8.3 velocidad de reacción
¿Cómo
se define la velocidad de una reacción química? ¿En qué unidades se mide? ¿Qué
factores efectúan la velocidad de una reacción? ¿Qué es la catálisis? ¿Por qué
cuando se le agrega un ácido a un clavo reacciona inmediatamente? ¿Por qué la
leche se descompone más rápido en lugares más calurosas que en clima templado y
frio? ¿Por qué un clavo tarda más en disolverse en ácido sulfúrico, que si
estuviera pulverizado o en forma de viruta de hierro? Al concluir el estudio de
este tema podrás contestar estas preguntas.
(En
este subtema nos da una serie de preguntas sobre la catálisis, sobre
ácidos, sobre las reacciones que tienen el metal con los ácidos, sobre
descompensación de la leche, también cuales son los factores que aceleran a una
reacción química y nos dice que después de concluido este tema podremos
responder correctamente estas preguntas).
En la
vida diaria los cambios suceden a diferente velocidad; por ejemplo, en la
Ciudad de México el tránsito se hace muy lento en las horas pico (de 6 a
8 de la mañana y de 2 a 3 de la tarde), pero de las 10 a las 12 del día se
puede circular a muy buena velocidad por las principales calles de la cuidad.
(Los
cambios de velocidad que se presentan a diario en el tránsito vehicular como en
la ciudad de México, ocurren también en las sustancias químicas, estos cambios
ocurren a diferente velocidad en la vida diaria un ejemplo en cuando se puede
transitar por las principales calles de la ciudad).
También
puedes regular la velocidad a la que gira un ventilador según la cantidad de
aire que quieras recibir. Respecto a los alimentos, ¿Por qué al partir un
aguacate se ennegrece rápidamente?, y si lo metes al refrigerador ¿dura más
tiempo sin ennegrecerse? ¿A qué se debe esto? La velocidad es una medida del
cambio que ocurre por unidad de tiempo.
(La
velocidad a la que gira un ventilador se puede regular según la cantidad de
aire que se recibe. El aguacate tiende a ennegrecerse ya que este se oxida al
entrar en contacto con el aire, pero si el aguacate se encuentra en
refrigeración tarda más ennegrecerse).
En la
mayoría de las reacciones químicas lo que interesa es acelerar las
transformaciones, por ejemplo, en la fabricación de productos industriales;
aunque en algunos casos el propósito es retardar una reacción, como la
corrosión del hierro, la descomposición de alimentos, etcétera.
(Lo
que más interesa en las reacciones químicas es acelerar las transformaciones,
en ejemplo de esta es la fabricación de productos industriales. También hay
casos en los que el propósito es retardar la reacción, como la corrosión de
hierro, descomposición de alimentos, entre otros).
Por lo
anterior, es muy importante saber cómo ocurren las reacciones químicas y los
factores que efectúan la velocidad de reacción.
La
parte de la química que estudia la velocidad de las reacciones se llama cinética
química y la velocidad de una reacción se define como la cantidad de uno de
los reactivos que se transforma por unidad de tiempo, o bien por la cantidad de
uno de los productos que se forma por unidad de tiempo, o bien la cantidad de
uno de los productos que se forma por unidad de tiempo.
(La
cinética química es la parte de la química que estudia la velocidad reacciones
y se define como la cantidad de uno de los reactivos que se transforman por
unidad de tiempo o la cantidad de uno de los productos que se forma por unidad
de tiempo a la velocidad de una reacción).
Es
frecuente confundir los conceptos velocidad de reacción y tiempo de reacción.
Este último puede definirse como el tiempo transcurrido desde el inicio de
una reacción hasta la aparente terminación de la misma.
La
velocidad de una reacción depende del número de choques eficaces (es decir, de
los que producen una reacción) entre las moléculas reaccionantes.
(Se
puede definir tiempo de reacción al tiempo transcurrido desde el inicio de una
reacción hasta la aparente terminación de la misma. La velocidad de una
reacción depende del número de choques eficaces es decir que producen una
reacción entre moléculas reaccionantes. Los conceptos velocidad de reacción y
tiempo de reacción son frecuentes de confundir).
El
número de choques eficaces está en función de:
1.
Número de choques totales, que dependen a su vez de las
concentraciones de los reactivos y de su estado físico.
