CINÉTICA QUÍMICA

VELOCIDAD DE REACCIÓN

La rapidez con la que se produce una transformación química es un aspecto muy importante. Tanto desde el punto de vista del conocimiento del proceso como de su utilidad industrial, interesa conocer la velocidad de la reacción y los factores que pueden modificarla.

Se define la velocidad de una reacción química como la cantidad de sustancia formada (si tomamos como referencia un producto) o transformada (si tomamos como referencia un reactivo) por unidad de tiempo.

La velocidad de reacción no es constante. Al principio, cuando la concentración de reactivos es mayor, también es mayor la probabilidad de que se den choques entre las moléculas de reactivo, y la velocidad es mayor. a medida que la reacción avanza, al ir disminuyendo la concentración de los reactivos, disminuye la probabilidad de choques y con ella la velocidad de la reacción.La medida de la velocidad de reacción implica la medida de la concentración de uno de los reactivos o productos a lo largo del tiempo, esto es, para medir la velocidad de una reacción necesitamos medir, bien la cantidad de reactivo que desaparece por unidad de tiempo, bien la cantidad de producto que aparece por unidad de tiempo.La velocidad de reacción se mide en unidades de concentración/tiempo, esto es, en moles/s.

Son cinco los factores que influyen en la velocidad de una reacción química. Veremos uno de ellos en esta página.

 

El aumento de la concentración de los reactivos hace más probable el choque entre dos moléculas de los reactivos, con lo que aumenta la probabilidad de que entre estos reactivos se de la reacción. En el caso de reacciones en estado gaseoso la concentración de los reactivos se logra aumentando la presión, con lo que disminuye el volumen.

Si la reacción se lleva a cabo en disolución lo que se hace es variar la relación entre el soluto y el disolvente.
En la simulación que tienes a la derecha puedes variar la concentración de una o de ambas especies reaccionantes y observar cómo influye este hecho en la velocidad de la reacción química.

En una reacción química, se define VELOCIDAD DE REACCION como la concentración molar de reactivo que desaparece, o la concentración molar de producto de reacción que se forma, por unidad de tiempo.

Sea una reacción genérica ajustada : ; definimos la velocidad :

-En función de los reactivos que desaparecen :

ó

-En función de los productos que se forman :

ó

Podemos, sin embargo expresar la velocidad de una manera única :

Así, la velocidad de reacción es directamente proporcional a las concentraciones de los reaccionantes. A la expresión matemática que relaciona la velocidad de reacción con las concentraciones de los reactivos se le denomina ECUACION DE VELOCIDAD, y es :

donde :

a se llama orden de la reacción para el reactivo M. (No implica ser igual a m).

b se llama orden de la reacción para el reactivo N. (No implica ser igual a n).

a + b es el orden total de la reacción . (a y b se determinan experimentalmente)

K es la constante de velocidad para esa reacción a una determinada temperatura ; se determina experimentalmente.

TEORIA DE LOS CHOQUES

Una reacción química supone la ruptura de los enlaces de las moléculas de los reactivos y la formación de nuevos enlaces para que se formen las moléculas de productos de reacción. Para que esto suceda, es necesario que las moléculas de reactivos entren en contacto : colisionen.

No todos los choques son efectivos ; para que un choque sea eficaz, produzca reacción, es necesario que se cumpla :

Que el choque se produzca en una orientación adecuada para la ruptura de los enlaces.

Que las moléculas que colisionan tengan la suficiente energía para que en el choque sus enlaces se rompan. A estas moléculas se les llama “moléculas activadas”, y a la energía mínima necesaria se le llama “energía de activación”.

Ha sido determinado experimentalmente que las reacciones no transcurren de forma inmediata, sino que se produce un compuesto intermedio, llamado Complejo Activado, que puede considerarse como un agregado molecular de los reactivos ; una vez formado, el complejo activado se descompone por poseer una energía más alta que reactivos y que productos. La formación del complejo activado supone superar la energía de activación.

Factores que afectan la velocidad de reacción

contracion del substrato.- Velocidad máxima: la velocidad de una reacción (v) es el número de moléculas de substrato convertidas en producto por unidad de tiempo y usualmente se expresa en µmoles de producto formadas por minuto. La velocidad de una reacción catalizada por una enzima, aumenta conforme se incrementa la concentración de substrato hasta que se llega a una velocidad máxima (Vmax), a partir de la cual la velocidad de la reacción, es independiente de la cantidad de substrato. El que la velocidad no pueda seguirse incrementando, refleja la saturación del sitio activo con el substrato.

