Energía endotérmica y exotérmica Energía de activación

1. 5° Bimestre: QUÍMICA IV
UNIDAD III: LA ENERGÍA Y LOS SERES VIVOS
3.1. Vida y termodinámica
a) Reacciones exotérmicas y endotérmicas. Entalpía.
b) Energía de activación.
c) Entropía.
d) Energía libre y espontaneidad.
e) Reacciones exergónicas y endergónicas.
3.2. Energéticos de la vida
a) Carbohidratos. Energía de disponibilidad inmediata.
Estructura. Actividad óptica. Mono, di y polisacáridos.
b) Lípidos. Almacén de energía. Estructura. Grasas y aceites.
Saponificación de grasas.
3.3. Enzimas, super catalizadores específicos y eficientes
a) Velocidad de reacción y factores que influyen en ella.
b) Estructura de aminoácidos y proteínas.
c) Enzimas. Catalizadores biológicos.
5° EXÁMEN DE PERÍODO
3.1. Vida y termodinámica
a) Reacciones exotérmicas y endotérmicas. Entalpía
Las reacciones exotérmicas y endotérmicas son reacciones químicas asociadas una
variación de energía. Las exotérmicas son aquellas que desprenden calor. Las
endotérmicas son las que absorben calor.
Las reacciones químicas, se entienden mejor desde un punto de vista energético.
Toda reacción química implica la ruptura de uniones de la molécula reactiva y la
formación de nuevas uniones para obtener los productos. La energía química radica,
precisamente, en las uniones químicas.
¿Qué sucede con la energía durante una reacción química? Toda reacción química
lleva asociada una variación de energía. Y esa variación es observable, podría
manifestarse como energía luminosa, eléctrica, mecánica o como calor. Tengan en
cuenta que cuando estudiamos un proceso químico desde un punto de vista
energético, se suele considerar el conjunto de sustancias involucradas en la reacción
como el sistema de estudio y el resto, el medio o entorno.
En las reacciones químicas exotérmicas se desprende calor, el ΔH es negativo y
significa que la energía de los productos es menor que la energía de los reactivos, por
ejemplo en las reacciones de combustión.
En las reacciones químicas endotérmicas se absorbe calor, ΔH es positivo y significa
que la energía de los productos es mayor que la energía de los reactivos, por ejemplo
en la fotosíntesis.
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2. ECUACIONES TERMOQUÍMICAS.
Son las ecuaciones que expresan simultáneamente las relaciones de masa y de
entalpías.
Guía para escribir e interpretar ecuaciones termoquímicas.
1.- Una ecuación termoquímica se escribe con las fórmulas de los reactivos y de los
productos, a sí mismo, los coeficientes estequiométricos siembre se refieren al número
de moles de cada sustancia.
2.- Cuando se escriben ecuaciones termoquímicas se deben especificar los estados
físicos de todos los reactivos y productos, porque de ellos dependen los cambios reales
de entalpías. Usando la siguiente notación: (s) sólido,(l) líquido y (g) gas.
3.- La cantidad de calor asociada a la reacción siempre se escribe en el extremo
derecho, la reacción será exotérmica sí ΔH tiene valor negativo, y endotérmica sí ΔH
tiene valor positivo.
4.- Cuando se invierte una ecuación, se cambian los papeles de los reactivos y
productos. En consecuencia, la magnitud de ΔH para la ecuación es la misma pero
cambia de signo
5.- Si se multiplican ambos lados de la ecuación por el factor n, entonces también
cambiará por el mismo factor.
La cantidad de calor ganada o perdida por una cierta masa de agua cuando varía su
temperatura se determina con al siguiente ecuación:
Q = mCe ∆T
Donde:
Q = Cantidad de calor (Calorías)
m = masa (g)
Ce = Calor específico (cal/gºC)
∆T = Tf – Ti (ºC)
La propiedad denominada calor específico, designada por (Ce), se define como la
cantidad de calor que se requiere para variar la temperatura de un gramo de sustancia
en un grado de temperatura, se tiene entonces:
Q
Ce =
m∆T
La capacidad calorífica (C) de una sustancia es la cantidad de calor requerido para elevar
en un grado Celsius la temperatura de una cantidad de sustancia.
