Diagrama de energía potencial

Reacción exotérmica y endotérmica

Antes de sumergirnos en los diagramas químicos de energía potencial, debemos recordar la diferencia entreenergía cinética y potencial . La energía cinética es la energía producida por el movimiento, mientras que la energía potencial es la energía disponible como energía almacenada dentro de un objeto, como una molécula, debido a la configuración de sus partes o átomos.

También debemos repasar el concepto básico de reacciones exotérmicas y endotérmicas. Para que se produzca una reacción, la colisión entre las partículas reaccionantes debe ser energética, y esta energía se conoce como energía de activación.

Durante una reacción química, puede liberarse o absorberse calor. Si se libera energía, la llamamos reacción exotérmica.

En las reacciones exotérmicas, la energía potencial de los productos es menor que la energía potencial de los reactantes. Por ello, el cambio de entalpía (ΔH) es negativo.

Lasreacciones endotérmicas, en cambio, son aquellas reacciones químicas que absorben energía. Estas reacciones tienen un ΔH positivo y la energía potencial de los productos tiende a ser mayor que la de los reactantes.

Diagrama de energía potencial etiquetado

Cuando se trata de reacciones químicas, los químicos utilizan diagramas de energía potencial (o diagramasde coordenadas de reacción ) para mostrar la energía potencial en una reacción química.

La figura 1 muestra un ejemplo sencillo de gráfico de energía potencial para una reacción exotérmica. Aquí, el eje x está etiquetado como la coordenada de reacción o tiempo, mientras que el eje y está etiquetado como la energía potencial.

Figura 1. Diagrama de energía potencial para una reacción exotérmica, Isadora Santos - StudySmarter Originals.

Sin embargo, a veces podemos encontrarnos con reacciones químicas que implican más de un paso elemental. En este caso, tendríamos un diagrama de coordenadas de reacción multipaso (figura 2). La figura siguiente muestra el diagrama de energía potencial para un mecanismo de reacción multipaso. Observa que el primer paso de esta reacción química es endotérmico, mientras que el segundo es exotérmico.

Figura 2. Diagrama de coordenadas de reacción en varios pasos, Isadora Santos - StudySmarter Originals.

¡Veamos un problema!

Diagrama de energía potencial para una reacción endotérmica

Ahora que sabemos cómo se etiqueta un diagrama de energía potencial, veamos el diagrama de energía potencial para una reacción endotérmica, que son reacciones que absorben energía y, como resultado, disminuye la temperatura de las mezclas de reacción en la disolución.

La figura 4 muestra el diagrama de energía potencial para la reacción endotérmica de descomposición del óxido de magnesio (MgO). Como era de esperar para una reacción endotérmica, observa que los productos (2 Mg + _O2) poseen más energía potencial que los reactantes (2 MgO).

$$ \text{2 MgO + energía} \a \text{2 Mg} \text{ + }\text{O}_{2} $$

Figura 4. Diagrama de energía potencial para una reacción endotérmica, Isadora Santos - StudySmarter Originals.

Otro ejemplo interesante de reacción endotérmica es la fotosíntesis. La fotosíntesis es el proceso de utilizar la energía de la luz solar para fabricar alimentos (glucosa) a partir de agua y dióxido de carbono. Durante la fotosíntesis, la energía luminosa se convierte en energía química.

$$ \text{6 CO}_{2} \text{ + 6 H}_{2}\text{O} \a \text{C}_{6}\text{H}_{12}\text{O}_{6}\text{ + O}_{2} $$

Figura 5. Gráfico de energía potencial para la fotosíntesis, Isadora Santos - StudySmarter Originals.

Diagrama de energía potencial con un catalizador

Cuando hay catalizadores, crean una vía de reacción alternativa con menor energía de activación (figura 6). Esta reducción de la energía de activación también aumenta exponencialmente la velocidad de la reacción.

Figura 6. Diagrama de energía potencial para una reacción química con y sin la presencia de un catalizador, Isadora Santos - StudySmarter Originals.

Un ejemplo común de catalizador es una enzima. Las enzimas son proteínas que actúan como catalizadores en las reacciones bioquímicas. Por ejemplo, la anhidrasa carbónica es una enzima que puede catalizar la síntesis de ácido carbónico, a partir de dióxido de carbono y agua, cuando la_{concentración de CO2} en el organismo es demasiado elevada. Esta regulación de la concentración de_CO2 por la enzima ayuda a mantener equilibrado el pH del cuerpo.

La figura 7 muestra el diagrama de energía potencial de esta reacción. Observa que, cuando está presente la enzima anhidrasa carbónica, se necesita menos energía de activación para iniciar la reacción. Sin embargo, no cambia el ΔH de la reacción, ya que no se agota.

Figura 7. Diagrama de energía potencial para la reacción entre CO2 y H2O para formar H2CO3, Isadora Santos - StudySmarter Originals.

Diagrama de la energía potencial eléctrica

Por último, hablemos de la energía potencial eléctrica. La energía potencial eléctrica es la energía potencial (energía "almacenada") que tiene una carga cuando la mueve una fuerza electrostática. Podemos utilizar la siguiente fórmula para calcular la energía potencial eléctrica.

$$ U = k\frac{q_{1}{veces q_{2}{r} $$

Donde

• U es la energía potencial eléctrica (J)
• k es la constante de Coulombs
• _q1 es la carga puntual 1
• _q2 es la carga puntual 2
• r es la distancia entre las dos cargas puntuales

La figura 8 muestra el diagrama del potencial eléctrico. El eje x muestra la distancia a la carga, y el eje Y muestra el potencial eléctrico en un punto determinado.

Figura 8. Diagrama de energía potencial eléctrica, Isadora Santos, StudySmarter Originals.