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Física y Química 3.º ESO · La reacción química y la teoría de colisiones

¿Cómo ocurre una reacción? La teoría de colisiones

Objetivo: Al terminar, sabrás explicar con el modelo de partículas que las reacciones químicas ocurren cuando las partículas de los reactivos chocan, distinguir choques eficaces e ineficaces y usar esta idea para explicar situaciones cotidianas.

Explicación

Las partículas se mueven y chocan

Recuerda la teoría cinético-molecular: la materia está formada por partículas (átomos, moléculas o iones) que están en continuo movimiento. En los gases y en los líquidos las partículas se desplazan de un sitio a otro y chocan constantemente entre ellas; en un gas, cada molécula sufre miles de millones de choques por segundo. En los sólidos, en cambio, las partículas solo vibran en su sitio.

La teoría de colisiones

Ya sabes que en una reacción los átomos se reorganizan. La teoría de colisiones explica cómo ocurre:

Para que dos sustancias reaccionen, sus partículas tienen que chocar. En el choque se rompen enlaces de los reactivos y los átomos se unen de otra forma, formando los productos.

Por ejemplo, en la reacción del hidrógeno con el cloro (○ = H; ◆ = Cl):

Una molécula ○○ y una molécula ◆◆ se acercan y chocan.
Si el choque es adecuado, se rompen los enlaces H–H y Cl–Cl.
Se forman enlaces nuevos H–Cl: aparecen dos moléculas ○◆.

Choques eficaces e ineficaces

No todos los choques producen reacción:

Tipo de choque	Qué pasa	Resultado
Eficaz	Las partículas chocan con suficiente fuerza y en la posición adecuada	Se rompen enlaces y se forman los productos
Ineficaz	El choque es demasiado suave o las partículas chocan «mal colocadas»	Las partículas rebotan y siguen siendo las mismas

De todos los choques que se producen, normalmente solo una pequeña parte son eficaces. Cuantos más choques eficaces haya cada segundo, más rápida será la reacción.

Consecuencias que puedes observar

Los reactivos tienen que estar en contacto. Dos sólidos mezclados apenas reaccionan, porque sus partículas no se desplazan y casi no chocan. Por eso muchas reacciones se hacen en disolución o entre gases: sus partículas se mueven libremente y chocan mucho más.
Muchas reacciones necesitan un «empujón» para empezar. El gas de la cocina no arde solo al mezclarse con el aire: hace falta una chispa o una llama, que da a las partículas la energía necesaria para que sus choques sean eficaces. Una vez empezada, la propia reacción desprende energía y se mantiene.

Puntos clave

Las partículas de las sustancias están en continuo movimiento y chocan entre sí.
Para que haya reacción, las partículas de los reactivos tienen que chocar.
Choque eficaz: con fuerza suficiente y bien orientado; se rompen enlaces y se forman los productos.
Choque ineficaz: las partículas rebotan sin cambiar.
Solo una pequeña parte de los choques es eficaz; cuantos más choques eficaces por segundo, más rápida es la reacción.
Los reactivos deben estar en contacto: las reacciones son más fáciles en disolución o entre gases que entre sólidos.

Errores frecuentes

ErrorPensar que basta con que las partículas choquen para que reaccionen.
Cómo corregirloLa mayoría de los choques son ineficaces: las partículas rebotan. Solo reaccionan si chocan con fuerza suficiente y en la posición adecuada.
ErrorCreer que en el choque los átomos se rompen o se transforman en otros.
Cómo corregirloLo que se rompe son los enlaces entre átomos. Los átomos siguen siendo los mismos y se unen de otra forma.
ErrorPensar que dos sólidos reaccionan igual de bien que dos disoluciones.
Cómo corregirloEn un sólido las partículas no se desplazan: solo pueden chocar las de la superficie. Al disolverlos, sus partículas se mueven libremente y chocan muchísimo más.

Ejemplos resueltos

Ejemplo 1. La pastilla efervescente situación real
Las pastillas efervescentes (de vitamina C, por ejemplo) contienen, mezclados en polvo y prensados, bicarbonato de sodio y ácido cítrico, dos sólidos que reaccionan entre sí y desprenden dióxido de carbono. Sin embargo, la pastilla puede pasar meses en su tubo sin cambiar; solo burbujea cuando la echas en agua. Explícalo con la teoría de colisiones.

