Las reacciones químicas implican la rotura de enlaces antiguos y la formación de otros nuevos. Toda esta rotura y formación de enlaces requiere energía. En la mayoría de los casos, la cantidad de energía necesaria para romper los enlaces en los reactivos es diferente de la cantidad de energía necesaria para crear los enlaces en los productos. Esta diferencia de energía es absorbida o liberada por la reacción.
Llamamos energética al estudio del flujo de energía en un proceso químico.
¿Qué determina que una reacción libere o absorba energía? Sigue leyendo para averiguarlo.
- En este artículo estudiaremos la energética de las reacciones químicas.
- Descubrirás la diferencia entre entalpía y calor.
- Aprenderás qué es el cambio de entalpía, la entalpía de enlace, la calorimetría y la Ley de Hess.
- Conocerás la energética de las reacciones nucleares.
- Por último, consideraremos la eficiencia y la calidad energética.
¿Qué es la energética en química?
Significado de energética
La energética forma parte de un campo de estudio más amplio de la química llamado termodinámica —o termoquímica—. La termodinámica se ocupa de cómo estos cambios de energía afectan a las propiedades de un sistema químico, mientras que la energética trata específicamente de los cambios de energía que se producen en una reacción química.
La energética es el estudio del flujo de energía en las reacciones químicas.
Las leyes de la termodinámica nos ayudan a entender cómo se comporta la energía. Hay cuatro leyes de la termodinámica, pero aquí sólo consideraremos la primera:
La energía no puede crearse ni destruirse, solo se convierte de una forma a otra.
La energía existe en diferentes formas que se convierten de una a otra. Sin embargo, en la energética química sólo nos interesan dos formas de energía:
- La energía química, almacenada en los enlaces entre los átomos.
- La energía térmica o calorífica, que se libera o se absorbe cuando se rompen o se crean los enlaces.
La energía química almacenada en los enlaces entre átomos suele convertirse en energía térmica o calorífica, que se libera cuando tiene lugar un proceso químico. Una reacción también absorbe energía térmica del entorno para romper los enlaces de los compuestos. El balance general en la absorción y evolución de la energía térmica en una reacción química nos dice si el proceso químico es endotérmico o exotérmico.
¿Qué son las reacciones endotérmicas y exotérmicas?
La rotura de enlaces requiere energía en forma de calor. Esto significa que la energía térmica es absorbida o tomada del entorno cuando se rompen los enlaces. Por otro lado, la formació de enlaces libera energía térmica.
- Cuando en una reacción química se rompen más enlaces que los que se forman, se produce una absorción global de energía. A este tipo de reacciones les llamamos endotérmicas.
- Por otro lado, cuando se forman más enlaces que se rompen, se produce una liberación global de energía. A este tipo de reacciones les llamamos exotérmicas.
Para aclarar: las reacciones endotérmicas absorben energía, en cambio, las exotérmicas la liberan. Esto tiene que ver con la relación entre los enlaces rotos y los formados. La rotura de enlaces es un proceso endotérmico, mientras que la formación de enlaces es un proceso exotérmico.
En la energética, aprenderás cómo se transfiere la energía térmica dentro y fuera de una reacción química. Y lo que es más importante, descubrirás la entalpía.
Aprenderás un poco más sobre el equilibrio entre la liberación de energía y la evolución cuando veamos los diagramas de entalpía, más adelante.
Pero, antes de comenzar, veamos la diferencia entre los conceptos de calor y temperatura. Dos palabras que usamos en nuestra vida cotidiana y que, en ocsaiones, podemos llegar a considerar sinónimas; pero, en realidad, no lo son.
Calor y temperatura
El calor es energía térmica, que se transfiere de un sistema que se encuentra a una mayor temperatura hacia aquel que se encuentra a una menor.
El calor es la energía que proviene del movimiento de las moléculas, y que depende del número, tamaño y velocidad con la que se mueven las partículas de las sustancias. Esta energía se transfiere por conducción, convección o radiación entre dos sistemas en contacto, y descompone, dilata, difunde o volatiliza los cuerpos al aumentar su temperatura.
La temperatura es una magnitud escalar que nos permite cuantificar el estado térmico de una sustancia.
Relacionamos la temperatura con la sensación de frío y calor de ciertos objetos, cuerpos o del ambiente. Numerosas variables fisicoquímicas dependen de la temperatura: el estado de agregación, la solubilidad, el volumen, la conductividad eléctrica, entre otras. La temperatura mide la energía cinética, o grado de agitación de las partículas, de un sistema termodinámico (como un cuerpo o un material).
A continuación, podrás ver una tabla que muestra la diferencia entre estos dos conceptos, en función de algunas de sus características más relevantes.
| Calor | Temperatura |
Unidades | Julios/Joules (J), Calorías (cal) o Kilocalorías (kcal) | Kelvin (K), grados Celsius (°C) o grados Fahrenheit (°F) |
Símbolo | Q | T |
Instrumento de medida | Calorímetro | Termómetro |
Ejemplos | El calor que experimentamos al sentarnos cerca de una fogata. | La temperatura corporal, cuyo valor normal es de alrededor de 37ªC. |
Tabla 1: Diferencias entre calor y temperatura.
