Reactividad (química)

En química , la reactividad es el impulso por el cual una sustancia química experimenta una reacción química , ya sea por sí misma o con otros materiales, con una liberación global de energía . ^{[ 1 ]}

La reactividad se refiere a:

• las reacciones químicas de una sola sustancia,
• las reacciones químicas de dos o más sustancias que interactúan entre sí,
• el estudio sistemático de conjuntos de reacciones de estos dos tipos,
• metodología que se aplica al estudio de la reactividad de sustancias químicas de todo tipo,
• métodos experimentales que se utilizan para observar estos procesos, y
• teorías para predecir y explicar estos procesos.

La reactividad química de una sola sustancia (reactivo) abarca su comportamiento en el cual:

• se descompone,
• forma nuevas sustancias mediante la adición de átomos de otro reactivo u reactivos, y
• Reacciona con dos o más reactivos para formar dos o más productos.

La reactividad química de una sustancia puede referirse a la variedad de circunstancias (condiciones que incluyen temperatura, presión, presencia de catalizadores) en las que reacciona, en combinación con:

• variedad de sustancias con las que reacciona,
• punto de equilibrio de la reacción (es decir, el grado en que reacciona todo), y
• velocidad de la reacción.

El término reactividad está relacionado con los conceptos de estabilidad química y compatibilidad química .

La «reactividad» es un concepto algo vago en química. Parece englobar tanto factores termodinámicos como cinéticos (es decir, si una sustancia reacciona o no, y con qué rapidez lo hace). En realidad, ambos factores son distintos y suelen depender de la temperatura. Por ejemplo, se suele afirmar que la reactividad de los metales alcalinos ( Na , K , etc.) aumenta al descender en el grupo de la tabla periódica, o que la reactividad del hidrógeno se evidencia por su reacción con el oxígeno. De hecho, la velocidad de reacción de los metales alcalinos (como se demuestra, por ejemplo, por su reacción con el agua) depende no solo de su posición dentro del grupo, sino también del tamaño de las partículas. El hidrógeno no reacciona con el oxígeno —aunque la constante de equilibrio sea muy grande— a menos que una llama inicie la reacción radicalaria, lo que provoca una explosión.

Restringir el término a las velocidades de reacción permite una visión más coherente. La reactividad se refiere entonces a la velocidad a la que una sustancia química tiende a experimentar una reacción química en el tiempo. En compuestos puros , la reactividad está regulada por las propiedades físicas de la muestra. Por ejemplo, moler una muestra hasta obtener una mayor superficie específica aumenta su reactividad. En compuestos impuros, la reactividad también se ve afectada por la presencia de contaminantes. En compuestos cristalinos , la forma cristalina también puede influir en la reactividad. Sin embargo, en todos los casos, la reactividad se debe principalmente a las propiedades subatómicas del compuesto.

Si bien es común afirmar que "la sustancia X es reactiva", cada sustancia reacciona con su propio conjunto de reactivos. Por ejemplo, la afirmación de que "el sodio metálico es reactivo" sugiere que el sodio reacciona con muchos reactivos comunes (incluidos el oxígeno puro, el cloro, el ácido clorhídrico y el agua), ya sea a temperatura ambiente o al usar un mechero Bunsen .

El concepto de estabilidad no debe confundirse con el de reactividad. Por ejemplo, una molécula aislada de oxígeno en estado excitado electrónicamente emite luz espontáneamente tras un periodo estadísticamente definido. ^{[ 2 ]} La vida media de dicha especie es otra manifestación de su estabilidad, pero su reactividad solo puede determinarse mediante sus reacciones con otras especies.

El segundo significado de reactividad (es decir, si una sustancia reacciona o no) puede explicarse a nivel atómico y molecular mediante la teoría del enlace de valencia, más antigua y sencilla, y también mediante la teoría de los orbitales atómicos y moleculares. Termodinámicamente, una reacción química se produce porque los productos (considerados en conjunto) tienen una energía libre menor que los reactivos; este estado de menor energía se denomina "estado más estable". La química cuántica proporciona la comprensión más profunda y precisa de la razón por la que esto ocurre. Generalmente, los electrones existen en orbitales que resultan de resolver la ecuación de Schrödinger para situaciones específicas.

En igualdad de condiciones (valores de los números cuánticos n y m _l ), el orden de estabilidad de los electrones en un sistema, de menor a mayor, es:

• no apareados y sin otros electrones en orbitales similares,
• no apareados y con todos los orbitales degenerados semillenos,
• (y el más estable es) un conjunto completo de orbitales.

Para alcanzar uno de estos niveles de estabilidad, un átomo reacciona con otro átomo para estabilizar a ambos. Por ejemplo, un átomo de hidrógeno solitario tiene un solo electrón en su orbital 1s. Se vuelve significativamente más estable (hasta 100 kilocalorías por mol , o 420 kilojulios por mol ) cuando reacciona para formar _H₂ .

Es por esta misma razón que el carbono casi siempre forma cuatro enlaces . Su configuración electrónica de valencia en estado fundamental es ^2s²2p² , con los orbitales semillenos. Sin embargo, la energía ^de activación para pasar de orbitales p semillenos a orbitales p completamente llenos es insignificante, por lo que el carbono los forma casi instantáneamente. Mientras tanto, el proceso libera una cantidad significativa de energía ( exotérmico ). Esta configuración de cuatro enlaces iguales se denomina hibridación ^sp³ .

Los tres párrafos anteriores explican, aunque de forma muy general, las reacciones de algunas especies comunes, en particular los átomos. Un enfoque para generalizar lo anterior es el modelo de tensión de activación ^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]} de la reactividad química, que establece una relación causal entre la rigidez de los reactivos, su estructura electrónica y la altura de la barrera de reacción.

La velocidad de cualquier reacción dada:

${\displaystyle {\ce {Reactivos -> Productos}}}$

se rige por la ley de tasas :

${\displaystyle {\text{Tasa}}=k\cdot [{\ce {A}}]}$

donde la velocidad es el cambio en la concentración molar en un segundo en la etapa determinante de la velocidad de la reacción (la etapa más lenta), [A] es el producto de la concentración molar de todos los reactivos elevados al orden correcto (conocido como orden de reacción), y k es la constante de reacción, que es constante para un conjunto dado de circunstancias (generalmente temperatura y presión) e independiente de la concentración. La reactividad de un compuesto es directamente proporcional tanto al valor de k como a la velocidad. Por ejemplo, si

${\displaystyle {\ce {A + B -> C + D}}}$,

entonces

${\displaystyle {\text{Tasa}}=k\cdot [{\ce {A}}]^{n}\cdot [{\ce {B}}]^{m}}$

donde n es el orden de reacción de A , m es el orden de reacción de B , n + m es el orden de reacción de la reacción completa y k es la constante de reacción.

• Actividad termodinámica
• Catálisis
• Serie de reactividad
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• Teoría del estado de transición
• teoría de Marcos
• ecuación de Klopman-Salem