Diagramas de energía potencial

Pregunta esencial

¿Cómo cambia la energía durante una reacción?

La termoquímica es el estudio de la energía y el calor en las reacciones químicas. Un diagrama de energía potencial, o diagrama EP, es una gráfica que muestra cómo cambia la energía almacenada de una reacción del principio al final. Al terminar esta lección, deberías poder leer un diagrama EP, decir si una reacción es exotérmica o endotérmica, encontrar ΔH y la energía de activación (E_a), y explicar qué hace un catalizador.

Qué muestra un diagrama EP

• Sigue la energía almacenada
• Se lee de izquierda a derecha

La energía potencial es energía almacenada, y en química es la energía almacenada en los enlaces entre los átomos. El eje y de un diagrama EP es la energía potencial en kilojoules (kJ), así que más arriba en la gráfica significa más energía almacenada. El eje x es el avance de la reacción, que funciona como una línea del tiempo: la reacción empieza a la izquierda y termina a la derecha. La línea plana de la izquierda es la energía de los reactivos, la línea plana de la derecha es la energía de los productos, y la loma del medio es lo que pasa en el camino.

Reacciones exotérmicas

• Los productos quedan más abajo
• ΔH es negativo (−)
• Se libera calor

Una reacción exotérmica desprende calor. Exo significa hacia afuera, así que el calor sale de la reacción y pasa al entorno, como el calor que sientes de una fogata o de una bolsa calentadora para las manos. En un diagrama EP, una reacción exotérmica termina más abajo de donde empezó, porque los productos tienen menos energía almacenada que los reactivos. La flecha roja muestra ese cambio de energía, llamado ΔH (el cambio de entalpía, o calor de reacción). Como el sistema perdió energía, ΔH es negativo en toda reacción exotérmica: ΔH negativo, productos más abajo y calor liberado siempre van juntos.

Reacciones endotérmicas

• Los productos quedan más arriba
• ΔH es positivo (+)
• Se absorbe calor

Una reacción endotérmica absorbe calor. Endo significa hacia adentro, así que el calor entra a la reacción desde el entorno. Una compresa fría instantánea es un buen ejemplo: la reacción le quita calor a tu mano, por eso se siente fría. En un diagrama EP, una reacción endotérmica termina más arriba de donde empezó, porque los productos tienen más energía almacenada que los reactivos. Esa energía extra se absorbió como calor, así que ΔH es positivo. En esta unidad, el rojo se usa para lo exotérmico y el azul para lo endotérmico, para ayudarte a no confundirlos.

Energía de activación

• E_a: energía necesaria para empezar
• De los reactivos a la cima

Incluso una reacción exotérmica, que termina cuesta abajo, tiene que subir primero. Para reaccionar, las partículas deben chocar con la fuerza suficiente para romper sus enlaces anteriores, y eso requiere energía, igual que hay que empujar una roca grande cuesta arriba antes de que pueda rodar por el otro lado. La energía necesaria para que una reacción arranque es la energía de activación, E_a. Siempre se mide desde la línea de los reactivos hasta la cima (E_a = cima − reactivos), no desde el fondo de la gráfica y no desde los productos. Una loma alta significa una energía de activación grande y una reacción lenta, mientras que una loma baja significa que la reacción puede ir más rápido.

Complejo activado

• La cima inestable de la loma
• También: estado de transición
• Los enlaces se rompen y se forman

El arreglo de átomos justo en la cima de la loma se llama complejo activado, también conocido como estado de transición. Tiene la energía potencial más alta de todo el diagrama, así que es muy inestable y dura solo una pequeñísima fracción de segundo. Sigue a los átomos: a la izquierda, A está enlazado con B y C está solo, y a la derecha, B está enlazado con C y A está solo. En la cima, el antiguo enlace A–B está parcialmente roto y el nuevo enlace B–C está parcialmente formado, como muestran las líneas punteadas. Desde ahí, el complejo activado puede caer hacia adelante y formar productos, o caer hacia atrás y volver a ser reactivos.

Cómo encontrar ΔH en un diagrama

• ΔH = EP_productos − EP_reactivos
• Lee cada línea plana
• Signo: exo o endo

Cualquier cambio es final menos inicial. En un diagrama EP, los productos son el estado final y los reactivos son el estado inicial, así que ΔH es igual a la energía de los productos menos la energía de los reactivos. En este diagrama, sigue cada línea plana hasta el eje y: los reactivos están en 40 kJ y los productos están en 80 kJ, así que ΔH = 80 kJ − 40 kJ = +40 kJ. El signo positivo significa que los productos están más arriba, así que esta reacción es endotérmica, y una respuesta negativa significaría exotérmica. La cima no importa para nada en ΔH. Solo importan las dos líneas planas.