(cal)
C = m Ce = --------------
(ºC)
Por ejemplo, el calor específico del agua es de 1 cal/g ºC y la capacidad calorífica de 150
g de agua es:
C = mCe = ( 150 g ) (1 cal/g ºC) =150 cal/ ºC
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3. PROBLEMA RESUELTO.
50 g de agua se calientan desde una temperatura de 20 ºC hasta otra temperatura de 60
ºC. ¿Cuál es la cantidad de calor absorbida?
Masa = 50 g
Tinicial = 20ºC
T final = 60 ºC
Q =mCe ∆T
Q = (50 g)(1 cal/gºC)(60 ºC – 20 ºC)
Q =2000 cal = 2 kcal
Cuando dos o más sustancias se ponen en contacto, y se determina por ejemplo, la
temperatura de equilibrio, se tendrán las siguientes condiciones en el balance de calor:
Calor ganado igual a calor perdido.
La suma algebraica de los valores debe ser cero.
Por ejemplo, se tienen dos masas A y B con temperaturas de 80 y 20 ºC
respectivamente. A pierde calor y B lo gana, luego entonces.
QA = QB
Como A pierde calor por convención tiene signo (-), B gana por lo tanto, tiene signo (+)
por lo que:
QB - QA = 0
REACCIONES EXOTÉRMICAS
El prefijo exo significa ―hacia fuera‖. Por lo tanto entendemos que las reacciones
exotérmicas son aquellas que liberan energía en forma de calor. El esquema general de
una reacción exotérmica puede ser escrito de la manera siguiente, donde A, B, C y D
representan sustancias genéricas.
A partir de la Ley de la Conservación de Energía, podemos afirmar que ―La energía total
de los reactivos es igual a la energía total de los productos‖.
En otras palabras, toda la energía que entró en el primer miembro de la ecuación
química, debe salir íntegramente en el segundo miembro de la ecuación. De donde
obtenemos la siguiente conclusión: si una reacción es exotérmica, entonces la entalpía de
los reactivos (Hr ) es mayor que la entalpía de los productos(Hp ), pues una parte de la
energía que estaba contenida en los reactivos fue liberada para el medio ambiente en
forma de calor y apenas otra parte de esa energía quedó contenida en los productos.
Entonces en una reacción exotérmica: Hr > Hp
No es posible determinar directamente la entalpía de cada sustancia participante de una
reacción, pero podemos determinar experimentalmente la variación de entalpía ΔH, que
ocurre cuando una reacción química es realizada.
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4. Como en la reacción exotérmica Hr > Hp , entonces en este tipo de reacción el valor de
ΔH será siempre negativo. Siendo que la reacción exotérmica: ΔH > 0.
Observa que no existe energía negativa; un sistema contiene energía. El signo negativo
de ΔH quiere decir apenas que la energía fue liberada.
REACCIONES ENDOTÉRMICAS
El prefijo endo significa ―hacia adentro‖. Por lo tanto se entiende que las reacciones
endotérmicas son aquellas que absorben energía en forma de calor. El esquema general
de una reacción endotérmica puede ser escrito de la siguiente manera, donde A, B, C y D
representan sustancias genéricas.
Una vez que la energía total se conserva del primer para el segundo miembro de
cualquier reacción química, podemos afirmar que: si una reacción es endotérmica, la
entalpía de los productos Hp es mayor que la entalpía de los reactivos Hr , pues una
determinada cantidad de energía fue absorbida por los reactivos en forma de calor,
durante la reacción, quedando contenida en los productos. Siendo que en la reacción
endotérmica: Hp > Hr.
