Perfil de Energía

El perfil energético de una reacción

Una reacción química implica una transferencia de energía a medida que los reactivos se convierten en productos. Ilustraremos esta idea mediante un diagrama de perfil energético.

Un sistema siempre quiere ser lo más estable y de baja energía posible, por eso las especies de alta energía potencial son muy reactivas e inestables. Otra forma de verlo es que la energía potencial es cuánta energía se necesita para mantener unida una molécula. A medida que avanzamos por el camino de la reacción, siempre hay una "colina" que tenemos que salvar, llamada energía de activación.

Incluso cuando los reactantes tienen mayor energía, sigue habiendo una colina que superar. Esto se debe a que se necesita energía para romper los enlaces químicos. La creación de enlaces es lo que libera energía. Por esta razón, la forma de un diagrama de energía siempre será una colina, pero la "inclinación" de la colina y la longitud de la parte "cuesta abajo" dependen de la energía de los reactantes y los productos. En este artículo veremos los distintos tipos de diagramas de energía y aprenderemos a interpretarlos.

Diagrama del perfil energético de una reacción exotérmica y endotérmica

Un perfil energético muestra cómo cambia la energía de un sistema a medida que progresa la reacción. Es sinónimo de diagrama energético/diagrama de perfil energético.

Como ya se ha dicho, el diagrama de perfil energético sigue el cambio en la energía potencial. El eje y es la energía potencial y el eje x es la coordenada de reacción/progreso de la reacción. Esto representa el progreso de la reacción desde los reactantes hasta los productos. Los reactivos están marcados a la izquierda y los productos a la derecha. Para tener una idea más clara, recorreremos los distintos tipos de diagramas de energía.

Observando un diagrama de energía, podemos determinar si una reacción es exotérmica o endotérmica.

A continuación se muestran los diagramas de estos tipos de reacciones:

En una reacción exotérmica (izquierda), la reacción tiene una energía de activación menor , ya que el sistema pasa a un estado más estable. En una reacción endotérmica (derecha) se necesita más energía, ya que el sistema pasa a un estado menos estable.StudySmarter Original

Vamos a desglosar las distintas piezas. La primera es la energía de activación (_EA). La "colina" es mucho más alta para una reacción endotérmica, ya que esta reacción está termodinámicamente desfavorecida (es decir, el sistema se vuelve menos estable), mientras que es mucho más baja para la reacción exotérmica termodinámicamente favorecida. La energía de activación se mide desde el nivel de energía de los reactantes hasta el "pico" de la curva.

La segunda pieza es la diferencia de energía potencial (ΔE). Si ΔE>0, la reacción es endotérmica, ya que la energía potencial del sistema aumenta, mientras que una ΔE negativa es exotérmica por la razón contraria. Medimos este cambio donde _Einitial es la energía de los reactantes y_Efinal es la energía de los productos.

La diferencia de energía entre las reacciones también puede mostrarse como un cambio en la entalpía (ΔH). La entalpía es la parte de la energía potencial que puede convertirse en energía calorífica. Los signos para el cambio en la entalpía son los mismos que para el cambio en la energía potencial. Esto también tiene sentido, ya que una reacción exotérmica (que literalmente significa "calor exterior") está liberando calor, por lo que su energía calorífica está disminuyendo (ΔH < 0). Sin embargo, una reacción endotérmica ("calor interior") está ganando calor, por lo que su energía calorífica está aumentando (ΔH > 0). La última sección importante es el estado de transición .

$$[XY-Z]$$

Entonces

$$XY + Z \rightarrow [XY-Z] \rightarrow XZ + Y$$

La reacción está subiendo por esa colina para que los reactantes puedan reaccionar y producir productos. Este "pico" es cuando por fin han conseguido la energía suficiente para provocar una reacción. A continuación, la energía disminuye porque es el punto en el que se forman los enlaces, que liberan energía. La energía también disminuye porque el estado de transición se descompone en productos.

Perfil energético del catalizador

Otro tipo de perfil energético es el de las reacciones con un catalizador.

Un catalizador acelera una reacción reduciendo la energía de activación necesaria para que se produzca. Lo hace proporcionando a la reacción una vía de reacción alternativa (es decir, los reactivos reaccionan con el catalizador para llegar a los mismos productos). La energía de los reactivos y los productos no cambia, sino la energía de la vía.

Otro ejemplo de catalizador es una enzima. Una enzima es un catalizador biológico que funciona de forma ligeramente distinta a otros catalizadores. Las enzimas se unen al reactivo (llamado sustrato) y forman un complejo enzima-sustrato, que actúa como nuestro estado de transición. Tras la unión, la enzima liberará un nuevo producto y la enzima continuará sin cambios. Una enzima es como un molde en el que se coloca nuestro sustrato (piensa en un trozo de arcilla), de modo que cuando se saca del molde, se ha convertido en algo nuevo. Como ocurre con otros catalizadores, las enzimas reducen la energía de activación al proporcionar otra vía de reacción.

Diagrama del perfil energético de la descomposición del peróxido de hidrógeno

Para tener una mejor idea de una reacción catalizada, veamos la descomposición del peróxido de hidrógeno.

Loscatalizadores de la reacción crean una vía alternativa para que la energía de activación sea menor. StudySmarter Original

Las dos cosas que observarás en el diagrama de la reacción catalizada son que hay dos jorobas en lugar de una, y que hay 2 especies extra presentes (iones Br y H). Las dos jorobas significan que hay un paso extra en la reacción. Los catalizadores pueden reducir la energía de activación proporcionando una vía alternativa. Piénsalo como si tomaras un desvío para llegar antes a tu destino. Hay dos catalizadores presentes en este mecanismo de reacción, y son los iones Br y H. Estos iones reaccionan con el reactante inicial (peróxido de hidrógeno) para acabar con los mismos productos que sin los catalizadores. Como cuando das un rodeo, el lugar del que sales y tu destino no cambian, pero tu ruta sí.

Diagrama de perfil energético para reacciones multipaso

El último tipo de perfil energético que vamos a tratar es el de las reacciones multipaso. Se trata de reacciones que, como la misma sugiere, tienen varios pasos que proceden en orden. Piensa que es como derribar fichas de dominó: Al caer una, se derriba la otra. La reacción catalítica que vimos antes es un ejemplo de reacción multipaso.

Veamos otro mecanismo de reacción multipaso:

$$NO + NO \rightarrow N_2O_2$$ $$N_2O_2 + H_2 \rightarrow H_2O + N_2O$$ $$N_2O + H_2 \rightarrow N_2 + H_2O$$ $$text{Reacción de red:}\,2NO + 2H_2 \rightarrow N_2 + 2H_2O$$

Las especies como el _N2O2 y el _N2O se denominan intermedias. Son especies que se forman y se consumen durante el mecanismo de reacción, por lo que no aparecen en la reacción neta. Son diferentes de los estados de transición, ya que los estados de transición son el período intermedio durante una única reacción, mientras que los intermedios son productos reales para ese paso intermedio respectivo. Veamos el diagrama energético de este mecanismo:

Cada paso tiene su propia energía de activación, la mayor energía de activación es la que dicta la energía de activación para toda la reacción. StudySmarter Original

Cada paso tiene su propia energía de activación y estado de transición. Los saltos en la curva muestran dónde se ha formado un producto y están etiquetados. La velocidad global de la reacción depende del paso con la mayor energía de activación (aquí es el paso 2). Este paso se denomina paso determinante de la velocidad. Imagina la reacción como el flujo del tráfico: sólo puede ir tan rápido como el coche más lento de delante, aunque los coches que le preceden puedan ir más rápido.