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En este artículo trataremos la energía de activación, que es esa metafórica colina que todas las reacciones tienen que escalar.
- Este artículo trata sobre la energía de activación .
- En primer lugar, veremos por qué es importante la energía de activación.
- A continuación, trataremos la ecuación de Arrhenius.
- A continuación, veremos las unidades de las variables de la ecuación de Arrhenius.
- Por último, veremos las gráficas de la energía de activación y aprenderemos a leerlas.
Definición de energía de activación
Antes de entrar en materia, veamos primero la definición de nuestro tema: energía de activación.
La energía de activación es la cantidad mínima de energía total necesaria para que se produzca una reacción.
La cantidad de energía necesaria depende de si una reacción es endotérmica o exotérmica
Una reacción endotérmica es cualquier reacción que requiera una adición de energía para producirse. Se trata de una absorción neta de calor.
Una reacción exotérmica es cualquier reacción que libera calor; sin embargo, sigue necesitando calor para producirse.
Para las reacciones endotérmicas, puedes pensar en la energía de activación como en la electricidad necesaria para alimentar una tostadora. Una tostadora puede necesitar una toma de corriente capaz de 1200 vatios, del mismo modo que una reacción endotérmica puede necesitar 100 julios de energía para completarse. La tostadora no libera energía, sólo la absorbe.En una reacción exotérmica, la reacción libera más energía de la que requiere (es decir, la energía de activación).
Un buen ejemplo es encender una cerilla. Encender una cerilla proporciona al sistema la energía inicial que necesita para encenderse, y el calor liberado es mucho mayor que el que necesitó para encenderla.
La energía de activación es la energía necesaria para romper los enlaces de los reactivos que impiden que se produzca la reacción; algunos enlaces son más fuertes que otros, por lo que se necesita más energía para romperlos. Por eso todas las reacciones requieren una energía de activación. Laformación de enlaces es lo que libera energía. Si los enlaces de los productos son más fuertes que los de los reactantes, se produce una liberación neta de calor (reacción exotérmica). Si estos enlaces son más débiles, y por tanto menos estables, entonces la reacción es una ganancia neta de calor (reacción endotérmica).
Pista: Aunque la energía de activación es sólo la cantidad de energía necesaria para completar una reacción, una reacción puede utilizar una cantidad de energía en exceso que puede ayudar a acelerar una reacción. Piensa en el agua hirviendo: no pones la estufa a 100 °C para llevar el agua a 100 °C, sino que utilizas una temperatura más alta para llevar el agua a 100 °C más rápidamente.
Importancia de la energía de activación
Entonces, ¿por qué es importante la energía de activación en Química? Como se ha explicado en la introducción, la energía de activación es la colina que tienen que escalar las reacciones para producirse. Es muy importante saber cuánta energía se necesitará, ¡o de lo contrario tu reacción podría no producirse nunca!
Vuelve a tomar como ejemplo el agua hirviendo. Si pones tu estufa a 90 °C, el agua nunca hervirá. Si, en cambio, utilizaras un mechero Bunsen para calentar un matraz con reactivos, tu reacción tampoco se produciría nunca. Conocer la energía de activación es fundamental para que las reacciones siquiera se produzcan en primer lugar.
Fórmula de la energía de activación
Cuando calculamos la energía de activación, utilizamos la ecuación de Arrhenius :
La ecuación de Arrhenius muestra cómo la velocidad de una reacción depende de su energía de activación, temperatura y factor de frecuencia $$k=Ae^{\frac{-E_A}{RT}}$$
Donde A es el factor de frecuencia (constante) que es la fracción de colisiones de moléculas que producen una reacción
EA es la energía de activación
R es la constante de los gases, que es 8,314 J/mol*K (pero puede tener valores diferentes según las unidades utilizadas)
T es la temperatura
k es la constante de velocidad que mide la velocidad relativa de una reacción
Hay otra forma de esta ecuación que utilizamos: $$ln(k)=\frac{-E_A}{RT}+ln(A)$$
¿Te resulta familiar? Ésta es la ecuación de una recta: $$y=mx+b$$
La fórmula se establece de este modo, para que podamos determinar fácilmente la energía de activación. Cuando se representa gráficamente la temperatura inversa (1/T) en función de ln(k), la pendiente (m) de la gráfica será \(\frac{-E_A}{R}\), por lo que podemos resolverla fácilmente.
Unidades de energía de activación
Por último, echemos un breve vistazo a las unidades relevantes:
La energía deactivación se mide generalmente en julios por mol (J/mol)
Latemperatura se mide en Kelvin (K)
R es nuestra constante de los gases, y hay varias constantes con diferentes unidades. Como la temperatura suele medirse en Kelvin y la energía de activación suele medirse en Julios/mol, normalmente utilizaremos la constante gaseosa de 8,314 \(\frac{J}{molK}\) que anulará nuestras otras unidades.
k es la constante de velocidad y sus unidades dependen de nuestro orden de reacción. Una reacción de orden cero utiliza unidades de M/s, una reacción de primer orden utiliza unidades de 1/s, una reacción de segundo orden utiliza unidades de 1/M*s, y así sucesivamente. Las unidades que utilices dependerán de la reacción que se esté estudiando.
