Energía de activación, ecuación de Arrhenius y órdenes de reacción — qué controla la velocidad de las reacciones con visualizaciones interactivas.
El estado de transición (complejo activado) es el punto de energía máxima que los reactivos deben superar. El catalizador ofrece una ruta alternativa con menor barrera.
Relaciona la constante de velocidad k con la temperatura T y la energía de activación Ea
El orden determina cómo varía la velocidad al cambiar la concentración del reactivo. Cada orden tiene una forma característica de curva de concentración vs. tiempo.
[A] = [A]₀ − k·t
[A] = [A]₀ · e−kt
1/[A] = 1/[A]₀ + k·t
Cinco variables que determinan cuántas colisiones moleculares eficaces ocurren por segundo
Al aumentar la temperatura, las moléculas tienen más energía cinética. Una fracción mayor supera la barrera de activación Ea. Según Arrhenius, la constante k crece exponencialmente con T — no de forma lineal.
A mayor concentración de reactivos, hay más moléculas por unidad de volumen, lo que aumenta la frecuencia de colisiones. Solo las colisiones con orientación y energía correctas producen reacción.
Los catalizadores ofrecen una ruta alternativa de reacción con menor Ea. No se consumen ni alteran el ΔH o ΔG — solo bajan la barrera. Catalizadores heterogéneos (sólido + gas/líquido) y homogéneos (misma fase).
En reacciones heterogéneas (sólido + fluido), la reacción ocurre en la superficie del sólido. Dividir el sólido en partículas menores aumenta drásticamente el área superficial expuesta.
Algunos fotones tienen energía suficiente para excitar moléculas, superando la Ea o generando radicales libres que inician cadenas de reacción. Esto se llama fotocatálisis o fotoquímica.
Energía de activación, Arrhenius y órdenes de reacción explicados visualmente
La termodinámica responde a "¿puede ocurrir esta reacción?" (ΔG < 0 = espontánea). La cinética responde a "¿a qué velocidad ocurre?". Una reacción puede ser espontánea termodinámicamente y aun así ser prácticamente imposible a temperatura ambiente si la Ea es muy alta.
El diamante es el ejemplo clásico: ΔG < 0 para su conversión en grafito, pero la Ea es tan extremadamente alta que la transformación tardaría miles de millones de años. Los catalizadores solo actúan sobre la cinética (bajan Ea), no sobre la termodinámica.
Para que una reacción ocurra, las moléculas deben colisionar con energía suficiente (≥ Ea) y con la orientación correcta. La fracción de colisiones eficaces es f = e−Ea/RT, la parte exponencial de Arrhenius.
A temperatura ambiente (298 K), si Ea = 60 kJ/mol, solo 1 de cada 2×10¹⁰ colisiones supera la barrera. Por eso muchas reacciones son lentas aunque sean espontáneas: la probabilidad de superar la barrera por colisión es minúscula.
El estado de transición (TS) es la geometría molecular de máxima energía a lo largo de la coordenada de reacción. No es un intermedio estable: tiene vida de ~10⁻¹³ s. La teoría del estado de transición (Eyring, 1935) predice k a partir de la función de partición del TS.
Los intermedios de reacción, en cambio, son mínimos de energía entre el TS y los productos, con mayor estabilidad temporal. Un mecanismo de reacción puede tener varios TS (uno por etapa elemental) y varios intermedios.
Svante Arrhenius (1889) propuso empíricamente que la constante de velocidad varía con la temperatura según k = A·e−Ea/RT, ajustando datos experimentales. El significado físico de A y Ea lo proporcionaron más tarde la teoría de colisiones y la teoría del estado de transición.
La linealización de la ecuación (gráfico de Arrhenius: ln k vs 1/T) permite determinar experimentalmente Ea a partir de la pendiente (−Ea/R) de la recta. Es un método clásico de laboratorio de cinética química.
Los órdenes de reacción se determinan experimentalmente, no a partir de la estequiometría (excepto en reacciones elementales). Una reacción 2A → B puede ser de orden 1, 2 o incluso orden fraccionario según el mecanismo.
La desintegración radiactiva es siempre de orden 1 (t₁/₂ independiente de la cantidad inicial), propiedad usada en datación radiométrica (carbono-14, uranio-238). En farmacología, la mayoría de fármacos siguen cinética de primer orden para la eliminación (dosis dependiente de concentración plasmática).
El proceso Haber-Bosch (síntesis de NH₃) usa Fe como catalizador a 400–500 °C y 150–300 atm. Sin catalizador, la Ea es tan alta que la reacción sería impráctica. Este proceso produce el nitrógeno fijo que alimenta ~50% de la humanidad mediante fertilizantes.
Las enzimas son biocatalizadores proteicos que reducen Ea hasta 10⁶–10¹² veces respecto a la reacción no catalizada. La ureasa cataliza la hidrólisis de urea 10¹⁴ veces más rápido que en agua pura. Las enzimas son altamente específicas (sustrato concreto) y operan en condiciones fisiológicas suaves (37 °C, pH neutro).