Energética

¿Qué es la energética en química?

La energética forma parte de un campo más amplio de la química llamado termodinámica o termoquímica. Trata de los cambios de energía que se producen en una reacción química, mientras que la termodinámica se ocupa de cómo estos cambios de energía afectan a las propiedades de un sistema químico.

Las leyes de la termodinámica nos ayudan a comprender cómo se comporta la energía. Existen cuatro leyes de la termodinámica, pero aquí sólo consideraremos la primera:

La energía existe en diferentes formas que se convierten de una a otra. Puedes saber más sobre los distintos tipos de energía en Termodinámica. En la energética química, sin embargo, sólo nos interesan dos formas de energía:

• La energíaquímica, almacenada en los enlaces entre átomos.
• La energíatérmica, liberada o absorbida cuando se rompen o forman enlaces.

La energía química almacenada en los enlaces entre átomos suele convertirse en energía calorífica que se libera cuando tiene lugar un proceso químico. Una reacción también absorberá energía calorífica del entorno para romper los enlaces de los compuestos. El equilibrio global en la absorción y evolución de la energía calorífica en una reacción química nos indica si el proceso químico es endotérmico o exotérmico.

¿Qué son las reacciones endotérmicas y exotérmicas?

Laruptura de enlaces requiere energía en forma de calor. Esto significa que la energía calorífica se absorbe o se toma del entorno cuando se rompen los enlaces. Por el contrario, la formación de enlaces libera energía calorífica. Cuando en una reacción química se rompen más enlaces que los que se forman, se produce una absorción global de energía. Llamamos endotérmicas a este tipo de reacciones. Por el contrario, cuando se forman más enlaces que los que se rompen, se produce una liberación total de energía. A este tipo de reacciones las llamamos exotérmicas.

Para aclararlo, las reacciones endotérmicas absorben energía, pero las exotérmicas la liberan. Todo tiene que ver con la relación entre los enlaces rotos y los formados. La ruptura de enlaces es un proceso endotérmico, mientras que la formación de enlaces es un proceso exotérmico. Aprenderás un poco más sobre el equilibrio entre la liberación y la evolución de la energía cuando veamos los diagramas de entalpía más adelante.

Fig. 1 - Energética de la formación y rotura de enlaces

En energética, aprenderás cómo se transfiere la energía térmica dentro y fuera de una reacción química. Y lo que es más importante, descubrirás la entalpía.

¿Qué es la entalpía? ¿Qué tiene de especial y en qué se diferencia la entalpía del calor? Exploremos más a fondo.

¿Qué es la entalpía?

Cuando una reacción absorbe energía, la entalpía total del sistema aumenta. Cuando libera energía, la entalpía total disminuye. No podemos medir directamente la entalpía total de un sistema, pero podemos medir los cambios de entalpía que se producen en una reacción química.

¿En qué se diferencia la entalpía del calor?

Probablemente sigas teniendo curiosidad por saber en qué se diferencia la entalpía del calor. La mayoría de las veces, cuando decimos "entalpía" también queremos decir "calor". En la mayoría de los casos, eso está bien, ya que a presión y volumen constantes, q = H. Sin embargo, entalpía y calor no son exactamente intercambiables.

Empecemos por el calor. El calor es una forma de energía. Decimos que es la energía que fluye entre un sistema y su entorno debido a una diferencia de temperatura. Por ejemplo, sabemos que si ponemos un cubito de hielo junto a un vaso de agua caliente, el calor fluirá del vaso de agua al hielo.

Como hemos visto en el ejemplo del cubito de hielo y el vaso de agua caliente, el calor es energía en movimiento. El calor siempre se desplaza de un sistema caliente a otro más frío.

La entalpía es la cantidad de energía térmica de un sistema. El calor es lo que llamamos transferencia de energía térmica. La entalpía es una parte esencial de un sistema, ya que depende del número de moléculas, la composición química y la estructura. Mientras tanto, el calor es energía que atraviesa los límites de un sistema. El calor va y viene, no es una parte esencial de un sistema.

Cuando el calor sale o entra en un sistema, se produce un cambio en la entalpía. A presión constante, el flujo de calor está directamente relacionado con la entalpía. Afortunadamente, realizamos la mayoría de los experimentos a presión constante, por lo que podemos calcular el cambio de entalpía si conocemos el valor de q. Puedes aprender más sobre esto en Calorimetría.

Diagramas de entalpía

Utilizamos diagramas entálpicos (también llamados diagramas de energía) para ilustrar cómo cambia la entalpía en una reacción química.

