Velocidad de reacción y temperatura

Relación entre velocidad de reacción y temperatura

Para comprender la relación entre la velocidad de reacción y la temperatura, primero tenemos que definir qué es la velocidad de reacción. Después tenemos que entender el principio general que subyace a la velocidad de cualquier reacción: la teoría de colisiones.

Velocidad de reacción

Teoría de la colisión

La teoría de las colisiones dicta que para que una reacción tenga éxito es necesaria una colisión entre dos partículas. Sin embargo, no todas las colisiones dan lugar a una reacción. En primer lugar, las partículas deben apuntar en la dirección correcta. En segundo lugar, deben encontrarse con la energía suficiente para romper los enlaces originales que contienen.

Ahora vamos a averiguar cómo afecta la temperatura a la velocidad de cualquier reacción según los principios de la teoría de colisiones.

Velocidad de reacción, teoría de colisiones y temperatura

El efecto de la velocidad de reacción con el aumento de la temperatura puede explicarse mediante la teoría de colisiones de dos maneras:

• Un aumento de la temperatura aumenta la velocidad media de las partículas.
• Un aumento de la temperatura aumenta la energía cinética media de las partículas.

Un aumento de los dos fenómenos anteriores aumenta el número de colisiones por segundo.

Fig. 1: Comportamiento de las partículas al principio y al aumentar la temperatura, originales de StudySmarter

Echa un vistazo a las figuras anteriores. La figura 1 ilustra el comportamiento de las partículas a la temperatura a la que comenzó una reacción química (puede denominarse temperatura inicial). La longitud de las flechas en ambas figuras representa la energía cinética de las partículas. Observa que en la Fig-1, sólo unas pocas partículas tienen suficiente energía cinética para participar en la reacción.

La figura 2, en cambio, ilustra el comportamiento de las partículas tras un aumento de la temperatura. Observa el aumento de la longitud de las flechas, que representa un aumento de la velocidad, o se podría decir de la energía cinética de las partículas. Un mayor número de partículas en la figura-2 tienen energía suficiente para colisionar y provocar una reacción (siempre que estén en la orientación correcta). Las partículas rodeadas en ambas figuras están en la orientación correcta y tienen energía suficiente para colisionar.

Así, a partir de la teoría de colisiones, podemos concluir que la velocidad de reacción es directamente proporcional a la temperatura.

La siguiente pregunta que surge es: ¿Cómo sabemos la energía mínima necesaria para que las partículas sufran colisiones?

Esta pregunta puede responderse mediante la curva de distribución de Maxwell-Boltzmann.

Curva de distribución de Maxwell-Boltzmann

La distribución de Maxwell-Boltzmann nos muestra la distribución de energías de las partículas de un gas a temperatura constante. Nos da información sobre cuántas partículas tienen energía baja, energía moderada y energía superior a la energía de activación.

Fig. 2: Curva de distribución de Maxwell-Boltzmann que muestra la distribución de energías de las partículas, StudySmarter Originals

Basándonos en la curva de distribución de Maxwell-Boltzmann anterior, podemos deducir lo siguiente:

• El área bajo la curva es el número total de partículas
• Energía de activación- La cantidad mínima de energía necesaria para que las partículas choquen y se produzcan las reacciones se denomina energía de activación. Observa la parte del gráfico marcada en amarillo. Representa el número de partículas que alcanzaron el hito de la energía de activación. Observa que la porción es diminuta en comparación con el área total bajo el gráfico. Significa que sólo unas pocas partículas tienen energía suficiente para que se produzcan colisiones.
• Ninguna partícula tiene energía cero
• El pico de la curva: energía más probable: La mayoría de las partículas tienen esta energía concreta

Comprendamos ahora qué ocurre cuando aumentamos la temperatura.

Fig. 3: Curva de Maxwell-Boltzmann tras aumentar la temperatura, originales de StudySmarter

Observa las dos curvas del gráfico anterior. La curva en azul es la energía de las partículas a una determinada temperatura cuando se inició la reacción. La curva en rosa es la energía de las partículas después de aumentar la temperatura. La curva en rosa se desplazó hacia la derecha.

¿Qué significa esto?

En términos sencillos, aumenta el número de partículas que alcanzan o superan el hito de la energía de activación (Ea). Esto significa que cabe esperar más colisiones, lo que ayuda a que la reacción se produzca a un ritmo más rápido. Así pues, podemos deducir que un aumento de la temperatura incrementa la velocidad de una reacción.