2.
Número de moléculas con energía cinética suficiente, que aumenta
en gran medida con la temperatura.
De
acuerdo con lo anterior (que se denomina teoría de las colisiones), existen
cuatro factores que afectan la velocidad de una reacción: naturaleza de los
reactivos, concentración y estado físico de los reactivos, temperatura y
catalizadores.
(El
número de choques están en función de: las concentraciones de los reactivos y
de su estado físico, el número de moléculas con suficiente energía cinética,
que aumenta a gran medida con la temperatura. A esto se le denomina teoría de
las colisiones).
Teoría de las colisiones
Muchos
han sido los esfuerzos realizados para comprender las propiedades de la materia
y para establecer una teoría sobre la naturaleza del calor. En la actualidad
estas dos vertientes convergen para dar el paso al modelo cinético
molecular. Éste abarca una de las teorías científicas que tienen una gran
influencia en el desarrollo de la física y la química. De dicha teoría surge la
explicación del comportamiento de cada uno de los estados de agregación de la
materia, describiendo como ocurren algunos fenómenos.
(En la
actualidad las dos vertientes convergen para dar paso al modelo cinético
molecular, este abarca una de las teorías científicas en el desarrollo de
física y la química. De esta teoría surge la explicación de cada uno de los
estados de agregación de la materia).
La
teoría cinética de la materia es el intento mediante el cual se desea explicar
las propiedades observables en escala macroscópica de la cualquier sistema nos
rodea y que se encuentran al menos en alguna de las tres frases: gaseosa,
liquida o sólida, a partir de las leyes que gobiernan las partículas
microscópicas que los forman; es evidente que en alguna forma es necesario
recurrir a la imaginación, a la intuición y, en cierta medida, a la
observación, para conceptualizar y definir dicho sistema.
(La
teoría cintica de la materia desea explicar las propiedades observables en
escala microscópica de cualquier sistema que nos rodé y se encuentre en alguna
de las tres fases, ya sea gaseosa, liquida o sólida. Es necesario recurrir a la
imaginación, a la intuición y a la observación para poder definir el sistema).
Esto
quiere decir que la información que se puede obtener de este sistema está
limitada a la observación y meditación de algunos de sus atributos accesibles a
nuestros sentidos y los cuales reflejan su naturaleza macroscópica, como su
volumen, masa, presión, temperatura, calor, energía, etc. Pero a partir de esta
información muy poco se puede aprender del comportamiento individual de cada
uno de los millones y millones de átomos o moléculas que los forman. Por ello
es necesario recurrir a la imaginación para crear mentalmente un modelo en el
cual, por medio de ciertas hipótesis, se describan algunas características de
esta enorme población de átomos o moléculas.
(Para
obtener la información de un sistema está limitada a la observación y medición
de atributos accesibles. Reflejan su volumen, masa, presión, temperatura,
color, energía, etc., en su naturaleza macroscópica).
Este
modelo tendrá un mínimo de hipótesis y con base en ellas abra que deducir si
las propiedades macroscópicas del sistema, descrito por dicho modelo,
concuerdan con las observaciones realizadas en el laboratorio de las
propiedades de un sistema real. Si la concordancia es satisfactoria, el modelo
es apropiado para describir el sistema, sino, habrá que modificarlo hasta
obtener uno que sí lo sea.
(La
poca información obtenida este modelo tendrá un mínimo de hipótesis, y gracias
a ella se tendrá que deducir si las propiedades macroscópicas del sistema
son realmente reales. Si la concordancia es satisfactoria el modelo es
apropiado para escribir el sistema).
De
esta manera, haciendo suposiciones simples, relativas a la estructura y
conducta de los átomos en la fase gaseosa, se obtiene una teoría molecular de
los gases que concuerdan con las diversas propiedades macroscópicas observadas.
(La
conducta de los átomos en la fase gaseosa, en la cual gracias a este
descubrimiento se obtuvo una teoría molecular de los gases que concuerdan
con las propiedades macroscópicas en la investigación realizada, y simplemente
ya no hubo suposiciones simples.)