Resolución
- En el tubo, los dos reactivos son sólidos: sus partículas solo vibran en su sitio y no se desplazan. Las partículas de bicarbonato y de ácido cítrico apenas chocan entre sí, así que casi no hay reacción.
- En el agua, los dos sólidos se disuelven: sus partículas se separan y se mueven libremente por el líquido. Ahora chocan constantemente; algunos de esos choques son eficaces y se forma dióxido de carbono, que sale en forma de burbujas.
Conclusión: para que haya reacción, las partículas de los reactivos tienen que poder chocar.
Ejemplo 2. Tres choques entre hidrógeno y cloro modelo de partículas (choques eficaces e ineficaces)
En un recipiente con hidrógeno (○○) y cloro (◆◆) observamos tres choques:
- Choque A: una molécula ○○ roza suavemente a una ◆◆; después siguen siendo ○○ y ◆◆.
- Choque B: una molécula ○○ choca de frente y con fuerza contra una ◆◆; después hay ○◆ y ○◆.
- Choque C: dos moléculas ○○ chocan con fuerza entre sí; después siguen siendo ○○ y ○○.
¿Qué choques son eficaces? ¿Por qué el choque C no puede producir cloruro de hidrógeno?
Resolución
- A: ineficaz. Las moléculas rebotan sin cambiar: el choque ha sido demasiado suave para romper los enlaces.
- B: eficaz. Se rompen los enlaces H–H y Cl–Cl y se forman dos enlaces H–Cl: han aparecido 2 moléculas de cloruro de hidrógeno. Los átomos se conservan: 2 H y 2 Cl antes y después.
- C: ineficaz para esta reacción. Por mucha fuerza que tenga, en el choque solo hay átomos de hidrógeno: no puede formarse $\text{HCl}$ porque no hay ningún átomo de cloro. Para que se forme el producto tienen que chocar partículas de los dos reactivos.
Ejemplo 3. Contar choques en una simulación numérico (simulación)
En una simulación por ordenador de la reacción entre dos gases se cuentan 500 choques entre partículas de los dos reactivos en 10 s, y se forman 15 moléculas de producto. Cada choque eficaz forma una molécula de producto. a) ¿Cuántos choques han sido eficaces? b) ¿Qué porcentaje de choques ha sido eficaz? c) ¿Qué pasa con el resto?

Resolución
a) Si cada choque eficaz forma una molécula de producto, ha habido 15 choques eficaces.

b) $\dfrac{15}{500} \cdot 100 = 3\ \%$ de los choques.

c) El otro 97 % (485 choques) han sido ineficaces: las partículas han rebotado sin reaccionar. Incluso en una reacción que vemos avanzar, la mayoría de los choques no producen nada.

Ejercicios

De menos a más. Intenta cada uno antes de mirar la solución.

1. Fácil
Di si estas frases son verdaderas o falsas y corrige las falsas: a) Para que haya reacción, las partículas de los reactivos tienen que chocar. b) Todos los choques entre partículas de los reactivos producen reacción. c) En un choque eficaz se rompen enlaces y se forman otros nuevos. d) En un choque eficaz desaparecen algunos átomos.

Ver solución
a) V. b) F. c) V. d) F.
a) Verdadera. b) Falsa: solo los choques eficaces (con fuerza suficiente y bien orientados) producen reacción; en los ineficaces las partículas rebotan. c) Verdadera. d) Falsa: los átomos no desaparecen; se rompen enlaces y los mismos átomos se unen de otra forma.
2. Fácil
El nitrógeno (△△) y el oxígeno (●●) reaccionan a alta temperatura y forman monóxido de nitrógeno (△●). Observamos tres choques entre una molécula △△ y una ●●. Después de cada uno hay:
- Choque 1: △△ y ●●
- Choque 2: △● y △●
- Choque 3: △△ y ●●
¿Cuáles son eficaces y cuáles ineficaces? Justifícalo.
Ver solución
Eficaz: el 2. Ineficaces: el 1 y el 3.
- Choques 1 y 3: ineficaces, porque después siguen estando las mismas moléculas: han rebotado sin reaccionar.
- Choque 2: eficaz, porque se han roto los enlaces N–N y O–O y se han formado dos moléculas nuevas de $\text{NO}$ (los átomos se conservan: 2 N y 2 O).
3. Media
La cabeza de una cerilla contiene sustancias que reaccionan con el oxígeno del aire. Sin embargo, las cerillas no arden solas dentro de la caja: solo se encienden al frotarlas contra el rascador. Además, una vez encendida, la cerilla sigue ardiendo sin que la frotes. Explícalo con la teoría de colisiones.
Ver solución
Al frotar se da energía: los choques pasan a ser eficaces. Después, la energía que desprende la propia reacción mantiene los choques eficaces.
- En la caja, las partículas de la cabeza de la cerilla y las del oxígeno sí chocan, pero sus choques son demasiado suaves: son ineficaces y no hay reacción.
- Al frotar, el rozamiento calienta la cabeza de la cerilla y da energía a las partículas: ahora chocan con fuerza suficiente y muchos choques son eficaces. Empieza la reacción.
- La combustión desprende energía (calor y luz), que hace que los choques siguientes también sean eficaces: por eso la llama se mantiene sola.
4. Media
En una simulación de la reacción $\text{A}_2 + \text{B}_2 \rightarrow 2\,\text{AB}$ se cuentan 1200 choques entre moléculas de $\text{A}_2$ y de $\text{B}_2$ en 30 s, y se forman 36 moléculas de $\text{AB}$ . Ten en cuenta que cada choque eficaz forma 2 moléculas de $\text{AB}$ . a) ¿Cuántos choques han sido eficaces? b) ¿Qué porcentaje de los choques ha sido eficaz?

