Velocidad de reacción y catalizadores

¿Por qué la misma reacción a veces tarda y a veces se dispara?

Cinco factores suelen cambiar la velocidad: la naturaleza química de las sustancias, el estado de subdivisión del sólido (un bloque frente a muchas partículas pequeñas), la temperatura, la concentración y la presencia de un catalizador. Reacciones que se ven parecidas pueden ir a velocidades distintas, con las mismas condiciones, solo porque los reactivos no son los mismos. ¹

Si la reacción junta dos fases, avanza más rápido cuando hay más superficie de contacto. Subir la temperatura o la concentración de los reactivos, en general, también sube la velocidad. ²

La ley de velocidad escribe esa dependencia: la velocidad queda en función de una constante $k$ y de las concentraciones, cada una con su orden. $k$ es propia de esa reacción a una temperatura dada. Si un orden es cero, esa concentración ni siquiera entra en la cuenta. Por eso "hay más de todo" no siempre acelera cada reactivo. ⁵

El catalizador es una sustancia que aumenta la velocidad y no se consume. La energía de activación es la energía mínima para que la reacción ocurra. El catalizador abre un mecanismo distinto, con una energía de activación más baja en el paso que limita la velocidad. No tiene que tener el mismo número de pasos. Sí tiene que dejar ese paso lento más rápido. Puede ser homogéneo, en la misma fase que los reactivos, o heterogéneo, en otra fase, a menudo un sólido que presta su superficie. ^{4 3}

Las proteínas que hacen este papel en la digestión están en quién baja la barrera en el estómago y en la boca.

Ideas clave

• Cinco palancas. Identidad química, superficie del sólido, temperatura, concentración y catalizador. ¹
• Dos fases. Más superficie de contacto, más velocidad. Partir el sólido no cambia los moles. ²
• Temperatura y concentración. Subirlas, en general, acelera. La ley de velocidad dice de cuál reactivo y con qué orden. ^{2 5}
• Catalizador. No se consume. Cambia el mecanismo y baja la energía de activación del paso lento. ^{4 3}

Ejemplos resueltos

El terrón y el grano

La misma masa de azúcar se echa en agua fría. En un vaso va un terrón. En el otro, el azúcar ya molida.

1. La sustancia es la misma y la masa también. La naturaleza química no explica la diferencia. ¹
2. La molida tiene mucha más superficie tocando el agua. Hay dos fases, sólido y líquido.
3. Más superficie de contacto: la disolución del grano se nota antes. ²
4. No digas que "hay más azúcar". Los gramos no cambiaron. Cambió el tamaño de las piezas.

Una ley que ignora a un reactivo

Para una reacción, la ley medida es velocidad $= k[\mathrm{NO}]^2$. Hay otro reactivo en la ecuación química y no aparece en la ley.

1. El orden respecto de $\mathrm{NO}$ es $2$. Duplicar su concentración multiplica la velocidad por $4$, no por $2$. ⁵
2. El reactivo ausente tiene orden cero en esta ley. Subir su concentración, dentro de lo que el experimento ya midió, no cambia la velocidad.
3. $k$ vale para la temperatura a la que se midió. Si calientas, no reutilices el mismo $k$ como si nada. ⁵
4. Un catalizador no "sube el exponente". Cambia el mecanismo y, con él, la barrera. La ecuación global sigue produciendo lo mismo. ³

Errores comunes

Si el polvo fino "explota" en el enunciado y respondes concentración, miraste la nube y no la superficie. Más partículas pequeñas, más superficie. ²

Si el catalizador "se consume para dar energía", contradices la definición. Aumenta la velocidad y sigue ahí al final. ⁴

Si duplicas un reactivo de orden $2$ y dices que la velocidad se duplica, trataste el exponente como adorno. ⁵

Cómo lo pregunta el examen

Un sólido grande frente al mismo sólido en polvo. La respuesta es la superficie, o el estado de subdivisión, no una masa nueva.

La frase del catalizador tiene dos huecos: qué le pasa a la energía de activación y qué le pasa al catalizador al final. Baja la energía de activación. No se consume. ^{4 3}

La de temperatura, en el lenguaje de choques, pide por qué hay más choques eficaces al calentar. Aquí basta la relación del libro: al subir la temperatura, la velocidad de una reacción dada en general sube, y $k$ es de una temperatura concreta. ^{2 5}

Resumen

• La velocidad depende de la identidad de los reactivos, la superficie, la temperatura, la concentración y el catalizador.
• Entre dos fases, más superficie de contacto acelera.
• Subir temperatura o concentración, en general, acelera. La ley de velocidad fija el orden de cada uno.
• $k$ corresponde a una reacción y a una temperatura.
• El catalizador no se consume y ofrece un mecanismo con menor energía de activación.