5.6 Perfil de energía de una reacción

Pregunta esencial

¿Qué nos dice una colina de energía sobre una reacción?

En el Tema 5.5 aprendiste que las partículas que chocan necesitan energía suficiente para reaccionar. En este tema dibujarás una imagen de esa barrera de energía y verás qué más te puede decir.

El perfil de energía de una reacción

• Un perfil de energía de una reacción muestra cómo cambia la energía potencial mientras los reactivos se convierten en productos.
• El eje x, la coordenada de reacción, es el avance de la reacción del principio al final.
• El eje y es la energía potencial, la energía almacenada en los enlaces.

Los reactivos de la izquierda pasan por encima de la colina para convertirse en los productos de la derecha. La cima de la colina es el estado de transición.

Estado de transición

• En el estado de transición, los enlaces viejos están rotos a medias y los enlaces nuevos están formados a medias (líneas punteadas).
• Es el arreglo de mayor energía a lo largo del camino.
• Dura solo un instante y no se puede aislar. También se llama complejo activado (‡).

Energía de activación

• E_a es la diferencia de energía entre los reactivos y el estado de transición: la altura de la colina, medida desde los reactivos.
• Es la misma energía de activación del modelo de colisiones.
• Colina más alta → menos colisiones logran pasarla → reacción más lenta.

Exotérmica frente a endotérmica

ΔH = energía de los productos − energía de los reactivos.

• Exotérmica (ΔH < 0): los productos están más abajo, así que se libera energía.
• Endotérmica (ΔH > 0): los productos están más arriba, así que se absorbe energía.

Los dos tipos de reacción tienen una colina que subir. Hasta las reacciones exotérmicas necesitan energía de activación para arrancar.

La temperatura y la constante de velocidad

La ecuación de Arrhenius relaciona k con la temperatura y la energía de activación. No vas a hacer cálculos con ella en el examen de AP, pero necesitas entender lo que dice.

k = A exp(−E_a / RT)

• exp(x) significa e elevada a la potencia x. R = 8.314 J/(mol·K), y T está en kelvin.
• T mayor → k mayor → reacción más rápida.
• E_a mayor → k menor → reacción más lenta.
• A está relacionada con qué tan seguido chocan las partículas con la orientación correcta.

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Ejemplos resueltos

Primero intenta resolver cada problema por tu cuenta y luego abre la solución para revisar tu trabajo.

Ejemplo 1: Rotulación de un perfil

¿Qué representa cada flecha (a, b y c)? ¿La reacción es exotérmica o endotérmica?

Mostrar la solución

1. Flecha a: de los reactivos hacia arriba hasta el estado de transición: E_a de la reacción directa.
2. Flecha b: del nivel de los reactivos hacia abajo hasta los productos: ΔH.
3. Flecha c: de los productos hacia arriba hasta el estado de transición: E_a de la reacción inversa.
4. Clasifica: Exotérmica: los productos están más abajo que los reactivos, así que ΔH < 0.

Ejemplo 2: Lectura de valores de energía

Usa el perfil de energía para encontrar E_a de la reacción directa y ΔH.

Mostrar la solución

1. Lee las energías: reactivos = 50 kJ/mol, estado de transición = 150 kJ/mol, productos = 20 kJ/mol.
2. Encuentra la energía de activación: E_a = 150 − 50 = 100 kJ/mol. Mide siempre desde los reactivos, no desde cero.
3. Encuentra ΔH: ΔH = productos − reactivos = 20 − 50 = −30 kJ/mol.
4. Respuesta: E_a = 100 kJ/mol, ΔH = −30 kJ/mol (exotérmica, lo que coincide con que los productos estén más abajo).

Ejemplo 3: Comparación de energías de activación

A la misma temperatura, la reacción 1 tiene E_a = 40 kJ/mol y la reacción 2 tiene E_a = 90 kJ/mol. ¿Cuál reacción es más rápida y por qué?

Mostrar la solución

1. Misma temperatura: las dos tienen la misma distribución de energías de las partículas.
2. Compara las colinas: la reacción 1 tiene la E_a menor (colina más pequeña).
3. Conéctalo con las colisiones: una fracción más grande de las colisiones tiene energía ≥ E_a en la reacción 1.
4. Respuesta: La reacción 1 es más rápida, porque más de sus colisiones tienen energía suficiente para llegar al estado de transición.

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Práctica

La hoja de práctica llegará pronto.

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Diapositivas de la lección

• Diapositivas de 5.6 Perfil de energía de una reacción (PDF) (en inglés)

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Ideas clave

• Un perfil de energía de una reacción muestra la energía a lo largo de la coordenada de reacción.
• La cima de la colina es el estado de transición, donde los enlaces están rotos a medias y formados a medias.
• E_a se mide desde los reactivos hasta el estado de transición. ΔH = productos − reactivos.
• Una temperatura mayor o una E_a menor dan una constante de velocidad mayor.

De vuelta a la pregunta esencial: la altura de la colina te dice qué tan rápido puede avanzar la reacción, y el lugar donde terminan los productos te dice si se libera o se absorbe energía. Colina más pequeña = reacción más rápida. A continuación, el Tema 5.7 Introducción a los mecanismos de reacción, donde verás reacciones que ocurren en una serie de pasos.

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