Ver solución
a) 18 choques eficaces. b) 1,5 %.
a) Cada choque eficaz forma 2 moléculas de AB: $\dfrac{36}{2} = 18$ choques eficaces. b) $\dfrac{18}{1200} \cdot 100 = 1{,}5\ \%$ . El 98,5 % de los choques han sido ineficaces.
5. Difícil
En el laboratorio se mezclan en seco dos sólidos blancos en polvo, yoduro de potasio y nitrato de plomo(II): el polvo apenas cambia de color. En cambio, si se echan los dos polvos en un vaso con agua, aparece enseguida un sólido de color amarillo intenso (yoduro de plomo(II)). Explica la diferencia con la teoría de colisiones.
Ver solución
En seco las partículas no se desplazan y apenas chocan; disueltas se mueven libremente, chocan mucho y reaccionan enseguida.
- En seco, los dos reactivos son sólidos: sus partículas solo vibran en su sitio. Solo pueden chocar las pocas partículas que están en contacto en la superficie de los granos de polvo, así que la reacción es casi inapreciable.
- En agua, los dos sólidos se disuelven: sus partículas se separan y se mueven por todo el líquido. Chocan muchísimas veces por segundo, muchos choques son eficaces y el producto amarillo aparece al instante.

Para practicar más

1. Fácil
Explica con tus palabras qué es un choque eficaz y qué es un choque ineficaz. Haz un dibujo con bolas de cada uno para la reacción del hidrógeno (○○) con el cloro (◆◆), que forma cloruro de hidrógeno (○◆).
Ver solución
Eficaz: ○○ + ◆◆ → ○◆ ○◆. Ineficaz: ○○ + ◆◆ → ○○ ◆◆ (rebotan).
- Choque eficaz: las partículas chocan con fuerza suficiente y en la posición adecuada; se rompen sus enlaces y se forman los productos. Dibujo: antes ○○ ◆◆, después ○◆ ○◆.
- Choque ineficaz: las partículas rebotan y siguen siendo las mismas. Dibujo: antes ○○ ◆◆, después ○○ ◆◆ (alejándose).
2. Media
En una simulación se producen 800 choques entre partículas de los reactivos y solo el 2 % son eficaces. Cada choque eficaz forma una molécula de producto. ¿Cuántas moléculas de producto se forman? ¿Cuántos choques han sido ineficaces?

Ver solución
16 moléculas de producto; 784 choques ineficaces.
Choques eficaces: $800 \cdot \dfrac{2}{100} = 16$ , que forman 16 moléculas de producto. Choques ineficaces: $800 - 16 = 784$ .
3. Media
Los tubos de pastillas efervescentes llevan un tapón con una sustancia que absorbe la humedad, y en el prospecto pone: «Cerrar bien el tubo después de cada uso». ¿Por qué es importante que no entre humedad? Explícalo con la teoría de colisiones.

Ver solución
La humedad disolvería un poco los reactivos; sus partículas podrían moverse y chocar, y la pastilla reaccionaría (se estropearía) dentro del tubo.
La pastilla contiene dos reactivos sólidos (bicarbonato de sodio y ácido cítrico) que no reaccionan porque sus partículas no se desplazan y casi no chocan. Si entra humedad, el agua disuelve un poco la superficie de la pastilla: en esa zona las partículas pueden moverse, chocan y reaccionan. La pastilla iría perdiendo reactivos (y su efervescencia) dentro del tubo.
4. Media
Cuando abres el mando de un fogón, el gas butano sale y se mezcla con el oxígeno del aire, pero no arde hasta que acercas la chispa del encendedor. Una vez encendido, el fuego sigue aunque quites el encendedor. a) ¿Por qué no arde el gas solo al mezclarse con el aire? b) ¿Qué aporta la chispa? c) ¿Por qué la llama se mantiene sola?

Ver solución
a) Los choques butano-oxígeno son ineficaces a temperatura ambiente. b) Energía para que los choques sean eficaces. c) La combustión desprende energía que mantiene los choques eficaces.
a) Las moléculas de butano y de oxígeno chocan constantemente, pero a temperatura ambiente sus choques no tienen fuerza suficiente para romper los enlaces: son ineficaces. b) La chispa da energía a las partículas de esa zona: chocan con más fuerza, los choques son eficaces y empieza la reacción. c) La combustión desprende mucha energía, que hace que las moléculas de gas que siguen saliendo choquen también de forma eficaz. Por eso la llama se mantiene sin el encendedor.