Factores que modifican la velocidad de una reacción
Naturaleza
de los reactivos
La
mayor o menor velocidad de una reacción depende de las características de las
sustancias reaccionantes. Por ejemplo, en una solución acuosa las sustancias
que se forman que forman iones reaccionan con gran velocidad, difícil de medir
como la neutralización ácido-base. En cambio, las reacciones que ocurren entre
moléculas son más letras y, por tanto, su velocidad es más fácil de medir.
Cuando intervienen sustancias sólidas, la velocidad de reacción varía
dependiendo de la superficie de contacto. Por ejemplo, cuando se cuece una para
entera su velocidad de reacción es menor que si se cuece cortada en trozos; es
este último caso tardara menos tiempo en cocerse porque aumenta la superficie
de contacto del vegetal como el agua.
(La
velocidad de una reacción química depende de sustancias reaccionantes. En las
soluciones acuosas nos dice que en los iones con gran velocidad, realmente muy
pero muy dífilamente de medir, como la neutralización de ácidos–base. Toda
reacción de las moléculas provoca el que se alenté la velocidad.)
Influencia de la concentración
De
acuerdo con la teoría de las colisiones, para que se produzca una reacción
química tienen que chocar entre sí las moléculas iniciales. Ahora bien,
según la teoría cinética, el número de choques es proporcional a la
concentración de cada reactivo. Por tanto, a mayor concentración, mayor número
de choques, y mayor la velocidad de reacción.
(Existe
una teoría la cual es la de las colisiones y que para que suceda una
reacción química las moléculas principales tienen la obligación de chocar entre
sí para que este proceso se lleve a cabo y con la teoría cinética cada choque
es proporcional la concentración de cada reactivo, esto envuelve a una sola
reacción.)
Así,
la reacción para formar ácido yodhídrico (HI), es evidente que si, por ejemplo,
duplicamos la concentración de yodo (I2),
cada molécula de hidrogeno (H2), al
encontrarse con un doble número de moléculas de I2,
chocará un numero doble de veces, por lo que la velocidad de reacción se
duplicará. Lo mismo ocurrirá si lo que se duplica es la concentración de H2.
Por tanto la velocidad de reacción será proporcionada a la concentración de
cada reactivo.
(Si
una reacción al combinarse o un elemento tiene doble cantidad este tendrá más
moléculas al mezclarse con un elemento. Cada partícula menor chocara una
cantidad mayor a la que tiene pocas moléculas y por lo tanto la velocidad de
reacción será proporcionada a la concentración de cada reactivo).
Velocidad y temperatura.
Al
elevar la temperatura de un sistema aumenta la velocidad de las moléculas
y con ello el número de choques entre ellas, y viceversa. El notable
incremento de la velocidad de reacción al aumentar la temperatura se debe
a que se eleve el porcentaje de moléculas activas, esto es, la
energía cinética es superior a la de activación (la necesaria para iniciar una
reacción).
(La
temperatura de un sistema es aquella que aumenta la velocidad de las
moléculas, estas chocan entre si y también viceversa. Si en una reacción
la velocidad aumenta la temperatura también empezara a elevarse y esto es
provocado por moléculas que se encuentran activas, a esto se le denomina
energía cinética).
Por
ejemplo, en la figura siguiente se muestra dos recipientes con papas sumergidas
en agua: uno está a 700C y el otro a temperatura ambiente (250C). Obviamente
las papas se cuecen más rápido en el caliente. Otro ejemplo del efecto de la
temperatura lo observamos cuando partimos una manzana en dos mitades. Si
dejamos una sobre la mesa a la temperatura ambiente y colocamos la otra
dentro del refrigerador, ¿Qué sucede?
(Muestra
la reacción que tiene algunos productos que se consume y que reacciones tiene
con la temperatura como por ejemplo el cocimiento, obviamente el cocimiento
será más rápido a una temperatura más elevada, en algunos elementos la
temperatura y el contacto con el oxígeno los oxidan y se ponen de
coloración marrón).
Catálisis
En el
último cuarto del siglo XIX, los científicos alemanes fueron pioneros en el
estudio de los cambios físicos asociados a las reacciones químicas. El
científico más importante en este campo de la fisicoquímica fue el químico
ruso-germano Friedrich Wilhelm Ostwald (1853-1932), quien procedió casi
inmediatamente a poner en práctica las teorías del físico estadounidense Josiah
Willard Gibbs (1839-1903), el cual estaba aplicado a las reacciones químicas.
