Velocidad de Reacción
La velocidad de reacción es qué tan rápido se consumen los reactivos o se forman los productos; la temperatura, la concentración, el área superficial y los catalizadores la cambian.
Definition
La velocidad de reacción describe qué tan rápido ocurre una reacción química, desde la explosión en una fracción de segundo de un cohete de fiesta hasta la oxidación de meses de duración de un clavo de hierro, y formalmente es el cambio de concentración de un reactivo o producto por unidad de tiempo, $\text{velocidad} = -\frac{1}{a}\frac{d[A]}{dt}$ para un reactivo $A$ con coeficiente $a$. Según la teoría de colisiones, las reacciones ocurren cuando las partículas chocan con suficiente energía y la orientación correcta, así que la velocidad está ligada a las concentraciones mediante una ley de velocidad determinada experimentalmente, $\text{velocidad} = k[A]^m[B]^n$, cuyos órdenes reflejan el mecanismo más que la estequiometría. La constante de velocidad $k$ depende de la temperatura mediante la ecuación de Arrhenius, $k = Ae^{-E_a/RT}$, así que las reacciones con una energía de activación más alta son más sensibles al cambio de temperatura, y el paso elemental más lento en un mecanismo de varios pasos es el paso determinante de la velocidad.
Example
Una pastilla antiácida entera hace efervescencia en agua durante un minuto o más, pero la misma pastilla molida en polvo hace efervescencia mucho más rápido porque se expone mucha más superficie, y calentar el agua lo acelera aún más. Para una reacción con $E_a = 50\text{ kJ/mol}$, subir la temperatura de $25^\circ\text{C}$ a $35^\circ\text{C}$ aumenta $k$ por un factor de aproximadamente $1.9$, más o menos el origen de la vieja regla de que la velocidad de reacción se duplica por cada $10^\circ\text{C}$ de aumento.
Key Insight
Los elevadores de granos y las minas de carbón pueden explotar porque el polvo finamente dividido tiene un área superficial enorme, así que el mismo material que arde lentamente como un tronco sólido o un trozo puede reaccionar explosivamente como polvo en el aire. La termodinámica y la cinética son completamente independientes: el diamante convirtiéndose en grafito es espontáneo ($\Delta G < 0$) pero inmensurablemente lento, y algunas reacciones altamente exotérmicas nunca empiezan sin un catalizador, así que un $\Delta G$ favorable no te dice nada sobre qué tan rápido irá una reacción.