1. Dibujamos los reactantes y los productos en diferentes niveles que corresponden a su energía.
2. Utilizamos flechas para mostrar los procesos de ruptura y formación de enlaces.
3. Cuando se rompen los enlaces, se absorbe energía. Lo mostramos dibujando una flecha hacia arriba.
4. Cuando se forman enlaces, se libera energía. Lo mostramos dibujando una flecha hacia abajo.

El balance energético entre la formación y la ruptura de enlaces nos indica si una reacción es endotérmica o exotérmica. Puedes ver cómo funcionaría esto en el diagrama de entalpía que aparece a continuación. Los diagramas de energía son valiosos porque facilitan saber si una reacción es endotérmica o exotérmica.

Fig. 2 - Cómo dibujar un diagrama entálpico

Para ilustrarlo mejor, observa otro diagrama entálpico a continuación. Muestra la combustión del metano (_CH4 + _2O2 →_CO2 + _2H2O). Podemos ver en el diagrama energético que la energía liberada en la formación de nuevos enlaces es mayor que la energía absorbida para romper los enlaces. Esto hace que la combustión del metano sea una reacción exotérmica.

Fig. 3 - Diagrama de entalpía - la combustión del metano

Puedes aprender más sobre los diagramas de entalpía en Cambios de entalpía. Hablemos ahora de la entalpía de enlace.

¿Qué es la entalpía de enlace?

En el diagrama energético anterior, la energía absorbida para romper cada enlace C-H y el enlace O-O se conoce como entalpía de enlace, o energía de enlace.

El valor de energía que se desarrolla cuando se establece un enlace es el mismo valor que se absorbe cuando se rompe un enlace. Podemos utilizar las entalpías de enlace para calcular el cambio de entalpía de una reacción. Cuando hacemos cálculos con entalpías de enlace, utilizamos una media de todas las entalpías de enlace del mismo enlace en diferentes entornos. A esto lo llamamos entalpía media de enlace. Puedes leer más sobre ello en Entalpía de enlace.

Calorimetría

Hemos mencionado antes que si conocemos el valor de q (flujo de calor), podemos calcular el cambio de entalpía en una reacción.

Basta con sellar las sustancias químicas que reaccionan dentro de un recipiente con un termómetro para registrar cualquier cambio de temperatura. Podemos utilizar este cambio de temperatura para calcular el cambio de entalpía de la reacción mediante la siguiente ecuación:

q = mcΔT

• q es la energía transferida, medida en julios (J).
• m es la masa del agua en gramos (g).
• c es la capacidad calorífica específica (J ^{g-1 ºC-1}).
• ΔT es el cambio de temperatura medido en grados Kelvin (K) o grados Celsius (ºC).

Fig. 4 - Un calorímetro sencillo

Puedes aprender a realizar un experimento de calorimetría y utilizar los resultados para calcular el cambio de entalpía en Calorimetría. A veces no es posible utilizar la calorimetría para calcular los cambios de entalpía. Cuando tenemos este problema utilizamos Ley de Hess.

¿Qué es la ley de Hess?

Antes hemos comentado que el cambio de entalpía es una función de estado; en otras palabras, el cambio de entalpía es independiente de la vía. Si conocemos una ruta alternativa para una reacción, podemos averiguar el cambio de entalpía. Este principio es la aplicación de la Ley de Hess.

En otras palabras, supongamos que tienes una reacción química de los reactivos A a los productos B. Podrías ir directamente de A a B, o podrías pasar por un intermediario, C. Según la Ley de Hess, ¡el cambio de entalpía en la reacción A → B es igual a la suma de los cambios de entalpía en la reacción A → C y C → B! La imagen siguiente ayuda a ilustrarlo.

Fig. 5 - Ley de Hess

También podemos aplicar la energética a los procesos físicos. Exploremos ahora la energética de las reacciones nucleares y la eficiencia energética.

Energética de las reacciones nucleares

En las reacciones nucleares, notamos un cambio visible en la masa cuando se producen cambios de energía.

¿Te has topado alguna vez con la ecuación de Albert Einstein E = ^mc2? Explica la relación entre el cambio de masa y energía en una reacción. La llamamos equivalencia masa-energía. ¿Qué tiene esto que ver con la energética? Cada vez que se produce un cambio de energía, también se produce un cambio de masa. Estos cambios están unidos por la constante ^c2 (la velocidad de la luz al cuadrado).

