Preparatoria

Procesos asociados con el calor y la velocidad de las reacciones químicas

Entalpía

La termoquímica estudia los intercambios de energía que acompañan a las reacciones químicas; para expresar el calor liberado o absorbido en un proceso a presión constante, los químicos utilizan una cantidad llamada entalpía que se representa con el símbolo H. En la entalpía no se pretende conocer la energía de los productos o los reactivos, sino el cambio de calor de reacción. Hay varios tipos de entalpía dependiendo del momento del proceso en el que ocurren: la de reacción y la de formación.

Entalpía de reacción

La entalpía de reacción es el calor que se absorbe o se desprende durante una reacción química, que se lleva a cabo bajo una presión constante.

Para representar las trasferencias de calor que acompañan a cada cambio se utilizan ecuaciones químicas que incluyen el estado de agregación de cada sustancia y la entalpía de la reacción.

Por ejemplo, si tenemos combustión de propano:

En donde AH resulta de la comparación entre la entalpía de los productos menos la entalpía de los reactivos: el signo que acompaña al valor numérico indica el sentido de transferencia: los positivos indican reacciones endotérmicas y los negativos reacciones exotérmicas:

  • Reacción exotérmica. Libera energía y su calor de reacción es negativo por ser su contenido energético mayor en los reactantes que en los productos.
  • Reacción endotérmica. Absorbe energía calorífica y su calor de reacción es positivo, ya que en los productos tienen mayor contenido energético que en los reactantes.

La fórmula matemática para calcular la entalpía de una reacción es:

Donde:

Entalpía de formación

La entalpía de formación, es la variación de energía calorífica necesaria para formar un mol de un compuesto, en condiciones de presión y temperatura estándar, que son temperatura de 298 K (25°C) y presión de 100 kPa (1 atm).

Las entalpías de formación se reportan en tablas y a partir de los datos obtenidos en ellas, se calcula matemáticamente el cambio de la entalpía de las reacciones químicas.

La entalpía de formación de un elemento es cero por definición.

Ejemplo 1: Calcula las entalpías de reacción para las siguientes reacciones químicas:

Ejemplo 2: Determina la entalpía de reacción para la siguiente ecuación química e indica si es un proceso exotérmico o endotérmico.

  1. Escribe la ecuación química balanceada:

2.

Reacciones exotérmicas y endotérmicas

En todas las reacciones químicas se manifiestan cambios de energía que puede ser absorbida o liberada en forma de calor, luz, electricidad y/o mecánica. Cuando una reacción libera energía en forma de calor o energía térmica al entorno, se dice que la reacción es exotérmica, y cuando la energía es extraída del entorno para que se efectúe, la reacción es endotérmica.

Velocidad de reacción

La velocidad de las reacciones es variable, pues algunas son tan lentas como la oxidación de los metales, y otras son tan rápidas como la del magnesio, que al agregarle unas gotas de ácido clorhídrico concentrado reacciona rápidamente transformándose en cloruro de magnesio, con desprendimiento de hidrógeno y calor.

La cinética química es la que se encarga del estudio de la rapidez con la que suceden las reacciones químicas. Conocer los factores que la modifican nos permite controlar las condiciones en las que se efectúan las reacciones y, con ello, tener un mayor rendimiento en la obtención de productos.

Para que reacciones átomos, moléculas o iones (transfiriendo o compartiendo electrones de valencia) se debe cumplir con lo siguiente:

a) Suministrarles una cierta energía mínima llamada energía de activación.
b) Hacer contacto o una colisión suficiente para romper o debilitar sus enlaces, de modo que las moléculas resultantes queden activas.

La energía cinética (de colisión) mínima que las moléculas reaccionantes deben poseer se conoce como energía de activación y se abrevia Ea. La energía de activación para una reacción está en función del tipo específico de moléculas que participan.

En el caso de las reacciones que se efectúan de manera instantánea cuando se mezclan los reactivos, la energía de activación es baja; pero en las reacciones que tardan, la energía de activación es elevada.

La colisión está controlada por la concentración y la temperatura. A mayor concentración de los reactivos, las partículas chocarán con mayor frecuencia. Un aumento en la temperatura incrementa la frecuencia de colisión, porque las partículas se
mueven más rápido a temperaturas elevadas, lo que ocasiona que se contacten más frecuentemente.

