1. ¿A QUÉ SE DEBEN LOS CAMBIOS DE ENERGÍA QUE SE PRODUCEN EN LAS REACCIONES QUÍMICAS?  

 


Como ya sabemos, las sustancias químicas están formadas por átomos o iones que, habitualmente, forman agregados de relativa estabilidad como las moléculas, los cristales iónicos o los cristales atómicos (metales). Una muestra dada de una sustancia se caracteriza por tener una energía "propia" a la que denominaremos como energía interna y que se representa por el símbolo U. Para el estudio de los cambios químicos en las sustancias dicha energía se considera, fundamentalmente, como el fruto de tres aportaciones: la energía cinética asociada a los posibles movimientos (de todo tipo) de las partículas (energía térmica), la energía potencial eléctrica asociada a la existencia de débiles fuerzas de unión entre agregados de partículas (por ejemplo, las fuerzas entre moléculas o intermoleculares) y la energía potencial eléctrica asociada a la existencia de uniones fuertes entre las propias partículas que forman los agregados (por ejemplo, las fuerzas entre átomos de una misma molécula o fuerzas intramoleculares). A la suma de las dos últimas (energía interna potencial) la designaremos como energía química, ya que en todo cambio químico se rompen unos enlaces en las sustancias reaccionantes y se forman otros nuevos en los productos de la reacción.

 

Dado que es bastante improbable que la energía química de los productos coincida con la de las sustancias reaccionantes, en la mayoría de las reacciones se producirá un cambio o variación de energía química, dada por:

ΔUq = Uqprod - Uqreac

De la ecuación anterior resulta evidente que el cambio de energía química en una reacción (o energía de reacción) será positivo cuando la energía química de los productos sea mayor que la de los reaccionantes, mientras que será negativo en caso contrario.


Para romper cualquier enlace químico (como, por ejemplo, el que mantiene unidos a los dos átomos de oxígeno en la molécula de O2), se requiere siempre una cierta cantidad de energía. Por el contrario, cuando se produce un enlace químico entre átomos (o grupos de átomos) inicialmente aislados, siempre se "libera" energía. De acuerdo con el principio de conservación, la energía necesaria para romper un enlace determinado habrá de coincidir con la energía que se libere al producirse ese mismo enlace.


El valor de la energía interna U de una muestra de una sustancia depende del estado físico de la misma (sólido, líquido, gas), de las condiciones de presión y temperatura a la que se encuentre, y de la masa de la muestra (a igualdad de los restantes factores 20 g de agua tendrán doble energía interna que 10 g de agua). En realidad no podemos medir el valor absoluto de U para una muestra dada de sustancia, aunque sí sabemos que dicha energía debe tomar el mismo valor (sea el que sea) siempre que las condiciones en que se encuentra esa sustancia (masa, temperatura, fase, etc.) se repitan (sea cual sea el procedimiento seguido para obtener esa sustancia). Decimos entonces que U es una “función de estado”. Una consecuencia de ello es que cuando un sistema químico evolucione entre dos estados (1) y (2), ΔU no dependerá del proceso o camino que se haya seguido para llegar de un estado al otro. Por ejemplo: el cambio de energía interna que se produce en 1g de agua cuando pasa de 0ºC y 1 atm a 1 g de agua a 100 ºC y 1 atm, es el mismo independientemente del método que hayamos seguido para realizar el proceso (calentar con una llama, con un microondas, con una resistencia eléctrica, etc.), del tiempo empleado, o de si lo hacemos directamente o por etapas.


A.3. Escribid y ajustad las ecuaciones químicas que representan las reacciones observadas en la actividad A.2. ¿Cómo se justifica el cambio de temperatura de los recipientes en los que se ha realizado la reacción?.

La forma más adecuada de justificar el cambio de temperatura observado es suponer que ambos recipientes estuviesen aislados y aplicar el principio de conservación de la energía, según el cual, en esas condiciones, la energía interna total del sistema químico antes y después de la reacción ha de ser la misma. También supondremos que las sustancias reaccionantes se encontraban inicialmente a la misma temperatura que el medio circundante.


a) En el primer caso, puesto que ha aumentado la temperatura, la energía cinética media de las partículas que forman los productos de la reacción es mayor de la energía cinética media de las de las sustancias reaccionantes. Como la energía interna total ha de ser la misma al final que al principio de la reacción, hemos de concluir que la energía química de los productos es menor que la de los reactivos. En otras palabras: El aumento de la energía térmica producido coincide con la disminución de la energía química.


Otra forma de entenderlo, es partiendo del hecho de que la rotura de enlaces químicos presentes en los reactivos requiere aportar energía, mientras que la formación de enlaces en los productos lo que hace es liberar energía. En este caso, la segunda es mayor que la primera, por lo que la diferencia se queda en forma de energía interna cinética de los productos (o energía interna) y por eso la temperatura del sistema químico aumenta.


Si el recipiente no estuviese aislado, una parte de la energía térmica del sistema químico pasaría (mediante calor) al recipiente y al aire de alrededor (que se calentarían, aumentando su temperatura). Esto se suele expresar habitualmente diciendo que:


Una reacción exotérmica es aquella en la que se "cede calor" al medio exterior


En el segundo caso ocurre lo contrario. Puesto que ha disminuido la temperatura, la energía cinética promedio de las partículas que forman los productos, es menor que la de las sustancias reaccionantes. Como la energía interna total ha de ser la misma al principio que al final de la reacción, concluimos que la energía química de los productos es mayor que la de los reactivos. En otras palabras: La disminución de la energía térmica producida coincide con el aumento de la energía química.


Otra forma de entender el proceso es tener en cuenta que, en este caso, la energía que se libera en la formación de enlaces de los productos es menor que la que se necesita para romper los de las sustancias reaccionantes, por lo que la energía que falta proviene de la energía cinética interna, la cual, por tanto, disminuirá (lo que se traduce en una bajada de la temperatura o enfriamiento del sistema químico).


Si el recipiente no estuviese aislado, no cabe duda que se produciría una transferencia de energía mediante calor desde el entorno o medio exterior hacia el sistema químico (que se ha enfriado) hasta que se igualasen las temperaturas. Este hecho se expresa habitualmente diciendo que:


Una reacción endotérmica es aquella en la que se “absorbe calor” del medio exterior


 

De acuerdo con los razonamientos anteriores:

En un sistema químico, no aislado del exterior, en el que se produzca una reacción exotérmica, la energía interna del sistema disminuirá, es decir:


Reacción exotérmica → ΔU < 0


En un sistema químico, no aislado del exterior, en el que se produzca una reacción endotérmica, la energía interna del sistema aumentará, es decir:


Reacción endotérmica → ΔU > 0