Y siendo ΔH = Hp — Hr , entonces en la reacción endotérmica el valor de ΔH será
siempre positivo. Siendo que en la reacción endotérmica: ΔH > 0.
PRINCIPIO DE THOMPSEN y BERTHELOT
Hay un principio fundamental de la Termoquímica, determinado en 1867 por los
científicos que le dieron sus nombres, que afirma: ―Entre un conjunto de reacciones
químicas posibles ocurrirá primero, espontáneamente aquella que fuese más exotérmica.”
La reacción exotérmica es aquella que libera mayor cantidad de energía en la forma de
calor. Esto significa que los productos formados en este tipo de reacción son menos
energéticos, por tanto, mas estables. Espontáneamente, las sustancias solo van a
reaccionar en busca de mayor estabilidad y de este modo, en busca de liberar mayor
cantidad posible de energía. Siendo que podemos decir entonces que:
más estabilidad = menos energía = menor ΔH = reacción más espontánea
Tal que podemos utilizar el ejemplo: Agregándose los gases F2, Cl2 e Br2 a un recipiente
conteniendo gas hidrógeno, puede preverse cual será la reacción que ocurrirá primero a
través del valor de ΔH de cada una.
Como la reacción a) es la que libera mayor cantidad de energía, espontáneamente es la
reacción que ocurrirá en primer lugar.
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5. En química que hemos aprendido sobre reacciones exotérmicas y endotérmicas. Pero el,
¿Cómo es aplicable a nuestra vida cotidiana?, para muchos es desconocido.
En primer lugar, una reacción exotérmica es aquella en la que el calor se produce como
uno de los productos finales. Debido a la reacción se convierte en calor. Ejemplos de
reacciones exotérmicas en nuestra vida cotidiana son: la combustión, como la quema de
una vela, madera y reacciones de neutralización. En una reacción endotérmica, sucede
lo contrario. En esta reacción, se absorbe el calor o más exactamente, el calor es
necesario para completar la reacción. La fotosíntesis de las plantas es una reacción
endotérmica química. En este proceso, los cloroplastos en las hojas absorben la luz del
sol. Sin luz solar o alguna otra fuente similar de energía, no se puede completar esta
reacción.
En reacciones exotérmicas el cambio de entalpía siempre es negativo, mientras que en
la reacción endotérmica el cambio de entalpía siempre es positivo. Esto es debido a la
liberación y la absorción de calor en las reacciones, respectivamente. Los productos
finales son estables en reacciones exotérmicas. Los productos finales en reacción
endotérmica son menos estables. Esto es debido a los débiles enlaces formados.
‘Endo‘ significa absorber y por lo tanto, en reacción endotérmica, la energía es absorbida
desde el entorno externo. Así, los entornos pierden energía y como resultado, el
producto final tiene mayor nivel de energía que los reactivos. Debido a estos enlaces de
alta energía, el producto es menos estable y la mayoría de las reacciones endotérmicas
no son espontáneas. ‗Exo‘ significa desprender y es así como se libera la energía en
reacciones exotérmicas. Como resultado, el entorno se calienta. Muchas de las
reacciones exotérmicas son espontáneas.
Cuando encendemos una cerilla, esto causa una reacción exotérmica. En esta reacción,
cuando tomamos el cerillo y lo frotamos para encenderlo, la energía almacenada se
libera en forma de calor, espontáneamente y la llama tendrá menor energía que el calor
producido. La energía siendo liberada está previamente almacenada en la cerilla y por lo
tanto no requiere de ninguna energía externa para que la reacción que se produzca.
Cuando el hielo se derrite, será debido al calor a su alrededor. El medio ambiente tendrá
una temperatura más alta que el hielo y este calor es absorbido por el hielo. La
estabilidad de los enlaces se reduce y como resultado, se funde en un líquido.
Algunas reacciones exotérmicas en nuestras vidas son la digestión de alimentos en
nuestro cuerpo, reacciones de combustión, la condensación del agua, explosiones de
bombas y agregar un metal alcalino al agua. Ahora debe tener una idea de que son las
reacciones exotérmicas y endotérmicas.
