Reacciones exotérmicas y endotérmicas
Cuando prendes la estufa de gas, la llama calienta la olla. Pero en una compresa fría de las que se usan en un partido de fútbol pasa lo contrario: al golpearla, se enfría sola. Las dos cosas son reacciones o procesos químicos. ¿Por qué unos calientan y otros enfrían? ¿Y por qué la estufa necesita una chispa para empezar si después libera tanta energía?
Energía que sale, energía que entra
En química llamamos sistema a lo que estudiamos (los reactivos y los productos) y entorno a todo lo que lo rodea: el agua del vaso, el aire, el termómetro, tu mano.
Durante una reacción se rompen enlaces y se forman enlaces nuevos. Romper enlaces cuesta energía; formar enlaces la libera. Según cuál de las dos cantidades sea mayor, el sistema intercambia energía con el entorno en forma de calor.
La forma más sencilla de clasificar una reacción en el laboratorio es mirar el termómetro: si la temperatura sube, es exotérmica; si baja, es endotérmica.
Define reacción exotérmica y reacción endotérmica. Indica en cada caso si el sistema libera o absorbe energía y qué ocurre con la temperatura del entorno.
Define reacción exotérmica y reacción endotérmica. Indica en cada caso si el sistema libera o absorbe energía y qué ocurre con la temperatura del entorno.
En una práctica de laboratorio mezclas dos disoluciones en un vaso de precipitados. La temperatura inicial es de $20\ ^\circ\text{C}$ y, al terminar la reacción, el…
En una práctica de laboratorio mezclas dos disoluciones en un vaso de precipitados. La temperatura inicial es de $20\ ^\circ\text{C}$ y, al terminar la reacción, el termómetro marca $35\ ^\circ\text{C}$. Clasifica la reacción como exotérmica o endotérmica y justifica tu respuesta.
Clasificar con datos de temperatura
Para clasificar con datos se compara la temperatura final con la inicial en un calorímetro sencillo (un vaso aislado con tapa y termómetro).
| Observación | Conclusión |
|---|---|
| $T_{final} > T_{inicial}$ | Exotérmica: el calor pasa del sistema al entorno |
| $T_{final} < T_{inicial}$ | Endotérmica: el calor pasa del entorno al sistema |
Los ejemplos de la vida diaria también se clasifican así:
| Proceso | Tipo | Por qué |
|---|---|---|
| Combustión del gas propano en la estufa | Exotérmica | Libera luz y calor |
| Combustión de la madera en una fogata | Exotérmica | Calienta a quienes están alrededor |
| Fotosíntesis | Endotérmica | La planta absorbe energía de la luz solar |
| Cocinar un huevo | Endotérmica | Necesita calor continuo de la estufa |
Clasifica cada proceso como exotérmico o endotérmico: a) la combustión del gas propano en una estufa; b) la fotosíntesis de una planta; c) la combustión de la madera en…
Clasifica cada proceso como exotérmico o endotérmico:
- a) la combustión del gas propano en una estufa;
- b) la fotosíntesis de una planta;
- c) la combustión de la madera en una fogata.
Explica brevemente tu decisión en cada caso.
Un grupo de estudiantes registró la temperatura antes y después de tres reacciones en un calorímetro sencillo: | Reacción | Temperatura inicial ($^\circ\text{C}$) |…
Un grupo de estudiantes registró la temperatura antes y después de tres reacciones en un calorímetro sencillo:
| Reacción | Temperatura inicial ($^\circ\text{C}$) | Temperatura final ($^\circ\text{C}$) |
|---|---|---|
| 1 | 22 | 31 |
| 2 | 22 | 14 |
| 3 | 22 | 22 |
Clasifica las reacciones 1 y 2 y explica hacia dónde fluye el calor en cada una. Señala qué se puede concluir de la reacción 3 y por qué no basta con ese dato para afirmar que no hay intercambio de energía.
Compresas y disoluciones: romper y formar interacciones
Disolver una sal también es un proceso con energía. Al disolverla hay que romper las interacciones entre los iones de la sal y entre las moléculas de agua (se absorbe energía), y luego se forman interacciones entre los iones y el agua (se libera energía).
-
Si lo que se absorbe al romper es mayor que lo que se libera al formar: la disolución es endotérmica y la temperatura baja. Es el caso del nitrato de amonio en las compresas frías.
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Si lo que se absorbe es menor que lo que se libera: es exotérmica y la temperatura sube. Es el caso del cloruro de calcio en las compresas calientes.