La velocidad de reacción se expresa de la siguiente manera:

La velocidad de la reacción se ve afectada por diversos factores, entre los cuales tenemos:

Tamaño de partícula. Los estados de agregación de los reactivos (líquido-sólido, líquido-gas o gas-sólido) y el tamaño de la partícula son factores que determinan la velocidad de una reacción, cuanto más pequeñas sean las partículas mayor será el
área superficial y permitirá un incremento en la frecuencia de colisiones.

Temperatura. En casi todos los casos, al elevar la temperatura de los reactivos, se incrementa el movimiento de los átomos, las moléculas o iones y por lo tanto la probabilidad de colisión entre ellos, en otras palabras su velocidad de reacción.

Catalizadores. La velocidad de reacción se altera por el uso de catalizadores, aumentando la velocidad sin que sufran modificación permanente y se puedan recuperar al final de la reacción. Un catalizador funciona cambiando el mecanismo físico normal de la reacción a un nuevo proceso, que requiere menos energía de activación. Esto significa que, a cualquier temperatura dada, más moléculas obtienen una mínima energía de activación y reaccionarán.

Concentración. El aumento en la concentración de uno o más reactivos, normalmente aumenta la velocidad de reacción a un cierto grado, ya que habrá más moléculas para reaccionar por unidad de tiempo.

En estado gaseoso, al aumentar la presión, el volumen se reduce y obliga a los reactivos a acercarse entre sí, y así entran en contacto para desencadenar la reacción.

Desarrollo sustentable

«El desarrollo sustentable es aqul que satisface las necesidades del presente sin poner en riesgo la habilidad de generaciones futuras de satisfacer las propias».

Comisión Mundial para el Medio Ambiente y Desarrollo 1987

Como te habrás dado cuenta, todo el tiempo ocurren reacciones químicas a tu alrededor. Cuando el ser humano logró controlar las condiciones en las cuales se realizan las reacciones químicas, se percató de que podría obtener muchas satisfacciones a sus necesidades.

Los avances en la Química y la tecnología han apoyado a la evolución de diversos campos del conocimiento. La humanidad se ha adaptado rápidamente a las soluciones tecnológicas que la Química le viene ofreciendo: medicamentos, fibras sintéticas y toda la variedad de nuevas sustancias con las cuales confeccionamos vestidos y calzados, accesorios personales y de higiene, envases para alimentos, objetos para el hogar, componentes de automóviles, electrodomésticos y computadoras, entre otros usos que damos a la gran variedad de materias primas intermedias que ofrece la industria química.

La tecnología, como un proceso creativo ha logrado que la humanidad gane el control sobre la naturaleza y alcance una existencia civilizada. Con esto, una gran parte de la población del mundo ha mejorado su forma de vida. Sin embargo, nos hemos percatado de que nuestros avances también han sido destructor y perjudiciales. La contaminación de la atmósfera, la explotación irracional de los recursos, la contaminación terrestre por el uso de pesticidas amenazan la cadena alimenticia, y la salud del hombre mismo; en tanto que los residuos de minerales de una gran variedad de procesos industriales están contaminando las reservas subterráneas de agua.

Además, casi todas las reacciones químicas necesitan un catalizador que acelere su velocidad de reacción para hacerla rentable, pero comúnmente los catalizadores químicos son tóxicos, y una vez concluida la reacción hay que someterlos a diversos procesos para evitar la contaminación que producen al ser desechados. Por otro lado, las reacciones químicas requieren generalmente el uso de altas temperaturas y esto supone un gasto de energía que no favorece al medio ambiente y que dificulta la sustentabilidad global de tales procesos.

En esta era de tecnología, es importante que el desarrollo de productos químicos sea seguro, que cumplan su función sin causar riesgos a la salud o al medio ambiente, y en cuya manufactura se optimice el uso de los combustibles para disminuir la emisión de gases tóxicos. Hay que reemplazar dichos recursos por energías alternativas como la energía solar o la eólica. Es necesario que tomemos conciencia y seamos sensibles a las necesidades ambientales.

Fuente: Secretaría de Educación Pública. (2015). Química I. Ciudad de México.