8.1: Qué factores controlan las reacciones

La clave para entender el comportamiento de las reacciones químicas es recordar que:

1. Las reacciones químicas son sistemas en los que los reactivos y productos interactúan con su entorno y
2. a nivel molecular, todas las reacciones son reversibles, aunque algunas reacciones puedan parecer irreversibles.

Por ejemplo, una vez que un tronco comienza a quemarse, no podemos volver a montarlo fácilmente a partir de dióxido de carbono (\(\mathrm{CO}_{2}\)\(\mathrm{H}_{2}\mathrm{O}\)), agua () y energía. Pero, de hecho, podemos volver a montar el tronco de una manera permitiendo que un árbol crezca, y usando\(\mathrm{CO}_{2}\) desde el aire,\(\mathrm{H}_{2}\mathrm{O}\) desde el suelo, y la energía del sol (fotosíntesis). Sin embargo, este tipo de reacción inversa (o hacia atrás) es mucho más compleja e involucrada que la simple reacción directa de la quema.

Sin embargo, hay una serie de factores que podemos usar para predecir qué tan rápido y hasta dónde llegará una reacción en particular, incluyendo la concentración de los reactivos, la temperatura, el tipo de reacción y la presencia de un catalizador. Las concentraciones de moléculas y la temperatura del sistema son importantes porque todas las reacciones implican colisiones entre moléculas (excepto las reacciones impulsadas por la absorción de la luz, y podrías verlas como colisiones de una especie). La concentración de reactivos determina la frecuencia con la que ocurren varios tipos de colisiones (es decir, cuantas más moléculas por unidad de volumen, más frecuentemente ocurren las colisiones), mientras que la temperatura determina la energía de las colisiones: recordemos que hay una distribución de energías cinéticas de moléculas en una temperatura particular, por lo que no todas las colisiones conducirán a una reacción. La estructura molecular también importa porque determina si las colisiones son productivas o no. Las únicas colisiones que funcionan son aquellas en las que las moléculas se golpean entre sí en orientaciones particulares y con energías particulares.

A medida que avanza una reacción, y los reactivos se convierten en productos, la probabilidad de que las moléculas reaccionantes colisionen disminuye (ya que hay menos de ellas) mientras que aumenta la probabilidad de que las moléculas de producto colisionen. Esa es la velocidad de la reacción directa se ralentiza y la velocidad de la reacción inversa se acelera Esto continuará hasta que las velocidades de la reacción directa y la reacción hacia atrás sean iguales, y el sistema alcance el equilibrio: el punto en el que no se producen más cambios macroscópicos y las concentraciones de los reactivos y productos permanecen constantes a escala macroscópica. ^[1] Sin embargo, como discutiremos más adelante, las reacciones hacia adelante y hacia atrás no se han detenido, y si pudiéramos ver las moléculas veríamos que las reacciones tanto hacia adelante como hacia atrás siguen ocurriendo, aunque no hay ningún cambio general en la concentración.

Como ejemplo, las reacciones ácido-base de Brønsted—Lowry son muy rápidas porque la probabilidad de que la reacción ocurra por unidad de tiempo es alta. Cuando se mezclan un ácido y una base, reaccionan inmediatamente sin esperar y sin la adición de calor. Por ejemplo, si disolvemos suficiente gas de cloruro de hidrógeno (\(\mathrm{HCl}\)) en agua para hacer una\(0.1 \mathrm{~M}\) solución de ácido clorhídrico, el\(\mathrm{pH}\) inmediatamente cae de\(7\) (el\ mathrm {pH}\) de agua) a\(1\). ^[2] Esta medida nos dice que todo el\(\mathrm{HCl}\) ha ionizado, para dar:\(\left[\mathrm{H}^{+}\right]=0.1\) y\(\left[\mathrm{Cl}^{-}\right]=0.1\).

Ahora tomemos el caso del ácido acético (\(\mathrm{CH}_{3}\mathrm{COOH}\)). Si disolvemos suficiente ácido acético en agua para hacer una\(0.1-\mathrm{M}\) solución, el\(\mathrm{pH}\) de la solución cambia inmediatamente de\(\mathrm{pH } 7\) (agua pura) a\(2.9\) (no\(1\)). Incluso si esperas (el tiempo que quieras) el\(\mathrm{pH}\) se mantiene constante, alrededor\(3\). Bien podría preguntarse: “¿Qué está pasando aquí?” La reacción ácido-base del ácido acético y el agua es rápida, pero no\(\mathrm{pH}\) es tan baja como podrías haber predicho. Podemos calcular el\(\left[\mathrm{H}^{+}\right]\) a partir de la\(\mathrm{pH}\), nuevamente usando la relación\(\mathrm{pH}=-\log \left[\mathrm{H}^{+}\right]\) y\(\left[\mathrm{H}^{+}\right] = 10^{-\mathrm{pH}\)\), dándonos un valor de\(\left[\mathrm{H}^{+}\right] = 1.3 \times 10^{-3}\mathrm{~M}\). Así, ¡la concentración de\(\mathrm{H}^{+}\) es más de dos órdenes de magnitud menor de lo que cabría esperar! Si piensas en esto, probablemente concluirás que la cantidad de ácido acético (\(\mathrm{AcOH}\)) ^[3] que realmente reaccionó con el agua debió haber sido muy pequeña de hecho. De hecho podemos calcular cuánto ácido acético reaccionó usando las relaciones de la ecuación:\[\mathrm{AcOH}+\mathrm{H}_{2} \mathrm{O} \rightleftarrows \mathrm{H}_{3} \mathrm{O}^{+}+\mathrm{AcO}^{-}\]

Si la concentración de ácido acético comenzó en\(0.10 \mathrm{~M}\), y después de la reacción\(1.3 \times 10^{-3}\mathrm{~M}\) de ionización de\(\mathrm{H}^{+}\) están presentes, entonces la concentración final de ácido acético debe ser\((0.10 \text { minus } 1.3 \tiems 10^{-3}) \mathrm{~M}\). Si utilizamos el número apropiado de cifras significativas, esto significa que la concentración de ácido acético sigue siendo\(0.10 \mathrm{~M}\) (en realidad\(0.0986 \mathrm{~M}\)).

Aquí hay dos conclusiones importantes: primero, la reacción del ácido acético es rápida, y segundo, la mayor parte del ácido acético no ha reaccionado, de hecho, con el agua. Pero espera, ¡hay más! Incluso si la reacción parece haberse detenido porque el no\(\mathrm{pH}\) está cambiando más, a nivel molecular las cosas siguen sucediendo. Es decir, la reacción del ácido acético con el agua continúa, pero la reacción inversa ocurre a la misma velocidad. Por lo que las concentraciones masivas de todas las especies permanecen constantes, a pesar de que las moléculas individuales presentes en cada población cambian constantemente. ^[4] Se entrelazan las cuestiones de hasta qué punto procede una reacción (hacia los productos) y qué tan rápido llega ahí. Demostraremos los muchos factores que afectan estas dos propiedades de reacción.

Preguntas

Preguntas para responder

• Extraiga una reacción general de Brønsted—Lowry ácido-base que podría ocurrir en el agua.
• ¿Por qué crees que la reacción ocurre tan rápido (tan pronto como las moléculas chocan entre sí)?
• ¿Crees que el agua juega un papel en la reacción? Dibuje una imagen a nivel molecular de su reacción ácido-base, mostrando las interacciones de solventes.

Pregunta para reflexionar

• ¿Cómo cree que la reacción se vería afectada si se llevara a cabo en fase gaseosa en lugar de una solución acuosa?