Hay muchos factores que influyen en las velocidades de reacción de las reacciones químicas, como la concentración de reactivos, la temperatura, el estado físico de los reactivos y su dispersión, el disolvente y la presencia de un catalizador.
Aunque una ecuación química equilibrada para una reacción describe las relaciones cuantitativas entre las cantidades de reactivos presentes y las cantidades de productos que se pueden formar, no nos da información sobre si ocurrirá una reacción dada o qué tan rápido ocurrirá. Esta información se obtiene al estudiar la cinética química de una reacción, que depende de varios factores: concentraciones de reactivos, temperatura, estados físicos y áreas de superficie de los reactivos, y propiedades de solventes y catalizadores, si están presentes. Al estudiar la cinética de una reacción, los químicos obtienen información sobre cómo controlar las condiciones de reacción para lograr el resultado deseado.
Efectos de concentración
Dos sustancias no pueden reaccionar entre sí a menos que sus partículas constituyentes (moléculas, átomos o iones) entren en contacto. Si no hay contacto, la velocidad de reacción será cero. Por el contrario, mientras más partículas reactivas colisionen por unidad de tiempo, más a menudo puede ocurrir una reacción entre ellas. En consecuencia, la velocidad de reacción generalmente aumenta a medida que aumenta la concentración de los reactivos.
Efectos de temperatura
El aumento de la temperatura de un sistema aumenta la energía cinética promedio de sus partículas constituyentes. A medida que aumenta la energía cinética promedio, las partículas se mueven más rápido y chocan con más frecuencia por unidad de tiempo y poseen una mayor energía cuando chocan. Ambos factores aumentan la velocidad de reacción. Por lo tanto, la velocidad de reacción de prácticamente todas las reacciones aumenta con el aumento de la temperatura. Por el contrario, la velocidad de reacción de prácticamente todas las reacciones disminuye al disminuir la temperatura. Por ejemplo, la refrigeración retrasa la tasa de crecimiento de bacterias en los alimentos al disminuir las tasas de reacción de las reacciones bioquímicas que permiten que las bacterias se reproduzcan.
En sistemas donde es posible más de una reacción, los mismos reactivos pueden producir diferentes productos en diferentes condiciones de reacción. Por ejemplo, en presencia de ácido sulfúrico diluido y a temperaturas de alrededor de 100 ° C, el etanol se convierte en éter dietílico:
[ mathrm {2CH_3CH_2OH} xrightarrow { mathrm {H_2SO_4}} mathrm {CH_3CH_2OCH_2CH_3} + mathrm {H_2O} label {14.1.1} ]
Sin embargo, a 180 ° C, se produce una reacción completamente diferente, que produce etileno como producto principal:
[ mathrm {CH_3CH_2OH} xrightarrow { mathrm {H_2SO_4}} mathrm {C_2H_4} + mathrm {H_2O} label {14.1.2} ]
Efectos de fase y área de superficie
Cuando dos reactivos están en la misma fase fluida, sus partículas chocan con más frecuencia que cuando uno o ambos reactivos son sólidos (o cuando están en fluidos diferentes que no se mezclan). Si los reactivos se dispersan uniformemente en una única solución homogénea, entonces el número de colisiones por unidad de tiempo depende de la concentración y la temperatura, como acabamos de ver. Sin embargo, si la reacción es heterogénea, los reactivos están en dos fases diferentes, y las colisiones entre los reactivos solo pueden ocurrir en las interfaces entre las fases. El número de colisiones entre reactivos por unidad de tiempo se reduce sustancialmente en relación con el caso homogéneo, y, por lo tanto, también lo es la velocidad de reacción. La velocidad de reacción de una reacción heterogénea depende del área superficial de la fase más condensada.
Los motores de automóviles usan efectos de área de superficie para aumentar las velocidades de reacción. La gasolina se inyecta en cada cilindro, donde se quema en el encendido por una chispa de la bujía. La gasolina se inyecta en forma de gotitas microscópicas porque tiene una superficie mucho mayor y puede arder mucho más rápidamente que si se alimentara al cilindro como una corriente. Del mismo modo, una pila de harina finamente dividida se quema lentamente (o no se quema), pero la pulverización de harina finamente dividida en una llama produce una reacción vigorosa .
Efectos solventes
La naturaleza del disolvente también puede afectar las velocidades de reacción de las partículas de soluto. Por ejemplo, una solución de acetato de sodio reacciona con yoduro de metilo en una reacción de intercambio para dar acetato de metilo y yoduro de sodio.
[CH_3CO_2Na _ {(solución)} + CH_3I _ {(l)} rightarrow CH_3CO_2CH_ {3 ; (solución)} + NaI _ {(solución)} label {14.1.3} ]
Esta reacción ocurre 10 millones de veces más rápidamente en el disolvente orgánico dimetilformamida [DMF; ( CH 3 ) 2 NCHO ] de lo que hace en metanol ([ 19459025] CH 3 OH ). Aunque ambos son solventes orgánicos con constantes dieléctricas similares (36.7 para DMF versus 32.6 para metanol), el metanol puede unirse por hidrógeno con iones acetato, mientras que DMF no puede. El enlace de hidrógeno reduce la reactividad de los átomos de oxígeno en el ion acetato.
La viscosidad del disolvente también es importante para determinar las velocidades de reacción. En solventes altamente viscosos, las partículas disueltas se difunden mucho más lentamente que en solventes menos viscosos y pueden colisionar con menos frecuencia por unidad de tiempo. Así, las velocidades de reacción de la mayoría de las reacciones disminuyen rápidamente al aumentar la viscosidad del disolvente.
Efectos del catalizador
Un catalizador es una sustancia que participa en una reacción química y aumenta la velocidad de reacción sin sufrir un cambio químico neto. Considere, por ejemplo, la descomposición del peróxido de hidrógeno en presencia y ausencia de diferentes catalizadores. Debido a que la mayoría de los catalizadores son altamente selectivos, a menudo determinan el producto de una reacción al acelerar solo una de varias reacciones posibles que podrían ocurrir.
La mayoría de los productos químicos a granel producidos en la industria se forman con reacciones catalizadas. Estimaciones recientes indican que alrededor del 30% del producto nacional bruto de los Estados Unidos y otras naciones industrializadas depende directa o indirectamente del uso de catalizadores.