Cinética y dinámica química

Cinética y dinámica química
Una parte importante de la química física es el estudio de los mecanismos de reacción; lo que implica conocer el “camino” por el que los sustratos (materiales de partida, reactivos, reactantes) se convierten en los productos en una reacción química. Tiene tres aspectos relacionados a considerar:
1) La velocidad de reacción. Es decir, cómo de rápido los sustratos seconvierten en productos. Normalmente, la velocidad de reacción es directamente proporcional a la concentración de los materiales de partida. La constante de proporcionalidad, denominada constante de velocidad o constante cinética (k), es la característica importante de una reacción química. El área de la química física que determina velocidades de reacción (experimentalmente) es la cinéticaquímica.
2) Energía. Conocer un mecanismo detallado de reacción implica conocer el contenido energético de cada una de las especies químicas. Muy pocas reacciones químicas transcurren en una única etapa y lo habitual es que los sustratos se conviertan en productos a través de varias especies químicas, denominadas intermedios de reacción, que normalmente suelen tener más energía (es decir,termodinámicamente menos estable) que los sustratos o productos. Cada conversión de sustrato en intermedio o de estos en productos transcurre a través de un máximo energético, que es el estado de transición de cada etapa elemental; la diferencia de energía entre cada intermedio y el máximo energético es la energía de activación (Ea) de la etapa elemental. La energía de activación de la reacción global es igual a lamayor energía de activación de las etapas elementales. Con las diversas etapas elementales e intermedios de reacción, el perfil de una reacción (la representación de la energía frente al progreso de la reacción) es un conjunto de montes y valles como se representa en la imagen siguiente.
La Ea es el parámetro termodinámico fundamental para determinar lo fácil o difícil que puede ser una reacciónquímica. Arrenhius postuló que k depende exponencialmente del valor negativo de la energía de activación (Ea), dando lugar a la ecuación de Arrhenius, que ha sido suficientemente probada experimentalmente. Debido a la dependencia inversamente exponencial entre k y Ea, cuanto mayor es Ea, menor es la velocidad de reacción.
A partir de datos cinéticos a diversas temperaturas se puede determinar laenergía de activación de una reacción química. Por métodos espectroscópicos o por cualquier medio indirecto (por ejemplo, “atrapándolos” en reacciones secundarias) se pueden identificar algunos intermedios (cuanto más estable, más fácil se detecta); pero es difícil determinar experimentalmente la existencia de todos los intermedios sintéticos de una reacción. En los últimos tiempos, lainvestigación de mecanismos de reacción ha recibido un impulso considerable de la química computacional, dónde no existe el “inconveniente” de la inestabilidad de una especie química para proceder a su estudio. En  esta aproximación, se postulan posibles intermedios sintéticos y estados de transición de las etapas elementales; y se determinan computacionalmente sus energías y estructuras (geometrías:conectividades, distancias de enlace, ángulos de enlace y ángulos diedros). La metodología computacional permite decidir si la estructura propuesta como estado de transición es realmente un estado de transición y, además, se corresponde con la transformación propuesta.
3) Movimientos de los componentes del átomo.  Para conocer el mecanismo de reacción detallado, es decir a nivel atómico, es necesarioconocer el movimiento de los núcleos y de los electrones. Este era un reto considerado imposible de alcanzar experimentalmente, aunque el proceso se puede modelizar por métodos computacionales. Un avance considerable se consiguió cuando se usaron pulsos láser de duración ultracorta.
Cinética química experimental. El objetivo es determinar la variación de la concentración de sustratos o productos...