Los cambios de energía que se producen en los procesos químicos son insignificantes en comparación con la cantidad de energía liberada por las reacciones nucleares. Como los cambios de energía en las reacciones nucleares son tan grandes, podemos observar un cambio de masa visible. Este cambio de masa nos permite calcular los cambios de energía en las reacciones nucleares. Para ello utilizamos la relación entre una unidad de masa atómica (UMA) y MeV. Los científicos han averiguado que 1 UMA equivale a 1,4924 x ^10-10 julios, ¡lo que equivale a 931,5 MeV!

1 amu= 1,4924 x ^10-10 j = 931,5 MeV

Cuando se forma un núcleo, se pierde masa y se libera energía en forma de energía de enlace nuclear. La energía de enlace nuclear es simplemente la energía necesaria para unir protones y neutrones y formar el núcleo. La pérdida de energía es tan inmensa que se manifiesta como una pérdida de masa. Imagínate, ¡energía que tiene masa!

Esta pérdida de masa explica lo que se conoce como defecto de masa. Los científicos observaron que la suma de las masas de los protones y neutrones individuales es mayor que la masa del núcleo en su conjunto. En otras palabras, hay defecto de masa cuando la masa de las partículas subatómicas individuales es mayor que la del núcleo.

Si quieres saber más, visita Energía de enlace.

Eficiencia energética

La energía no puede crearse ni destruirse, pero se convierte en otras formas de energía como el movimiento, el calor, la electricidad y el sonido. Lo que realmente nos gustaría que hiciera la energía es trabajar. El trabajo puede ser cualquier cosa, desde mover un coche hasta iluminar una habitación u hornear un pastel.

No siempre es fácil conseguir que la energía haga el trabajo que nos gustaría que hiciera. Por ejemplo, nos gustaría que una batidora de tartas diera vueltas para que la masa se mezclara uniformemente. La mayor parte de la energía eléctrica que suministramos a la batidora se convierte en energía cinética que hace girar la batidora. Sin embargo, si alguna vez has utilizado una batidora de repostería, sabrás que parte de esa energía eléctrica se convierte en energía acústica.

La energía sonora no es muy útil para mezclar la masa, por lo que la llamamos energía desperdiciada. La eficiencia energética nos dice cuánta de la energía suministrada a un sistema o reacción se convierte en el tipo de energía de trabajo que queremos que realice.

A los químicos les gustaría que sus reacciones fueran eficientes, ya que los procesos eficientes son más baratos, consumen menos recursos, producen menos residuos y son más sostenibles. Por ejemplo, el método de metátesis es una forma de hacer más eficaz la síntesis orgánica. En la metátesis, utilizamos un catalizador energéticamente eficiente para que las reacciones con una gran economía atómica se produzcan a temperatura y presión estándar. Más información sobre la metátesis en Síntesis Orgánica.

Calidad de la energía

La calidad de laenergía mide la facilidad con que podemos convertir una forma de energía en otra. En la mayoría de los casos, nos gustaría que la energía realizara un trabajo. Por ejemplo, necesitamos que la energía eléctrica suministrada a una bombilla se convierta en energía luminosa para ver en un espacio oscuro. Sin embargo, parte de esta energía se pierde en forma de calor.

Las bombillasde alta calidad energética, como las bombillas LED, convierten la energía eléctrica de forma más eficiente, de modo que la mayor parte de la energía se transfiere a energía luminosa. En cambio, las anticuadas bombillas de filamento convierten mal la electricidad en luz. La mayor parte de la energía suministrada a una bombilla de filamento se dispersa en forma de energía calorífica. La energía de baja calidad no puede utilizarse fácilmente para realizar un trabajo. Normalmente, esto se debe a que la energía está demasiado desordenada o se dispersa rápidamente (para más información, consulta Entropía ). La energía de alta calidad puede convertirse fácilmente para realizar trabajo y es más eficiente.

La calidad energética es sólo una percepción de la energía. En pocas palabras, el tipo de energía que consideras de alta calidad depende de lo que quieras que haga. No todos los científicos están de acuerdo sobre qué tipos de energía son de alta calidad. Algunos afirman que la energía de alta calidad puede transformarse en otros tipos de energía sin grandes pérdidas, mientras que otros afirman que la energía de alta calidad puede utilizarse para realizar tareas de alta calidad y trabajos de baja calidad.

En general, la electricidad se considera energía de alta calidad por su eficacia y capacidad de convertirse en otros tipos de energía. Algunos científicos consideran que la energía térmica procedente de la quema de combustible es energía de baja calidad, por lo que piensan que sólo puede hacer cosas sencillas como hervir agua.