Además, observa que, en el gráfico, el área bajo ambas curvas es la misma, es decir, el número total de partículas sigue siendo el mismo. No estamos introduciendo ninguna partícula nueva, o el número de partículas no aumentará con el aumento de la temperatura. Sólo aumentará el número de partículas que pueden superar o alcanzar la energía de activación. Por ejemplo, si el número total de partículas es 100, siempre será 100. Al principio de la reacción, quizá 25 partículas tendrían energía suficiente para colisionar (alcanzar o superar la Ea). Sin embargo, al aumentar la temperatura, de las mismas 100 partículas, ahora 50 partículas alcanzarán o superarán la Ea.

Si quieres conocer las demás energías representadas en la curva de distribución Maxwell-Boltzmann , como la energía cinética media de las partículas, la energía más probable y profundizar en la energía de activación, dirígete a este artículo- Distribución Maxwell-Boltzmann. En el mismo artículo, también te explicaremos los otros factores que aumentan la velocidad de una reacción-Catalizador y Concentración.

Método y experimento para la temperatura y la velocidad de reacción

Mediante un experimento, podemos comprobar por nosotros mismos los efectos de la temperatura sobre la velocidad de una reacción química: el aumento de la temperatura de un sistema químico aumenta su velocidad de reacción.

Puedes utilizar distintos experimentos para justificar esta afirmación. Aquí consideraremos la reacción entre el tiosulfato sódico y el ácido clorhídrico.

La reacción es más o menos así

$$ Na_2S_2O_3 + 2HCl + flecha recta 2NaCl + S + SO_2 + H_2O $$

Los reactivos son transparentes. Producen una suspensión turbia de azufre sólido, que es mucho más opaca. Podemos utilizar la opacidad del sistema como indicador del tiempo que tarda la reacción en completarse, y luego repetir el proceso a diferentes temperaturas. Esto nos permite comparar la velocidad de la reacción a medida que variamos la temperatura.

Equipo

Para este experimento, necesitarás

• 0,05 mol ^dm-3 de solución de tiosulfato sódico.
• 1,0 mol ^dm-3 de ácido clorhídrico.
• 2 probetas graduadas.
• 1 matraz Erlenmeyer.
• Mechero Bunsen o baño maría de ⁴⁰⁰ cm3.
• Termómetro.
• Cronómetro.
• Trozo de papel.
• Placas calientes.

Método

A continuación te explicamos cómo llevar a cabo el experimento:

1. Mide 100 ^cm3 de solución de tiosulfato sódico en una probeta graduada y viértela en el matraz Erlenmeyer.
2. En un papel, dibuja una marca X y coloca el matraz Erlenmeyer sobre el papel, de modo que puedas ver la marca a través del matraz.
3. Mide 10 ^cm3 de ácido clorhídrico en la otra probeta graduada y viértelo en el matraz Erlenmeyer.
4. Da vueltas al matraz y pon en marcha rápidamente el cronómetro.
5. Observa la marca a través del matraz.
6. Cuando ya no puedas ver la marca a través del matraz, para el cronómetro y anota el tiempo. Éste es el tiempo que tarda en completarse la reacción.
7. Anota la temperatura ambiente en el termómetro.
8. Anota la hora junto a la temperatura en un cuaderno.
9. Tira el contenido del matraz y lávalo.
10. Repite el experimento varias veces a diferentes temperaturas [ Por ejemplo: (Temp. ambiente + 20)°C, (T+ 30)°C, (T+40°C) ].
11. Utiliza la placa caliente para calentar la solución de tiosulfato sódico y el ácido clorhídrico por separado, luego mézclalos y anota el tiempo. Como alternativa, puedes utilizar un baño maría.

Fig. 4: Experimento para observar los efectos de la temperatura en la velocidad de reacción | Turton School

Efecto de la temperatura en la velocidad de reacción: gráfico

Después de este experimento, tendrás una tabla con el tiempo que tardó la reacción en completarse, y la temperatura a la que se produjo la reacción. Puedes calcular la velocidad de la reacción tomando el recíproco del tiempo.

$$ velocidad~de~reacción = \frac{1}{tiempo~que~tarda~la~reacción~en~completarse} $$

Si representas gráficamente la velocidad y el tiempo de la reacción frente a la temperatura, obtendrás gráficas como ésta -

Fig. 5: Gráficos que representan el efecto de la temperatura sobre el tiempo y la velocidad de reacción, originales de StudySmarter

De los gráficos se desprenden dos cosas.

• A medida que aumenta la temperatura, disminuye el tiempo que tarda la reacción en completarse.
• Esto significa que, al aumentar la temperatura, aumenta la velocidad de reacción.

Ahora sabemos, por la teoría de colisiones y el experimento del tiosulfato sódico, que la velocidad de reacción aumenta al aumentar la temperatura.