Vmax

La mayoría de las enzimas muestran cinéticas del tipo hipérbola rectangular como describieron en 1913 por primera vez Leonor Michaelis y Maud Menten. Este trazo se obtiene al graficar la velocidad de la reacción enzimática vs. La concentración de Substrato; este comportamiento se describe por ejemplo para la disociación del Oxígeno de la mioglobina. Existen algunas enzimas que se denominanalostéricas”, que frecuentemente poseen una curva tipo sigmoide (en forma de S), que es similar a la mostrada para la disociación del Oxígeno de la hemoglobina.

Vmax

Hiperbólica (comportamiento cinético michaeliano)

Sigmoide (comportamiento cinético alostérico)

efecto de la temperatura.-

Incremento de la velocidad con la temperatura: En general, la velocidad de la reacción se incrementa con la temperatura hasta que un punto máximo es alcanzado. Este incremento se debe a que aumenta el número de moléculas ricas en energía que pueden pasar la barrera energética de estado de transición, para formar a los productos.

Decremento de la velocidad con la temperatura: la elevación excesiva de la temperatura del medio que contiene a las enzimas, resulta en un decremento de la velocidad como resultado de la desnaturalización, es decir, la pérdida de la estructura tridimensional de las enzimas.

 

Temperatura

Efecto del pH

Efecto del pH en la ionización del sitio activo: la concentración de H+ afecta la velocidad de la reacción en muchas formas. Primero el proceso catalítico usualmente requiere de que la enzima y el substrato tengan grupos químicos en una forma ionica particular para poder interactuar. Por ejemplo la actividad catalítica puede necesitar a un grupo amino, por ejemplo de una lisina en estado protonado (-NH3+) o no (-NH2+), el pH modifica este estado y por tanto a la velocidad de la reacción.

Efecto del pH para la desnaturalización de la enzima: pH extremos pueden ocasionar la desnaturalización de las enzimas, debido a que la estructura con estos cambios es posible modificar las interacciones ionicas que intervienen en la estabilidad de la enzima en su estado nativo:

El pH óptimo varía para las diferentes enzimas: el pH al cual las enzimas adquieren su máxima actividad es diferente para cada una de ellas y depende de la secuencia de aminoácidos que las conforman, por supuesto, también está relacionado con el microambiente celular en el cual desarrollan su catálisis. Por ejemplo la pepsina que es una enzima digestiva que actúa en el estómago, posee un pH óptimo de alrededor de 2 unidades, por el contrario otras enzimas que actúan a pH neutro, se desnaturalizan a pH alcalino o ácido

Naturaleza de los reactivos

Las reacciones que requieran la ruptura de enlaces en los reactivos (moléculas intactas), serán más lentas que aquellas en las que los reactivos estén parcialmente disgregados (disoluciones, reacciones entre iones...).

Concentración de los reactivos

El aumento en la concentración supone un incremento del nº de choque y, por tanto, un aumento de los choques efectivos ; es decir : a mayor concentración de los reactivos, mayor velocidad de reacción

GRADO DE DIVISION DE LOS REACTIVOS

Cuanto más particulados estén los reactivos, mayor será la probabilidad de contactos entre ellos, por lo que aumentará la velocidad de la reacción.

PRESENCIA DE CATALIZADORES

Un Catalizador es una sustancia que modifica la velocidad de una reacción sin entrar a formar parte de ella. Este fenómeno se denomina “catálisis”.

Desde el punto de vista energético la acción de los catalizadores es modificar la energía de activación de una reacción. Un catalizador modifica la velocidad de reacción, pero no es capaz de provocar una reacción que por sí sola no llegara a producirse.

Hay dos tipos de catalizadores :

Catalizadores positivos : Disminuyen la energía de activación, provocan aumento de la velocidad de reacción.

Catalizadores negativos o inhibidores : Aumentan la energía de activación, provocan descenso de la velocidad de reacción.

Todos los catalizadores son específicos, cada reacción tiene su propio catalizador, y bastan pequeñísimas cantidades de él para activar a grandes masas de reactivos.

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