Para que se formen nuevas moléculas, es necesario romper enlaces y formar enlaces. Estos procesos pueden clasificarse como exotérmicos y endotérmicos. Pero, ¿cuánta energía se necesita para ello? Esto es lo que exploraremos hoy.
Fig. 1: Enlaces de hidrógeno en el agua. https://commons.wikimedia.org
- Exploraremos qué es formar o crear un enlace.
- Qué es romper un enlace.
- Cómo calcular la energía de enlace.
- Las unidades de energía de enlace.
- Por último, exploraremos algunos ejemplos de cálculos de energía de enlace.
Este tema es obligatorio para el nivel superior.
Formación y ruptura de enlaces
En una reacción, lo primero que hay que hacer es romper los enlaces. Para ello se necesita energía, por lo que se absorbe energía del entorno. Este es un ejemplo de reacción endotérmica. Una vez rotos los reactivos, pasamos a la formación de enlaces, en la que las moléculas recién rotas forman enlaces con nuevas moléculas. Sin embargo, esta reacción libera energía al entorno. Es un ejemplo de reacción exotérmica. Durante este periodo, la temperatura puede aumentar si la energía de formación del enlace es mayor que la energía de ruptura del enlace.
Reacción exotérmica: Reacción en la que se transfiere energía de la reacción al entorno.
Reacción endotérmica: Una reacción en la que se absorbe energía del entorno a la reacción.
Aunque se describen como dos pasos dentro de una reacción, debemos tener en cuenta que en una reacción la formación del enlace puede no ocurrir inmediatamente después de la ruptura del enlace. Por el contrario, pueden ocurrir al mismo tiempo. No obstante, podemos utilizar la energía total de rotura del enlace y la energía total de formación del enlace para explorar los cambios de energía y clasificar una reacción como exotérmica o endotérmica.
La ruptura de enlaces absorbe energía y la formación de enlaces libera energía.
Al principio de este artículo hemos analizado el agua. Si investigamos más a fondo podemos identificar que para que se forme el agua es necesario que se desdoblen el hidrógeno (H2) y el oxígeno (O2). La división del hidrógeno y el oxígeno se clasifica como ruptura de enlaces. A continuación, el proceso puede pasar a la formación de enlaces, en la que dos átomos de H se enlazan con un único átomo de O, produciendo así agua.
Fig. 2: Incendio de Woolsey, https://commons.wikimedia.org
También podemos explorar la ruptura y la formación de enlaces al estudiar la combustión. En este tipo de reacción se rompen enlaces entre hidrocarburos, así como enlaces entre moléculas de oxígeno. Ambas se clasifican como ruptura de enlaces. Absorben energía, por lo que serían endotérmicas. Para producir los productos finales de la combustión, dióxido de carbono y agua, es necesario que se formen enlaces entre el carbono y el oxígeno, así como enlaces entre el hidrógeno y el oxígeno. Esto se conoce como formación de enlaces, por lo que se libera energía y, por tanto, se clasifica como exotérmica.
Ecuación de la energía de enlace
Una de las principales cosas que necesitamos poder calcular es el cambio energético global de una reacción. Para determinarlo necesitamos conocer las distintas energías de enlace.
Energía de enlace: La energía necesaria para romper el enlace entre dos átomos. Se mide en kJ/mol.
Para calcular el cambio de energía necesitamos dos cosas:
- La energía necesaria para romper los enlaces de los reactivos
- La energía liberada cuando se forman los enlaces para producir los productos
Juntos podemos formar esta ecuación para calcular el cambio energético global:
Cambio de energía = energía de enlace total del reactivo - energía de enlace total de los productos
Unidades de energía de enlace
La energía se mide generalmente en julios (J). Pero a veces el número puede ser muy grande, por lo que puede dividirse por 1000 para mostrar el equivalente en kilojulios (kJ). Utilizamos los kilojulios cuando exploramos las unidades de energía de enlace. Además, utilizamos la energía de enlace por mol. Por tanto, las unidades totales de energía de enlace son kilojulios por mol, que pueden escribirse así: kJ/mol.
La energía de enlace de un enlace H-H es de 440.000 julios. Para que resulte más fácil a la hora de utilizar el valor para calcular la energía de enlace, podemos dividirlo para formar kilojulios.
440.000 J : 1000 = 440kJ
Esto significa que 440.000J es lo mismo/equivale a 440kJ.
Problemas prácticos de energía de enlace con respuestas
Ahora que ya hemos estudiado cómo calcular el cambio de energía, veamos algunos ejemplos. Exploraremos cada problema paso a paso y utilizaremos la energía media de enlace que aparece a continuación. Ten en cuenta que estas energías de enlace no son exactas.
| Energías medias de enlace de varios enlaces en kJ | |
|---|---|
| Enlace | Energía de enlace (kJ/mol) |
| H-H | 440 |
| F-F | 160 |
| H-F | 570 |
| C-H | 420 |
| O=O | 500 |
| C=O | 750 |
| H-O | 470 |
| N≡N | 940 |
| N-H | 400 |
Para este ejemplo, vamos a utilizar el Proceso de Haber, en el que el nitrógeno y el hidrógeno reaccionan para formar amoníaco. Esta reacción puede ir hacia delante y hacia atrás, pero nosotros calcularemos la reacción hacia delante.
