Historia de la cantidad de reacción

[Estequiometría] Sección 2. Conceptos clave. [Reactivo limitante] [Rendimiento] Otros conceptos. [Avance de la reacción] [Reactores químicos]

 

El concepto de avance de la reacción: una idea fundamental, invisibilizada hasta la fisicoquímica avanzada

El avance de la reacción, también conocido como cantidad de reacción, es una herramienta fundamental para describir con precisión lo que ocurre en una transformación química. Aunque se introdujo en el contexto de la termodinámica de procesos irreversibles, su uso es cotidiano desde los primeros ejercicios de química general, aunque raramente se mencione explícitamente. En la mayoría de los cursos básicos, este concepto queda oculto tras el uso automático de relaciones estequiométricas, sin explicar que, en esencia, estamos contando cuántas veces ocurre una reacción química completa.

La idea es poderosa por su simplicidad: mediante una variable, representada habitualmente por ξ (xi), podemos determinar cuántos moles de cada sustancia han reaccionado o se han generado. Basta con multiplicar esta variable por los coeficientes estequiométricos de la ecuación para conocer la magnitud del cambio químico en el sistema. Así, cuando calculamos productos a partir de cantidades dadas de reactivos, estamos aplicando el concepto de cantidad de reacción de forma implícita.

Figura 1. La foto del Congreso de Fotones y Electrones de Solvay de 1927 es icónica en la historia de la ciencia universal y del siglo XX por varias razones fundamentales.

Históricamente, esta herramienta surgió en un momento en que no se aceptaba universalmente la existencia de átomos y moléculas. Durante las primeras décadas del siglo XX, incluso algunos referentes de la química física rechazaban la idea del mundo molecular como una realidad tangible. En ese entorno, hablar de una "cantidad de reacción" parecía innecesario o incluso fantasioso. Solo con la consolidación de la teoría atómica y molecular se volvió evidente la necesidad de contar reacciones como entidades discretas, lo que permitió vincular con mayor rigor la termodinámica, la cinética y la química de equilibrio.

Este cambio de paradigma fue paralelo a la revolución científica del siglo XX, en la que se redefinieron muchas nociones básicas de la materia. La introducción de ξ no fue un capricho matemático, sino una respuesta a la necesidad de medir con claridad cuánto progresa una reacción, independientemente del componente que se observe.

Desde el punto de vista pedagógico, ignorar el avance de la reacción limita la comprensión profunda de muchos temas. Por ejemplo, al trabajar con reactivos limitantes, lo que realmente buscamos es cuál de ellos permite una menor cantidad de reacción. Al calcular rendimientos de reacción, comparamos la cantidad real de reacciones que ocurrieron (producto experimental) con la cantidad máxima posible (producto teórico), lo que equivale a medir el valor alcanzado de ξ.

Aunque surgió en la química avanzada, este concepto actúa como un puente entre el mundo microscópico, donde se reorganizan átomos, y el mundo macroscópico, donde medimos masas, volúmenes y energías. Tiene, por tanto, un valor tanto epistemológico como didáctico. Ayuda a evitar confusiones comunes, como la diferencia entre moles de sustancia y moles de reacción, o entre el cambio individual en cada componente y el cambio global del sistema.

Con el tiempo, la aparición de ξ como variable formal permitió unificar criterios y dar mayor precisión a los cálculos. La química física moderna adoptó este lenguaje para clarificar lo que antes se trataba de forma ambigua o empírica. La formalización del avance de la reacción contribuyó a que los conceptos fundamentales fueran consistentes y comparables a nivel internacional.

En definitiva, el avance de la reacción no es un contenido avanzado que pueda ignorarse en los niveles iniciales, sino una base silenciosa que estructura gran parte del pensamiento químico. Reconocerlo como tal enriquece la comprensión, permite integrar los distintos niveles de análisis y abre el camino a una enseñanza más coherente, precisa y conectada con la naturaleza real de los procesos químicos.

El concepto de avance de la reacción fue introducido por el físico y matemático belga Théophile de Donder a principios del siglo XX, en el marco de su trabajo sobre la termodinámica de procesos irreversibles. De Donder fue uno de los primeros científicos en buscar una formulación rigurosa que conectara la dinámica molecular con los principios de la termodinámica clásica, en particular con la segunda ley, que establece la dirección natural de los procesos. Su preocupación era entender no solo el estado de equilibrio, sino también cómo los sistemas químicos se aproximan a él. En ese contexto, necesitaba una variable que permitiera cuantificar el grado de avance de una transformación química, independientemente de las concentraciones individuales.

