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15.3: Velocidades de Reacción

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    Objetivos de aprendizaje
    • Definir la velocidad de reacción química.
    • Describir los efectos de la temperatura, concentración, área superficial y catálisis sobre las velocidades de reacción.

    El lagarto de la fotografía no es simplemente disfrutar del sol o trabajar en su bronceado. El calor de los rayos del sol es crítico para la supervivencia de la lagartija. Un lagarto caliente puede moverse más rápido que uno frío debido a que las reacciones químicas que permiten que sus músculos se muevan ocurren más rápidamente a temperaturas más altas. A falta de calor, el lagarto es una comida fácil para los depredadores.

    Figura\(\PageIndex{1}\) Un lagarto agama toma el sol. A medida que su cuerpo se calienta, las reacciones químicas de su metabolismo se aceleran.

    Desde hornear un pastel hasta determinar la vida útil de un puente, las tasas de reacciones químicas juegan un papel importante en nuestra comprensión de los procesos que involucran cambios químicos.

    Una tarifa es una medida de cómo algunas propiedades varían con el tiempo. La velocidad es una tasa familiar que expresa la distancia recorrida por un objeto en una cantidad de tiempo determinada. El salario es una tasa que representa la cantidad de dinero que gana una persona que trabaja durante un tiempo determinado. Asimismo, la velocidad de una reacción química es una medida de cuánto reactivo se consume, o cuánto producto se produce, por la reacción en una cantidad de tiempo determinada.

    La velocidad de reacción es el cambio en la cantidad de un reactivo o producto por unidad de tiempo. Por lo tanto, las velocidades de reacción se determinan midiendo la dependencia del tiempo de alguna propiedad que puede estar relacionada con las cantidades de reactivo o producto. Las tasas de reacciones que consumen o producen sustancias gaseosas, por ejemplo, se determinan convenientemente midiendo los cambios de volumen o presión. Para reacciones que involucran una o más sustancias coloreadas, las tasas pueden ser monitoreadas a través de mediciones de absorción de luz. Para reacciones que involucran electrolitos acuosos, las velocidades pueden medirse a través de cambios en la conductividad de una solución.

    Para los reactivos y productos en solución, sus cantidades relativas (concentraciones) se utilizan convenientemente con el propósito de expresar las velocidades de reacción. Si medimos la concentración de peróxido de hidrógeno, H 2 O 2, en una solución acuosa, encontramos que cambia lentamente con el tiempo a medida que el H 2 O 2 se descompone, de acuerdo con la ecuación:

    \[\ce{2H2O2}(aq)⟶\ce{2H2O}(l)+\ce{O2}(g) \nonumber \]

    La velocidad a la que se descompone el peróxido de hidrógeno se puede expresar en términos de la velocidad de cambio de su concentración, como se muestra aquí:

    \ [\ begin {align*}
    \ ce {tasa\: de\: descomposición\: de\: H_2O_2}
    &=\ mathrm {−\ dfrac {cambio\: en\: concentración\: de\: reactante} {tiempo\: intervalo}}\\ [4pt]
    \ end {align*}\ nonumber\]

    Factores que afectan las tasas de reacción

    Por su naturaleza, algunas reacciones ocurren muy rápidamente, mientras que otras son muy lentas. Sin embargo, ciertos cambios en las condiciones de reacción pueden tener un efecto sobre la velocidad de una reacción química dada.

    Concentración

    Las velocidades de muchas reacciones dependen de las concentraciones de los reactivos. Las tasas suelen aumentar cuando aumenta la concentración de uno o más de los reactivos. En una atmósfera contaminada donde la concentración de dióxido de azufre es alta, el carbonato de calcio se deteriora más rápidamente que en el aire menos contaminado. De igual manera, el fósforo se quema mucho más rápidamente en una atmósfera de oxígeno puro que en el aire, que es sólo alrededor del 20% de oxígeno.

    Se muestra una fotografía de una estatua de ángel. Si bien algunos detalles de la estatua, incluidos los rasgos faciales, están presentes, los efectos de la intemperie parecen estar disminuyendo estos rasgos.
    Figura\(\PageIndex{2}\) Los contaminantes como el dióxido de azufre pueden acelerar la meteorización de estatuas hechas de compuestos carbonatados como la piedra caliza y el mármol (crédito: James P Fisher III).
    Quema de fósforo

    Video El\(\PageIndex{1}\) fósforo se quema rápidamente en el aire, pero se quemará aún más rápidamente si la concentración de oxígeno en es mayor.

    Superficie

    Un tronco grande colocado en un fuego quemará relativamente lentamente. Si se agregara al fuego la misma masa de madera en forma de ramitas pequeñas, se quemarían mucho más rápido. Esto se debe a que las ramitas proporcionan un área de superficie mayor que la del tronco. Un aumento en el área superficial de un reactivo aumenta la velocidad de una reacción. El área de superficie es mayor cuando una cantidad dada de un sólido está presente como partículas más pequeñas. Un reactivo en polvo tiene una mayor área superficial que el mismo reactivo que un pedazo sólido. Para aumentar el área superficial de una sustancia, se puede moler en partículas más pequeñas o disolverse en un líquido. En solución, las partículas disueltas se separan entre sí y reaccionarán más rápidamente con otros reactivos.

    Temperatura

    Las reacciones químicas suelen ocurrir más rápido a temperaturas más altas. La comida puede estropearse rápidamente cuando se deja en la encimera de la cocina. Sin embargo, la menor temperatura dentro de un refrigerador ralentiza ese proceso para que el mismo alimento permanezca fresco durante días. Utilizamos un quemador o una placa caliente en el laboratorio para aumentar la velocidad de las reacciones que avanzan lentamente a temperaturas ordinarias. En muchos casos, un aumento de la temperatura de solo 10 °C duplicará aproximadamente la velocidad de una reacción en un sistema homogéneo.

    La presencia de un catalizador

    Las soluciones de peróxido de hidrógeno se espuman cuando se vierten sobre una herida abierta porque las sustancias en los tejidos expuestos actúan como catalizadores, aumentando la velocidad de descomposición del peróxido de hidrógeno. Sin embargo, en ausencia de estos catalizadores (por ejemplo, en el frasco en el botiquín) la descomposición completa puede llevar meses. Un catalizador es una sustancia que aumenta la velocidad de una reacción química al proporcionar una vía o mecanismo alternativo para que la reacción siga.

    Resumen

    • La velocidad de reacción indica qué tan rápido procede la reacción.
    • Los factores que afectan la velocidad de reacción son:
      • Concentración de reactivos
      • Superficie
      • Temperatura
      • Presencia de catalizadores

    Colaboradores y Atribuciones

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