TRANSFERENCIA DE ENERGIA Y ESPONTANEIDAD
DE LAS REACCIONES QUÍMICAS
 

 

INTRODUCCIÓN


En los temas 3 y 4 estudiamos cómo los cambios producidos en los sistemas materiales están siempre relacionados con intercambios de energía. Dichos intercambios de energía pueden realizarse mediante la realización de trabajo o mediante calor.

En este tema continuaremos el estudio de los cambios químicos analizando el intercambio de energía que tiene lugar entre las sustancias que intervienen en una reacción química (en adelante “sistema químico”) y el medio que le rodea (en adelante “el exterior”).

A.1. Citad ejemplos o situaciones en las que se ponga de manifiesto la importancia que tienen los intercambios de energía asociados a determinadas reacciones químicas. A continuación, sugerid qué preguntas podríamos plantearnos para profundizar en el estudio de dichos intercambios.

Desde la antigüedad los seres humanos hemos venido realizando reacciones químicas para obtener energía con la que producir determinados cambios. Si retrocedemos en el tiempo, podemos pensar, por ejemplo, en la combustión de la madera y carbón para calentarse, cocinar los alimentos u obtener y trabajar materiales como los metales o la cerámica. Otros ejemplos, más actuales, son la utilización de explosivos en la minería, construcción de carreteras, conflictos bélicos, etc., o el uso creciente de combustibles fósiles (derivados del petróleo, carbón y gas natural) en los medios de transporte, la calefacción o la producción de energía eléctrica, aumentando como consecuencia las emisiones de dióxido de carbono (y con ello el efecto invernadero). La energía que necesitamos para vivir la ingerimos a través de los alimentos y es absorbida, almacenada y transferida a través de reacciones químicas que se producen en nuestro organismo. En gran parte, nuestro estado de salud depende de una dieta adecuada a nuestras necesidades energéticas.

Entre las preguntas que podemos plantearnos:


- ¿De dónde sale la energía que podemos obtener a partir de reacciones químicas?
- ¿Por qué hay reacciones químicas que proporcionan (al exterior) energía mientras que en otras ocurre lo contrario y lo que hacen es absorber energía (del exterior)?
- ¿Cómo podemos medir la cantidad de energía transferida en una reacción química?

-¿Se puede saber con antelación qué cantidad máxima de energía podemos obtener a partir de una reacción química?
- ¿Podemos realizar trabajo mecánico a partir de reacciones químicas apropiadas?
- ¿Por qué unas reacciones se producen de forma espontánea y otras no?

Para poder avanzar hacia la solución de los problemas anteriores tendremos que utilizar los conceptos de trabajo y calor como dos formas distintas de transferir energía de un sistema a otro. También hará falta utilizar el concepto de energía interna e introducir el concepto de energía química. Ello nos permitirá comprender qué es lo que hace que unas veces se transfiera energía desde los productos de una reacción al exterior y otras suceda al revés (reacciones exotérmicas y endotérmicas respectivamente). Para poder medir la energía transferida deberemos utilizar el principio de conservación de la energía (en este caso el primer principio de la termodinámica) y aprender a calcular el calor de reacción en diversas condiciones, para lo cual tendremos que introducir una nueva magnitud denominada entalpía de reacción. Seguidamente estudiaremos la espontaneidad o no de los cambios químicos, para lo que introduciremos dos nuevas magnitudes: la entropía y la energía libre de Gibbs, que nos permitirán predecir si una reacción será o no espontánea (segundo principio de la termodinámica) y la cantidad máxima de trabajo útil que se puede obtener a partir de una reacción.

Antes de comenzar, conviene que nos detengamos brevemente en la observación cualitativa de dos reacciones químicas, que nos permitirán una primera aproximación al concepto de reacción exotérmica y endotérmica.

 

A.2. Realizad las siguientes experiencias, observando todos los cambios que se produzcan:
a) En un tubo de ensayo colocad 2 mL de ácido clorhídrico 2 M y añadid un par de trozos de zinc metálico.
b) En un vaso de precipitados mezclar agitando con una varilla de vidrio 4 g de hidróxido de bario hidratado Ba(OH)2·8H2O con 2 g de tiocianato de amonio.

En la primera reacción se observa que se desprenden unas burbujas de un gas incoloro, disminuye la cantidad de metal y a la vez el tubo de ensayo que contiene la reacción se calienta. El gas que se desprende se puede comprobar que es inflamable puesto que al acercar una llama a la boca del tubo de ensayo se produce una pequeña deflagración. Se trata de hidrogeno (H2).


En la segunda reacción, al mezclar los dos sólidos, que en principio presentaban un aspecto polvoriento, se forma una pasta (debido a la aparición de agua líquida) y se aprecia claramente el olor característico del amoniaco que se desprende del vaso donde se produce la reacción. Además, las paredes del recipiente se enfrían y el vapor de agua atmosférico condensa sobre ellas llegando a congelarse.

La primera reacción es un ejemplo de reacción exotérmica, mientras que la segunda, se trata de una reacción endotérmica. En ambos casos se produce un intercambio de energía entre la reacción química y el exterior. En la exotérmica se transfiere energía mediante calor desde el sistema químico al exterior (por eso las paredes del tubo y el aire de alrededor se calientan). En la endotérmica, en cambio, es el sistema químico quien gana energía del exterior (por eso las paredes del vaso y el aire de alrededor se enfrían).


Hemos de insistir en que aunque el calor no es ni una sustancia ni tampoco una energía, es habitual utilizar expresiones tales como calor ganado (o calor cedido) u otras similares. Lo importante es comprender que cuando se utilicen lo que se quiere decir realmente es energía ganada (o energía cedida) mediante calor. En realidad el calor es un proceso, no una sustancia ni una energía.