De Donder formuló entonces una función matemática que, al variar, indicaba el progreso neto de una reacción química. Esta variable, que más tarde se simbolizó como ξ, se convirtió en el corazón de su formulación de la afinidad química, un concepto análogo al de fuerza impulsora de una reacción. En lugar de analizar los cambios sustancia por sustancia, propuso estudiar el sistema como un todo, describiendo el avance de la reacción como un parámetro único que afectaba simultáneamente a todos los componentes según sus coeficientes estequiométricos. Esta visión permitió expresar de manera compacta las leyes de la termodinámica aplicadas a sistemas reaccionantes, y fue clave para el desarrollo posterior de modelos cinéticos y de equilibrio.

El trabajo de De Donder, aunque inicialmente poco conocido fuera del ámbito académico europeo, fue fundamental para sentar las bases de la fisicoquímica moderna. Fue un pionero en tratar a los procesos químicos como sistemas dinámicos gobernados por leyes universales, y no como conjuntos de reacciones independientes. Su enfoque unificó la descripción de fenómenos tan diversos como la difusión, la transferencia de calor y las reacciones químicas bajo una misma estructura teórica. Con el tiempo, sus ideas influyeron en el desarrollo de la termodinámica de no equilibrio, campo que más adelante sería ampliado por figuras como Ilya Prigogine. Así, el avance de la reacción no nació como un artificio didáctico, sino como una necesidad profunda de la ciencia para describir con precisión la evolución de los sistemas químicos complejos.

Referencias.

Baeza Baeza, J. J., & García Álvarez-Coque, M. C. (2014). Extent of reaction balances. A convenient tool to study chemical equilibria.

Brown, T. L., LeMay, H. E. J., Bursten, B. E., Murphy, C. J., Woodward, P., & Stoltzfus, M. W. (2015). Chemistry the Central Science.

Brown, T. L., LeMay, H. E. J., Bursten, B. E., Murphy, C. J., Woodward, P., Stoltzfus, M. W., & Lufaso, M. W. (2022). Chemistry, the central science (15th ed.). Pearson.

Chang, R. (2010). Chemistry (10th ed.). McGraw-Hill New York.

Chang, R., & Overby, J. (2021). Chemistry (14th ed.). McGraw-Hill.

da Silva, D. J. (2017). The basis of the limiting reagent concept, its identification and applications. World Journal of Chemical Education, 5(1), 1-8.

De Donder, T., & Van Rysselberghe, P. (1936). Thermodynamic theory of affinity (Vol. 1). Stanford university press.

García García, J. L. (2020). El álgebra de la estequiometría. Educación química, 31(1), 138-150.

García García, J. L. (2021). Hacia un equilibrio químico verdaderamente analítico. Educación química, 32(1), 133-146.

Garst, J. F. (1974). The extent of reaction as a unifying basis for stoichiometry in elementary chemistry. Journal of Chemical Education, 51(3), 194.

Matamala, M., & González Tejerina, P. (1975). Química (1ª ed.). Bogotá: Ediciones Cultural.

Moretti, G. (2015). The “extent of reaction”: a powerful concept to study chemical transformations at the first-year general chemistry courses. Foundations of Chemistry, 17(2), 107-115.

Mousavi, A. (2018). Stoichiometry of equations through the Inverse de Donder relation. Chemistry Teacher International, 1(1). Retrieved from https://www.degruyter.com/document/doi/10.1515/cti-2018-0006/html

Mousavi, A. (2019). Stoichiometry of equations through the Inverse de Donder relation. Chemistry Teacher International, 1(1), 20180006.

Schmitz, G. (2005). What is a reaction rate?. Journal of chemical education, 82(7), 1091.

Seager, S. L., Slabaugh, M. M., & Hansen, M. M. (2022). Chemistry for Today (10th ed.). Cengage Learning.

Smith, W. R., & Missen, R. W. (1979). What is chemical stoichiometry?. Chemical Engineering Education, 13(1), 26-32.

SOLAZ, J. J., & Quilez, J. (2001). Changes of extent of reaction in open chemical equilibria. Chemistry Education Research and Practice, 2(3), 303-312.

Vandezande, J. E., Vander Griend, D. A., & DeKock, R. L. (2013). Reaction extrema: Extent of reaction in general chemistry. Journal of Chemical Education, 90(9), 1177-1179.

Zumdahl, S. S., Zumdahl, S. A., DeCoste, D. J., & Adams, G. (2018). Chemistry (10th ed.). Cengage Learning..