Efecto de un catalizador

• Catalizador: baja la E_a
• La reacción va más rápido
• Mismo ΔH, mismas líneas planas

Un catalizador es una sustancia que acelera una reacción sin gastarse. Las enzimas de tu cuerpo y el convertidor catalítico de un coche son catalizadores. La curva negra es la reacción sin catalizador, y la curva verde punteada es la misma reacción con uno: el catalizador le da a la reacción un camino más fácil con una loma más baja, así que la energía de activación es menor y más colisiones tienen energía suficiente para reaccionar. El catalizador no cambia los reactivos ni los productos, así que las dos líneas planas se quedan en el mismo lugar y ΔH sigue igual. Un catalizador cambia la loma, no el principio ni el final.

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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: Cómo leer un diagrama EP

Usa el diagrama EP para contestar (a), (b) y (c).
(a) Encuentra ΔH.
(b) Encuentra E_a.
(c) ¿Exotérmica o endotérmica?

Mostrar la solución

1. Lee el diagrama: reactivos = 50 kJ, cima = 110 kJ, productos = 20 kJ (cada línea de la cuadrícula son 10 kJ)
2. Fórmula de ΔH: ΔH = EP_productos − EP_reactivos
3. Sustituye: ΔH = 20 kJ − 50 kJ = −30 kJ (conserva el signo negativo)
4. Fórmula de E_a: E_a = EP_cima − EP_reactivos
5. Sustituye: E_a = 110 kJ − 50 kJ = 60 kJ (E_a siempre es positiva, porque la cima está arriba de los reactivos)
6. Clasifica: ΔH < 0 y los productos están más abajo que los reactivos, así que se liberó energía
7. Respuesta: (a) ΔH = −30 kJ, (b) E_a = 60 kJ, (c) exotérmica

Ejemplo 2: Dibuja un diagrama EP

Dibuja un diagrama EP de una reacción con reactivos en 25 kJ, ΔH = +50 kJ y E_a = 100 kJ.

Mostrar la solución

1. Datos: reactivos = 25 kJ, ΔH = +50 kJ, E_a = 100 kJ
2. Encuentra los productos: productos = reactivos + ΔH = 25 kJ + 50 kJ = 75 kJ
3. Encuentra la cima: cima = reactivos + E_a = 25 kJ + 100 kJ = 125 kJ (no 100 kJ, porque E_a empieza en la línea de los reactivos, no en cero)
4. Dibuja la curva: una línea plana en 25 kJ a la izquierda, una loma suave hasta 125 kJ en el medio y una línea plana en 75 kJ a la derecha, con las etiquetas Reactivos, Complejo activado y Productos
5. Pon las etiquetas a las flechas: una flecha de 25 kJ hacia arriba hasta la cima con la etiqueta E_a = 100 kJ, y una flecha de 25 kJ hacia arriba hasta 75 kJ con la etiqueta ΔH = +50 kJ (las dos empiezan en la línea de los reactivos)
6. Clasifica: los productos están más arriba que los reactivos y ΔH es positivo, así que la reacción absorbe calor
7. Respuesta: reactivos en 25 kJ, cima en 125 kJ, productos en 75 kJ; endotérmica

Ejemplo 3: ¿Con catalizador o sin catalizador?

Las curvas A y B muestran la misma reacción.
(a) ¿Cuál curva tiene catalizador?
(b) Encuentra E_a de cada curva.
(c) Encuentra ΔH de cada curva.

Mostrar la solución

1. Lee el diagrama: reactivos = 40 kJ, productos = 10 kJ, cima de A = 120 kJ, cima de B = 80 kJ
2. Curva con catalizador: un catalizador baja la energía de activación y da una loma más corta, y la curva B tiene la cima más baja, así que B tiene catalizador
3. E_a de A: E_a(A) = 120 kJ − 40 kJ = 80 kJ
4. E_a de B: E_a(B) = 80 kJ − 40 kJ = 40 kJ (la curva B tiene su cima en 80 kJ, pero su energía de activación es 40 kJ)
5. ΔH: las dos curvas comparten las mismas líneas de reactivos y de productos, así que ΔH = 10 kJ − 40 kJ = −30 kJ en las dos
6. Respuesta: (a) la curva B, (b) E_a(A) = 80 kJ y E_a(B) = 40 kJ, (c) ΔH = −30 kJ en las dos (el catalizador redujo E_a a la mitad pero no cambió ΔH, y la reacción es exotérmica de cualquier forma)

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Práctica

La hoja de práctica llegará pronto.

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Diapositivas de la lección

• Diapositivas de Diagramas de energía potencial (PDF) (en inglés)

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Ideas clave

• Los diagramas EP siguen la energía de los reactivos a los productos
• Exotérmica: ΔH < 0; endotérmica: ΔH > 0
• ΔH = productos − reactivos
• E_a = cima − reactivos; un catalizador baja la E_a

De vuelta a la pregunta esencial: durante una reacción, la energía primero sube una loma (la energía de activación) para llegar al complejo activado, y luego baja hasta los productos. Si los productos quedan más abajo, se libera calor (exotérmica, ΔH < 0), y si quedan más arriba, se absorbe calor (endotérmica, ΔH > 0). A continuación: Cálculos de calor.

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