(Quienes
fueron pioneros en el estudio de los campos físicos fueron científicos
alemanes. El científico más importante en la fisicoquímica fue el químico
ruso-germano Friedrich Wilhelm Ostwald, fue el quien procedió a
poner en práctica las teorías del físico estadounidense Josiah Willard Gibbs,
él estaba aplicando la catálisis a reacciones químicas).
La
catálisis (palabra sugerida por Berzelius en 1835) es un proceso de velocidad
de una reacción química determinada se acelera, en ocasiones enormemente, por
la presencia de pequeñas cantidades de una sustancia que no paree tomar parte
en la reacción. Así, el polvo de platino cataliza la reacción entre el
hidrógeno y el oxígeno. Por tanto: un catalizador es una sustancia que
modifica la velocidad de una reacción sin sufrir cambios aparentes en su
composición o peso.
(La
catálisis es el proceso de la velocidad en una reacción química, este a
veces se acelera muy rápidamente por la presencia de pequeñas cantidades
de una sustancia que no tiene que ver con esta reacción. Y un catalizador es
quien modifica la velocidad de una reacción sin que sufra cambios.)
En un
principio se creyó que los catalizadores no intervenían en la reacción química
y actuaban por su simple presencia. En la actualidad se ha comprobado que tomar
parte activa en la reacción, formando compuestos intermedios inestables que se
descomponen en seguida regenerando el catalizador, por lo que éste no se
consume. De esta forma, el catalizador cambia el curso ordinario de la
reacción, lo cual reduce la energía de activación.
(Cuando
se empezaron a utilizar los catalizadores se tenía una idea, la cual era que no
intervenían en las reacciones químicas y que solo actuaban por simple
presencia. En la actualidad el catalizador hace sustancias intermedias, las
cuales son inestables ya que se descomponen inmediatamente y esto hace que se
regenere el catalizador.)
Ejemplos
de catalizadores positivos (los que aceleran una reacción) son el dióxido de
magnesio (MnO2), que se utiliza en la obtención del clorato de potasio (KClO3), y
el platino (Pt), que se emplea en la fabricación del ácido sulfúrico (H2SO4).
(Loa
catalizadores que aceleran una reacción química y si estos son positivos es el
MnO2 el dióxido de manganeso, también se conoce como Pirolusita, Color Gris
metalizado, gris-hierro o gris azulado, también el clorato de potasio (KClO3) es un haluro metálico compuesto por potasio y cloro, y el
platino (Pt).)
Un
catalizador negativo, es decir, el que retarda una reacción, es el retraetilo
de plomo (C2H5)4Pb, que en México se utilizaba como antidetonante en las
gasolinas hace ya muchos años. En el cuadro que sigue de presentan
algunos catalizadores de amplio uso en los procesos químicos.
(El
catalizador negativo es aquel que provoca el retardo en una reacción, un
ejemplo de este es el retraetilo de plomo (C2H5)4Pb, en
México se utilizaba como antidetonante en las gasolinas hace ya muchos años).
Las
acciones catalíticas intervienen en gran número de fenómenos químicos de
importancia, industrial y biológica. Puesto que sin los catalizadores muchas
reacciones de verificarían tan rápido o tan lentamente que sería imposible
aprovecharlas, en diversas reacciones entre gases se utilizan catalizadores
sólidos que se llaman en contacto. El proceso de denomina catálisis
heterogénea. En los automóviles se utilizan convertidores catalíticos de
contacto en los tubos de escape. Estos catalizan la oxidación del
CO a CO2 y los
restos de hidrocarburos sin quemar de la gasolina. Los óxidos de nitrógeno se
descomponen en N2 y O2 evitando que se emitan gases muy tóxicos a la atmósfera.
(Los
catalizadores son el intermedio en muchas de las reacciones químicas con
importancia para el campo de la economía, el proceso que hacen los
catalizadores es de muy alta importancia porque sin ellos no podríamos
aprovechar los beneficios de las reacciones químicas, a esto se le denomina
catálisis heterogenia.)
Consumismo e impacto ambiental
En
México, cada año se producen ocho millones de toneladas de residuos peligrosos;
en el Distrito Federal se generan entre dos y tres millones de toneladas.