La letra A de la ecuación de Arrhenius es también una constante y tendrá unidades idénticas a la constante de velocidad.
Gráfica de la energía de activación
Hay dos tipos de gráficos que verás normalmente al hablar de la energía de activación. El primero es un diagrama de energía.
Un diagrama de energía muestra el cambio de energía durante una reacción al pasar de reactivos a productos.
Aquí tienes un ejemplo de los dos siguientes:
Diagramas de energía para reacciones exotérmicas y endotérmicas.StudySmarter Original
La energía de activación se mide desde los reactantes hasta el pico del gráfico. Si la energía de activación es la "colina" que tenemos que subir para llegar al otro lado, entonces el diagrama energético es su "camino energético". La energía de activación de una reacción endotérmica (derecha) es mucho mayor que la de una reacción exotérmica (izquierda).
Esto se debe a que, en una reacción endotérmica, los productos tienen mayor energía que los reactantes, y los sistemas siempre quieren tener la menor energía posible. Por eso es necesario añadir energía/calor al sistema para que se produzcan reacciones endotérmicas.
La energía de activación puede reducirse si se añade un catalizador.
Un catalizador es una especie que la reacción utiliza (pero no consume) para reducir la energía de activación.
Un diagrama de este fenómeno tiene el siguiente aspecto:
Lacurva superior (en morado) muestra la reacción original, mientras que la curva inferior (en verde) muestra la reacción con un catalizador. Como puedes ver, el catalizador reduce considerablemente la energía de activación. Lo hace proporcionando a la reacción un camino diferente que seguir. Es similar a tomar una ruta diferente para llegar antes a tu destino.El segundo tipo de gráfico es el trazado de 1/T frente a ln(k). He aquí algunos datos de ejemplo:
Gráfica de la ecuación de Arrhenius. StudySmarter Original.
Como vimos antes, la pendiente de esta gráfica es igual a \(\frac{-E_A}{R}\}), por lo que podemos calcular fácilmente la energía de activación a partir de estos datos:
Dado el gráfico anterior, ¿cuál es la energía de activación de la reacción?
En primer lugar, podemos utilizar la ecuación de la recta para determinar la pendiente:
\(y=-22333x+25,3\)
\(y=mx+b\)
\(m=-22333\)
Ahora podemos resolver la energía de activación
\(m=\frac{-E_A}{R}\)
\(-22333 K=\frac{-E_A}{R})
\(-22333 K=\frac{-E_A}{\frac{8.314\,J}{molK}}\)
\(E_A=185,677\,\frac{J}{mol}\,\,\text{or}\,\,E_A=186\frac{kJ}{mol}\)
También podemos calcular la energía de activación utilizando dos puntos de datos. Así es como lo haríamos
Se realizó una reacción a dos temperaturas y se registró la constante de velocidad. Se midieron los siguientes datos: ln(k) = -0,693 para 1/T = 0,00336 K-1, y ln(k) = 0,182 para 1/T = 0,00251 K-1. ¿Cuál es la energía de activación de esta reacción?
Podemos utilizar la ecuación de la pendiente para calcular la energía de activación: $$m=\frac{y_2-y_1}{x_2-x_1}$$.
Sólo tenemos que sustituir nuestros valores y resolverEA
\((x_1,y_1)=(0.00336\,K^{-1},-0.693)\)
\((x_2,y_2=(0.00251\,K^{-1},0.182)\)
\(\frac{-E_A}{R}=\frac{0.182+0.693}{0.00251\,K^{-1}-0.00336\,K^{-1}}\)
\(\frac{-E_A}{R}=-1,029\,K\)
\(E_A=(-1,029K)(-8.314\frac{J}{molK})\)
\(E_A=8,559\frac{J}{mol}\,\,\text{or}\,\,E_A=8.56\frac{kJ}{mol}\)
Energía de activación - Puntos clave
- La energía deactivación es la cantidad mínima de energía total necesaria para completar una reacción.
- La ecuación de Arrhenius muestra cómo la velocidad de una reacción depende de su energía de activación, la temperatura y el factor de frecuencia $$k=Ae^{\frac{-E_A}{RT}}$$.
- Un diagrama energético muestra el cambio de energía durante una reacción al pasar de reactivos a productos.
- Un catalizador es una especie que la reacción utiliza (pero no consume) para reducir la energía de activación.
Para el gráfico se utiliza la otra forma de la ecuación de Arrhenius, que es $$ln(k)=\frac{-E_A}{RT}+ln(A)$$
Cuando se representa gráficamente ln(k) frente a 1/T, la pendiente es igual a \(\frac{-E_A}{R}\)
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