. Sin embargo, la velocidad de una reacción química aumenta con la temperatura. Para resolver esta dificultad, se trabaja a una temperatura de 400-500 °C y se añade un catalizador (principalmente hierro con promotores como K₂O, Al₂O₃, CaO, SiO₂) para aumentar así la velocidad de la reacción química, permitiendo alcanzar el equilibrio más rápidamente a una temperatura que, aunque no es la óptima termodinámicamente, sí lo es cinéticamente.
Efecto de la Presión y los Catalizadores en la Producción de Amoniaco
Según el Principio de Le Chatelier, un aumento de la presión favorecerá el desplazamiento de la reacción hacia la derecha, ya que a la izquierda hay 4 moles de gas (1 de N₂ + 3 de H₂) y a la derecha únicamente 2 moles de gas (2 de NH₃). Al aumentar la presión, se favorece la formación de NH₃.
El catalizador (hierro con promotores) es esencial para que la reacción alcance una velocidad viable a las temperaturas de operación. Sin su ayuda, la reacción sería demasiado lenta incluso a altas presiones.
Rendimiento Final de Obtención en Función de Temperatura y Presión
Como el amoniaco obtenido se va eliminando a la vez que se va formando (por condensación al enfriar la mezcla), la reacción química siempre evolucionará hacia la derecha, porque estamos eliminando producto y el sistema intenta reestablecer el equilibrio produciendo más amoniaco.
A las presiones empleadas, el amoniaco se separa como líquido de la mezcla gaseosa por enfriamiento. Por todo lo anterior, se observa que el proceso debe efectuarse alrededor de 400-500 °C y a la mayor presión posible para obtener un rendimiento y una velocidad de reacción adecuados.