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6. b) Energía de activación y orientación
El hecho de que una reacción sea
exotérmica no quiere decir que se de
espontáneamente.
Generalmente será necesario aportar
energía a la reacción para que la reacción
tenga lugar: es lo que se conoce como
energía de activación.
Lo que realmente ocurre es que, una vez
que el sistema ha absorbido esa energía de
activación, luego desprende una cantidad
de calor mayor que la que ha necesitado
para activarse, de modo que la reacción en
su conjunto desprende energía, es
exotérmica.
Aún hay otro factor que influye en que se de una reacción: como las reacciones se
producen cuando las moléculas chocan entre sí, no sólo es necesario que las moléculas
tengan suficiente energía, sino también que los choques se den con la orientación
correcta.
La simulación de la derecha representa la formación del yoduro de hidrógeno a partir de
hidrógeno (en gris) y yodo (en violeta). Puedes elegir entre tres condiciones de reacción
(energía menor que la de activación, energía igual o mayor que la de activación pero
orientación incorrecta y energía igual o mayor que la de activación y orientación
correcta), y observar lo que ocurre en cada uno de los casos.
Si nos limitamos a colocar en el mismo recipiente dos sustancias distintas sólo
tendremos una mezcla física. Por contra, si proporcionamos al sistema una energía
superior a la energía de activación, se producirá una reacción química, formándose el
producto de la reacción.
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7. El acontecimiento de una reacción química está obligatoriamente relacionado con el
contacto entre moléculas reactivas y a una energía mínima necesaria. Esta energía
mínima para el acontecimiento de la reacción es llamada como energía de activación.
La formación de los productos a partir de los reactivos es un proceso gradual en que los
enlaces de los reactivos son rotos en paralelo con la formación de los enlaces de los
productos. Este estado intermedio en que algunos enlaces están semi-rotos y otros
semi-formados es conocido como ―complejo activado‖.
Otra exigencia para la formación del complejo activado es que las moléculas reactivan
colisiones con orientación favorable a la formación del mismo
Colisiones con energía y orientaciones adecuadas a la formación del complejo activado,
son llamadas como colisiones efectivas. Estos son los principios básicos de la Teoría de
Colisión.
Dada la siguiente reacción: H2 + I2 —-> 2 HI
Verifiquemos en la tabla a continuación, en la primer línea una orientación que lleva a
una colisión no efectiva y en la segunda línea una que lleva a una colisión efectiva
No todas las colisiones son efectivas, en tanto, todas en que el complejo activado es
alcanzado llevan a la formación de los productos.
Complejo activado es una estructura intermedia entre los reactivos y los
productos, con enlaces intermediarios entre los dos reactivos y los dos
productos.
La energía de activación de la reacción corresponde a la energía necesaria para que la
reacción se efectúe con menos energía de los reactivos. Cuanto más baja fuese la
energía de activación de una reacción, más elevada será la velocidad de la misma.
Una reacción se llama exotérmica cuando provee para el medio una energía más alta
que la necesaria para alcanzar el complejo activado.
Cuando una reacción es endotérmica, ella provee para el medio una energía más baja
que la necesaria para alcanzar el complejo activado.
Catalizadores son sustancias que disminuyen la energía de activación para una dada
reacción, sin alterar el ΔH de la misma. Los catalizadores no se alteran durante las
reacciones.
En la autocatálisis, uno de los productos de la reacción actúa como catalizador, al inicio
de la reacción es lenta con la formación de este la velocidad va aumentando
gradualmente.
En la catálisis homogénea, catalizador y reactivos se encuentran en la misma fase. En la
catálisis heterogenea, catalizador y reactivos se encuentran en fases diferentes.
Las enzimas son catalizadores que actúan en reacciones biológicas y generalmente son
bastante específicas y presentan temperatura óptima de actuación en el entorno de los
37º. 7