- En primer lugar, hablaremos de las reacciones exotérmicas y endotérmicas.
- Después, veremos cómo se etiquetan los diagramas de energía potencial.
- A continuación, exploraremos los diagramas de energía potencial de las reacciones endotérmicas.
- Después, veremos un diagrama de energía potencial con un catalizador implicado.
- Por último, hablaremos del diagrama de energía potencial eléctrica.
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.
La energía deactivación es la energía necesaria para iniciar la reacción.
Durante una reacción química, puede liberarse o absorberse calor. Si se libera energía, la llamamos reacción exotérmica.
Las reaccionesexotérmicas son aquellas que liberan energía al entorno.
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.
Laentalpía (ΔH) se define como el cambio total de energía en el sistema. Se puede calcular mediante la siguiente ecuación: \(\Delta H = H_{producto} - H_{reaccionante} \)
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.
Lasreacciones endotérmicas son reacciones que absorben energía del entorno hacia las sustancias que reaccionan.
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.
Para saber más sobre esto, o si necesitas un repaso, ¡consulta"Reacciones elementales" y"Reacciones multipaso"!
¡Veamos un problema!
Observando el siguiente gráfico de energía potencial, ¿qué puedes concluir sobre la reacción?
$$ \text{2 K} \a \text{ K} _{2}\text{S} $$
Figura 3. Diagrama de energía potencial para una reacción química en la que intervienen potasio (K) y azufre (S),Isadora Santos - StudySmarter Originals.
¿Cuál de las siguientes opciones es verdadera
a. La reacción es un tipo de reacción de síntesis y es exotérmica.
b. La reacción es un tipo de reacción de descomposición, y es endotérmica.
c. La reacción es un tipo de reacción de síntesis y es endotérmica.
d. La reacción es un tipo de reacción de descomposición y es exotérmica.
Lo primero que tienes que hacer es decidir si la reacción química es un tipo de reacción de síntesis o de descomposición. Recuerda que una reacción de síntesis consiste en combinar dos o más sustancias para obtener un nuevo producto, mientras que en una reacción de descomposición descomponemos una sustancia en dos o más productos diferentes. En este caso, estamos uniendo 2K + S para formar K2S, y por tanto tenemos una reacción de síntesis.
Observa ahora las energías potenciales de los reactantes y los productos en la figura 3. Como los productos tienen menos energía potencial que los reactantes, podemos decir que se trata de una reacción exotérmica.
Por tanto, la respuesta correcta es a.
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.
Si en cambio estuviéramos estudiando la síntesis de MgO, tendríamos un diagrama de energía potencial para una reacción exotérmica, y la energía potencial de los reactantes sería mayor que la PE de los productos. $$ \text{2 Mg} \text{ + }\text{O}_{2} \a \text{2 MgO + energía} $$
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.
Todos los catalizadores aumentan la velocidad de reacción sin utilizarse en la reacción. Los catalizadores, disminuyen la energía de activación creando una vía de reacción alternativa.
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 laconcentración de CO2 en el organismo es demasiado elevada. Esta regulación de la concentración deCO2 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.
¿Quieres saber más sobre las enzimas y otros tipos de catalizadores? ¡Echa un vistazo a"Catalizadores"!
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.
La energíapotencial eléctrica se aplica sobre todo a la física, por lo que siempre debes consultar con tu profesor de química si debes recordar esta fórmula para el examen.
Diagrama de energía potencial - Puntos clave
- La energíacinética es la energía producida por el movimiento.
- La energíapotencial es la energía disponible como energía almacenada.
- Lasreacciones exotérmicas son aquellas que liberan energía al entorno. En los gráficos de energía potencial exotérmica, la energía potencial de los productos es menor que la energía potencial de los reactantes.
- Las reaccionesendotérmicas son aquellas que transfieren energía del entorno a las sustancias que reaccionan. En los gráficos de energía potencial endotérmica, la energía potencial de los productos es mayor que la energía potencial de los reactantes.
Referencias
- Zumdahl, S. S., Zumdahl, S. A., & Decoste, D. J. (2019). Química. Cengage Learning Asia Pte Ltd.
- Dejan. (2018, 21 de agosto). Trabajo y Energía Potencial Eléctrica. How to Mechatronics. https://howtomechatronics.com/learn/work-electric-potential-energy/https://howtomechatronics.com/learn/work-electric-potential-energy/
- Theodore Lawrence Brown, Eugene, H., Bursten, B. E., Murphy, C. J., Woodward, P. M., Stoltzfus, M. W., & Lufaso, M. W. (2018). Química : la ciencia central (14ª ed.). Pearson.
- Princeton Review (Firma. (2020). Fast track chemistry : repaso esencial para AP, honores y otros estudios avanzados. The Princeton Review.
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