Una vez hecha la distinción entre calor y temperatura, veamos: qué es la entalpía, qué tiene de especial y en qué se diferencia del calor? Exploremos más a fondo estas cuestiones.
¿Qué es la entalpía?
La entalpía (H), o contenido de calor, es la cantidad de energía térmica (o calor) almacenada en un sistema. Se mide en kilojulios por mol (kJ mol-1).
En energética, llamamos mezcla de reacción al sistema y todo lo que está fuera del este —como el laboratorio donde se experimenta—.
No podemos medir directamente la entalpía total de un sistema, pero podemos medir los cambios de entalpía que tienen lugar en una reacción química:
- Cuando una reacción absorbe energía, la entalpía total del sistema aumenta.
- Cuando libera energía, la entalpía total disminuye.
El cambio de entalpía (∆H) es la cantidad de energía calorífica que se absorbe o libera en una reacción química a presión constante.
Utilizamos la letra griega delta ∆ para indicar "cambio en"
Por ejemplo: ∆H es el cambio de entalpía, ∆T es el cambio de temperatura y ∆S es el cambio de entropía.
La entalpía es una variable de función de estado. Las funciones de estado son independientes de la ruta de la reacción química, lo que significa que el valor de la variable sigue siendo el mismo, independientemente de cómo lleguemos a él.
Por ejemplo, tienes tres rutas que puedes tomar en tu camino a casa desde la escuela. Los tres caminos miden distancias diferentes, pero te llevan el mismo tiempo de viaje. En este caso, el tiempo que tardas en llegar a casa es independiente del camino.
Las funciones de estado nos permiten calcular el cambio de entalpía. Si conocemos una ruta alternativa para una reacción, podemos calcular el cambio de entalpía. Como ∆H es independiente de la vía, su valor será el mismo para una reacción, siempre que empecemos con los mismos reactivos y acabemos con los mismos productos.
¿En qué se diferencia la entalpía del calor?
Seguramente sigues teniendo curiosidad por saber en qué se diferencia la entalpía del calor. La mayoría de las veces, cuando decimos entalpía también queremos decir calor; y, en la mayoría de los casos, esto no constituye un error, ya que bajo condiciones de presión y volumen constantes, q = H. Sin embargo, la entalpía y el calor no son exactamente términos intercambiables.
Empecemos por el calor:
El calor (q o Q) es la energía que fluye entre un sistema y su entorno debido a una diferencia de temperatura. Como el calor es energía, lo medimos en julios.
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: siempre se mueve de un sistema caliente a otro más frío. Esto es lo que llamamos transferencia de energía térmica.
La entalpía es la cantidad de energía térmica de un sistema.
Cuando el calor sale o entra en un sistema, se produce un cambio de 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.
Para ilustrar esto aún más, echa un vistazo al otro diagrama de entalpía que aparece a continuación. Este 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.
Puedes aprender más sobre los diagramas de entalpía en Cambios de entalpía.
Ahora, hablemos de la entalpía de enlace.
¿Qué es la entalpía de enlace?
En el diagrama de energía 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.
La entalpía de enlace (E) es la cantidad de energía necesaria para romper un mol de un enlace covalente específico en la fase gaseosa.
El valor de la energía que se libera cuando se crea 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 se hacen cálculos que implican entalpías de enlace, utilizamos una media de todas las entalpías de enlace del mismo enlace en diferentes entornos. A esto le llamamos entalpía de enlace media.
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.
La calorimetría es un método para medir los cambios de entalpía que se producen durante una reacción química.
Basta con sellar los productos químicos que reaccionan dentro del 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
Donde:
- 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 Kelvin (K) o grados Celsius (ºC).
La capacidad calorífica específica (c) es la energía necesaria para aumentar la temperatura de 1g de un determinado líquido en 1 °C. Puedes aprender más sobre el calor específico en Física Térmica.
Por ejemplo, el agua tiene una capacidad calorífica específica de 4,18 Jg-1 ºC-1.
A veces no es posible utilizar la calorimetría para calcular los cambios de entalpía. Cuando tenemos este problema utilizamos la Ley de Hess.
Puedes aprender a realizar un experimento de calorimetría y utilizar los resultados para calcular el cambio de entalpía en Calorimetría.
¿Qué es la ley de Hess?
La Ley de Hess establece que el cambio total de entalpía para una reacción es independiente de la ruta de la reacción química.
Ya hemos comentado que el cambio de entalpía es una función de estado; en otras palabras, el cambio de entalpía es independiente de la ruta. Si conocemos una ruta alternativa para una reacción, podemos calcular el cambio de entalpía. Este principio es la aplicación de la Ley de Hess.
Digamos que tenemos una reacción química de los reactivos A a los productos B. Podríamos ir directamente de A a B, o podríamos pasar por un intermedio, 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 ilustrar esto.
También podemos aplicar la energía 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.
¿Has visto alguna vez la ecuación E = mc2 de Albert Einstein? Esta 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 energía? Pues, 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).