Las compresas instantáneas frías contienen nitrato de amonio, que al disolverse en agua hace bajar la temperatura. Las compresas calientes usan cloruro de calcio, que al…
Las compresas instantáneas frías contienen nitrato de amonio, que al disolverse en agua hace bajar la temperatura. Las compresas calientes usan cloruro de calcio, que al disolverse hace subir la temperatura.
- a) Clasifica cada disolución como exotérmica o endotérmica.
- b) Explica en cada caso si la energía absorbida al romper las interacciones iniciales es mayor o menor que la liberada al formar las nuevas.
- c) Indica cuál de las dos compresas usarías para una torcedura de tobillo en un partido de fútbol y por qué.
Diagramas de energía y ΔH
Un diagrama de energía muestra la energía del sistema a lo largo de la reacción. Tiene tres niveles: reactivos, estado de transición (el punto más alto, una configuración inestable) y productos.
El diagrama de energía de una reacción da estos valores: los reactivos tienen una energía de $50\ \text{kJ}$, los productos de $20\ \text{kJ}$ y el estado de transición…
El diagrama de energía de una reacción da estos valores: los reactivos tienen una energía de $50\ \text{kJ}$, los productos de $20\ \text{kJ}$ y el estado de transición de $120\ \text{kJ}$.
- a) Calcula el cambio de entalpía $\Delta H$ de la reacción directa y clasifícala como exotérmica o endotérmica.
- b) Calcula la energía de activación de la reacción directa y la de la reacción inversa.
- c) Indica cómo cambiarían estos valores si se agregara un catalizador, y qué valor permanecería igual.
El catalizador: más rápido, mismo balance
Un catalizador es una sustancia que acelera una reacción sin consumirse. Ofrece un camino alternativo con menor energía de activación.
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Cambia: la energía de activación (baja, en la directa y en la inversa) y por tanto la rapidez.
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No cambia: la energía de reactivos y productos, el $\Delta H$, la cantidad de calor total liberado o absorbido y el tipo de reacción.
Se descompone peróxido de hidrógeno ($\text{H}2\text{O}2$) en dos ensayos iguales, con la misma cantidad de reactivo. En el primero no se agrega nada. En el segundo se…
Se descompone peróxido de hidrógeno ($\text{H}_2\text{O}_2$) en dos ensayos iguales, con la misma cantidad de reactivo. En el primero no se agrega nada. En el segundo se agrega una pequeña cantidad de dióxido de manganeso, $\text{MnO}_2$, que actúa como catalizador. En ambos casos la temperatura sube de $20\ ^\circ\text{C}$ a $26\ ^\circ\text{C}$, pero tarda 30 minutos en el primero y 3 minutos en el segundo.
- a) Clasifica la reacción como exotérmica o endotérmica.
- b) Explica qué cambia y qué no cambia por la presencia del catalizador.
¿Necesitar una chispa significa que es endotérmica?
Muchos creen que si hay que encender una reacción con un fósforo, debe ser endotérmica. Es un error que mezcla dos ideas diferentes.
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Energía de activación: cuánta energía hay que dar para arrancar. Tiene que ver con la altura de la barrera.
-
Entalpía: cuánta energía se libera o absorbe en total. Tiene que ver con la diferencia entre reactivos y productos.
| Reacción | Ea | ΔH | Qué pasa tras empezar |
|---|---|---|---|
| Combustión del gas de la estufa | Alta: se necesita la chispa | Negativo (exotérmica) | La energía liberada mantiene la llama |
| Calcinación de la caliza, $\text{CaCO}_3 \rightarrow \text{CaO} + \text{CO}_2$ | Alta | Positivo (endotérmica) | Hay que seguir calentando |
En la estufa, la chispa solo sube las primeras moléculas sobre la barrera; el calor que liberan hace que las siguientes la superen solas. En la caliza, si quitas el horno la reacción se detiene, porque necesita energía en todo el proceso.
Un estudiante afirma: «Toda reacción que necesita una chispa o un fósforo para empezar tiene que ser endotérmica». Analiza esta afirmación usando como ejemplo la…
Un estudiante afirma: «Toda reacción que necesita una chispa o un fósforo para empezar tiene que ser endotérmica». Analiza esta afirmación usando como ejemplo la combustión del gas de una estufa.
Contrástala con la calcinación de la caliza, $\text{CaCO}_3 \rightarrow \text{CaO} + \text{CO}_2$, que requiere calentar de forma continua. Argumenta la diferencia entre energía de activación y cambio de entalpía, y di si la afirmación es correcta o no.
Vuelve al principio: la estufa y la compresa fría son procesos con signos de energía opuestos (exotérmico y endotérmico), y la chispa solo sirve para superar la barrera de activación de la estufa.