Solo
el 12&se controla adecuadamente y el problema es agravado por el hecho de
que cerca de 90% de los desechos se encuentran en estado líquido, acuosa o
semilíquida que facilita su disposición clandestina.
(Se
producen ocho millones de toneladas de residuos peligrosos en México, en tan
solo un año. Se puede controlar solo el 12%, el problema es agravado ya que el
90% de estos residuos se encuentran en estado líquido, acuoso o semilíquido,
este facilita su disposición clandestina).
Muchos
de los productos que usamos en nuestros hogares están catalogados como
productos nocivos para nuestra salud y el medio ambiente. Esto implica que
debemos tener cuidado con su consumo, manejo y desecho.
(En
casa se tiende a utilizar productos, los cuales están catalogados como
productos nocivos para nuestra salud y el medio ambiente, por ello debemos
tener cuidado con su consumo, manejo y desecho ya que las consecuencias podrían
no ser convenientes tanto como para nosotros y el medio ambiente).
Un
material peligroso es cualquier que tenga una o varias de las siguientes
categorías: corrosivo, toxico, explosivo, inflamable o infeccioso. Si bien en
las materia de las etiquetas de los productos con sustancias peligrosas se
menciona si es toxico, explosivo o inflamable y las precauciones que se deben
tener en su uso, manejo y almacenamiento, también es cierto que su disipación
de estas sustancias en las que no se informa que su disposición puede ser
peligrosa. A nivel doméstico e industrial no existe una cultura del manejo de
estos residuos peligrosos y como emplearlos, por lo que generalmente terminan
de manera irresponsable en los desagües, ríos, barrancas y tiraderos. En
México, durante el año 2002, se importaron 276000 toneladas de residuos tóxicos
para su reciclaje.
(La
etiqueta de algunos productos tiende a mencionar si el producto es peligroso,
lo es cuando dice que es corrosivo, toxico, explosivo, inflamable o
infeccioso. Si este tipo productos en casa manejan en casa se deben de poner en
lugares seguros (fuera del alcance de los niños). Estos productos tiendes a
tirarse en los ríos, barrancas, etc., esto provoca daño al medio
ambiente).
Como
pequeños consumidores de residuos peligrosos podemos empezar por nuestro hogar,
ya que una buena parte de los productos de limpieza, como desinfectes,
limpiado hornos, desengranándote, detergentes, cloro, blanqueadores,
destapacaños y demás productos que usamos diariamente, contiene materiales
tóxicos y algunos están registrados como pesticidas.
(El
ser humano es un pequeño consumidor de residuos peligrosos, empezando por
nuestra casa, ya que es en donde más utilizamos productos de limpieza, como
desinfectantes, detergentes, cloro, blanqueadores, destapacaños y otros
productos que tendemos a utilizar diariamente. Es por ello que se deberían de
empezar a reciclar ya que producen toneladas de estos).
En el
mantenimiento de nuestra caza utilizamos materiales y productos tóxicos, tales
como pintura, barnices, y pegamentos. Por ejemplo, una pintura de aceite puede
con contener hasta 49% de óxido de plomo, por lo que una n galón de
pintura puede contaminar hasta un millón de litros de agua potable. De 28
pesticidas que se usan en forma común, por lo menos 23 son cancerígenos;
anualmente, 20000 muertos son causadas por residuos de pesticidas en los
alimentos. Una pila pequeña puede contaminar hasta 6000000 litros d agua.
(Para
darle mantenimiento a una casa se utilizan materiales y productos tóxicos,
tales como, pintura barnices y pegamento. Ahora bien de los 28 pesticidas que
se utilizan comúnmente, por lo menos 23 de ellos son cancerígenos. El residuo
de pesticidas en los alimentos han causado por lo menos 20 000 muertes
anualmente).
México
vive una situación de emergencia ante la aceleración y dramática desaparición
de sus bosques y selvas; en las últimas cinco décadas la superficie forestales
se redujo a la mitad, lo cual pone en riesgo a muchos otros recursos como la
captación de agua.
(A la
mayoría de las personas en México no les importan los cambios que el mundo ha
estado recibiendo, como lo son la desaparición de bosques y selvas. La
superficie forestal se redujo a la mitad, esto ha puesto en riesgo a muchos
recursos como la capacitación del agua, desde hace ya cinco décadas).
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