En la equivalencia masa-energía de Albert Einstein, m es el cambio neto de masa en kilogramos y c es una constante (la velocidad de la luz) en metros por segundo. Las dos unidades estándar para expresar la energía nuclear son los julios (J) y los megaelectronvoltios (MeV).
Los cambios de energía que se producen en los procesos químicos son insignificantes, si se comparan 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 los megaelectronvoltios (MeV). Los científicos han calculado que 1 UMA equivale a 1,4924 x 10-10 julios, ¡que es lo mismo que 931,5 MeV!:
1 uma = 1.4924 x 10-10 J = 931.5 MeV
UMA es la forma de referirse a la masa de un átomo. Puedes aprender más sobre esto en Cantidad de sustancia.
Cuando se forma un núcleo, se pierde masa y se libera energía, como energía de enlace nuclear.
La energía de enlace nuclear es, simplemente, la energía necesaria para unir protones y neutrones para formar el núcleo. La pérdida de energía es tan inmensa que se manifiesta como una pérdida de masa. Imagínate, ¡una energía que tiene masa!
Esta pérdida de masa da lugar a lo que se conoce como defecto de masa. En otras palabras, el defecto de masa se produce cuando la masa de las partículas subatómicas individuales es mayor que la del núcleo.
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.
Si deseas saber más, visita Energía de enlace.
Eficiencia energética
La energía no se puede crear ni destruir, 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.
Sin embargo, 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, sabrás que parte de esa energía eléctrica se convierte en energía sonora.
La energía sonora no es muy útil para mezclar la masa, así que la llamamos energía desperdiciada.
La eficiencia energética nos indica la relación porcentual entre la energía de salida y la de entrada en un sistema. Asimismo, La eficiencia energética nos indica qué parte de la energía suministrada a un sistema o reacción se convierte en el tipo de energía de trabajo que queremos que realice.
Los químicos quieren que sus reacciones sean eficientes, ya que los procesos eficientes son más baratos, utilizan menos recursos, producen menos residuos y son más sostenibles.
Por ejemplo, el método de metátesis es una forma de hacer más eficiente la síntesis orgánica. En la metátesis, utilizamos un catalizador energéticamente eficiente para que las reacciones con una alta economía de átomos se produzcan a temperatura y presión estándar.
Puedes encontrar más información sobre la metátesis en Síntesis Orgánica.
Calidad energética
La calidad energética mide la facilidad con la que podemos convertir una forma de energía en otra. En la mayoría de los casos, queremos que la energía realice un trabajo
Por ejemplo, necesitamos que la energía eléctrica suministrada a una bombilla se convierta en energía luminosa para poder ver en un espacio oscuro. Sin embargo, en estos casos, parte de esta energía se pierde en forma de calor.
- Las bombillas de 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 convierte en energía luminosa.
- Por el contrario, las antiguas bombillas de filamento no consiguen convertir la electricidad en luz. Entonces, la mayor parte de la energía suministrada a una bombilla de filamento se dispersa en forma de energía térmica.
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. La energía de alta calidad puede convertirse fácilmente en trabajo y es más eficiente.
La calidad energética es sólo una percepción de la energía. En pocas palabras, el tipo de energía que consideres de alta calidad depende de lo que quieras que haga. Sin embrago, no todos los científicos están de acuerdo en qué tipos de energía son de alta calidad.
Algunos dicen que la energía de alta calidad puede transformarse en otros tipos de energía sin mucha pérdida, mientras que otros dicen que la energía de alta calidad puede utilizarse para hacer tareas de alta calidad y trabajos de baja calidad.
En general, se considera que la electricidad es una energía de alta calidad por su eficacia y capacidad de transformación en otros tipos de energía. Algunos científicos consideran que la energía térmica procedente de la quema de combustible es una energía de baja calidad, por lo que piensan que solo puede hacer cosas sencillas como hervir agua.
Energía - Puntos clave
- La energía se absorbe o se libera en las reacciones químicas.
- Las reacciones endotérmicas absorben energía cuando la proporción de enlaces rotos es mayor que la de enlaces creados.
- Las reacciones exotérmicas liberan energía cuando la proporción de enlaces creados es mayor que la proporción de enlaces rotos.
- La entalpía de enlace es la cantidad de energía necesaria para romper un mol de un enlace covalente en la fase gaseosa.
- La energía de enlace se ve afectada por los otros átomos de la molécula y, por tanto, puede variar de un compuesto a otro. Por ello, utilizamos las entalpías de enlace medias.
- El cambio de entalpía (∆H) es la cantidad de energía térmica absorbida o liberada en una reacción química a presión constante.
- Para las reacciones endotérmicas, ΔH es positivo; y para las exotérmicas ΔH es negativo.
- La calorimetría es un método para medir los cambios de entalpía que se producen durante una reacción química, midiendo el cambio de temperatura.
- Se puede encontrar el cambio de entalpía a partir de la calorimetría utilizando la ecuación: q = mcΔT.
- La Ley de Hess establece que el cambio total de entalpía de una reacción es independiente de la vía utilizada.
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