Ecuación química:
$$N_{2(g)} + 3H_{2 (g)}rightleftharpoons 2NH_{3(g)}$$
1. Primero necesitamos calcular la energía de enlace entre los reactantes. Para esta reacción se trata de un mol de nitrógeno con nitrógeno (triple enlace) y tres moles de hidrógeno con hidrógeno (enlace simple).
1 mol - N≡N(940 kJ/mol) = 940 kJ
3 mol - H-H (440 kJ/mol) = 1600 kJ
Así que la energía total de ruptura del enlace es: 940 kJ + 1320 kJ = 2260 kJ
2. Ahora tenemos que calcular la energía de enlace entre los productos. Para esta reacción se trata de dos moles de enlace simple de nitrógeno a hidrógeno. Para este enlace, cada nitrógeno está unido a tres hidrógenos, por lo que son 6 enlaces.
6 mol x N-H (400 kJ/mol) = 2400 kJ
3. Por último, calcularemos el cambio de energía.
Cambio de energía = 2260 kJ - 2400 kJ = -140 kJ/mol por reacción
Cambio energético global = -140 kJ/mol
Para nuestro segundo ejemplo exploraremos la reacción entre el hidrógeno y el flúor.
Ecuación química: H2(g) + F2(g) → 2HF(g)
1. Primero tenemos que calcular la energía de enlace entre los reactantes, así que para esta reacción se trata de un mol de hidrógeno con hidrógeno en un enlace simple y un mol de flúor con flúor también en un enlace simple.
1 mol - H-H (440 kJ/mol) = 440 kJ
1 mol - F-F (160 kJ/mol) = 160 kJ
Por tanto, la energía total de ruptura del enlace es: 440 kJ + 160 kJ = 600 kJ
2. Ahora tenemos que calcular la energía de enlace entre los productos. Para esta reacción se trata de dos moles de hidrógeno con flúor en un enlace simple.
2 mol - H-F (570 kJ/mol) = 1140 kJ
Así que la energía total de ruptura del enlace es: 1140 kJ
3. Por último, calcularemos el cambio de energía.
Cambio de energía = 600 - 1140 = -540 kJ para cada reacción
Cambio energético total = -540 kJ para cada reacción
Para nuestro ejemplo final vamos a explorar la reacción entre el oxígeno y el metano.
Ecuación química: CH4(g) + 2O2 (g) → CO2 (g) + 2H2O
1. Primero tenemos que calcular la energía de enlace entre los reactantes, así que para esta reacción son 4 enlaces simples entre el carbono y el hidrógeno y 2 moles de oxígeno con enlace doble.
4 mol x C-H (420 kJ/mol) = 1680 kJ
2 mol x O=O (500 kJ/mol) = 1000 kJ
Por tanto, la energía total de ruptura del enlace es: 1680 + 1000 = 2680 kJ
2. Ahora tenemos que calcular la energía de enlace entre los productos. Para esta reacción son dos moles de agua y un mol de dióxido de carbono.
4 mol - H-O (470 kJ/mol) = 1880 kJ
2 mol - C=O (800 kJ/mol) = 1600 kJ
Por tanto, la energía total de ruptura del enlace es: 1880 + 1600 = 3480 kJ
3. Por último, calcularemos el cambio de energía.
Cambio de energía = 2680 - 3480 = -800 kJ
Cambio energético total = -800 kJ
Las cifras de estos ejemplos sólo sirven para mostrar cómo calcular los cambios de energía.
Perfiles de reacción
Los perfiles de reacción son otra forma de explorar las reacciones exotérmicas y endotérmicas.
Fig. 3: Reacción exotérmica, https://commons.wikimedia.org
Éste es un ejemplo de perfil de reacción exotérmica. Donde la energía de los productos (C) es menor que la de los reactantes (A+B). Lo contrario ocurre con los perfiles de reacción endotérmica, donde la energía de los productos es mayor que la de los reactantes. Puedes profundizar en este tema en otro artículo.
Cálculo de la energía de enlace - Puntos clave
- En una reacción es necesario romper enlaces y formar enlaces.
- La formación de enlaces es un ejemplo de reacción endotérmica.
- Romper enlaces es un ejemplo de reacción exotérmica.
- Para calcular la energía necesitamos las energías de enlace medias de los reactantes y los productos.
- Cambio de energía = energía de enlace total del reactante - energía de enlace total de los productos.
- Las unidades de la energía de enlace son kilojulios por mol, que pueden escribirse así kJ/mol.
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