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Cinética y equilibrio químico · La energía en las reacciones químicas

Energía de activación y catalizadores

Una vela de parafina puede pasar años en un cajón rodeada de oxígeno y no pasa nada, aunque quemarse libera mucha energía. Pero acercas un cerillo y arde sola hasta consumirse. ¿Por qué hace falta ese "empujón" inicial si la reacción, al final, libera energía? Y en tu cuerpo, ¿cómo ocurren reacciones a 37 °C que en el laboratorio necesitarían calentar mucho? La respuesta está en la energía de activación y en los catalizadores.

La barrera de energía

Para que los reactivos se conviertan en productos, primero hay que romper (o debilitar) enlaces. Eso cuesta energía. Después, al formarse los enlaces nuevos, se libera energía. Pero la "cuenta" inicial hay que pagarla antes de recibir lo que sigue.

Imagina empujar un carro hasta la cima de una loma para que luego baje solo. La subida es la energía de activación; la bajada es la energía que se libera.

Esto conecta con la teoría de colisiones: solo los choques con energía suficiente son efectivos. Si $E_a$ es grande, pocos choques la alcanzan y la reacción es lenta; si es pequeña, la reacción es rápida.

Practica★★★Sin empezar
La gráfica muestra la energía (en kJ) a lo largo de la coordenada de reacción para una reacción exotérmica. A partir de ella: a) calcula la energía de activación $E_a$…

La gráfica muestra la energía (en kJ) a lo largo de la coordenada de reacción para una reacción exotérmica. A partir de ella: a) calcula la energía de activación $E_a$ de la reacción directa; b) calcula el $\Delta H$ de la reacción; c) explica qué cambiaría en la gráfica si se añadiera un catalizador.

Ea = ? ΔH = ? 250 100 50 Reactivos Productos Energía (kJ) Coordenada de reacción
Resolver

El perfil de energía

Un perfil de energía (o diagrama de energía) es una gráfica de la energía de las sustancias contra la coordenada de reacción, que representa el avance desde reactivos hasta productos. El punto más alto es el estado de transición (o complejo activado): una agrupación inestable donde los enlaces viejos se están rompiendo y los nuevos se están formando.

Perfil de energía de una reacción exotérmica con la energía de activación y el cambio de entalpía señalados Energía (kJ) Coordenada de reacción Ea ΔH Reactivos Productos Estado de transición

Cómo leerlo:

  • $E_a$ (directa) = energía del estado de transición − energía de los reactivos.

  • $\Delta H$ = energía de los productos − energía de los reactivos.

  • Si los productos quedan más abajo que los reactivos, $\Delta H<0$: reacción exotérmica. Si quedan más arriba, $\Delta H>0$: endotérmica.

Qué hace un catalizador

En el perfil, el catalizador baja la cima. Observa qué cambia y qué no:

Cambia con catalizador No cambia
$E_a$ baja (directa e inversa) $\Delta H$
Más choques son efectivos: la reacción es más rápida Energía de reactivos y productos
Se forman otros estados de transición Cantidad de producto que se puede obtener
Perfil de energía con y sin catalizador: el catalizador baja la barrera pero reactivos y productos quedan al mismo nivel Energía Coordenada de reacción Sin catalizador Con catalizador Reactivos Productos

Por qué no cambia $\Delta H$: la energía de reactivos y productos es una propiedad de las sustancias mismas. El catalizador solo cambia el camino, no el punto de partida ni el de llegada. Y como baja la barrera en los dos sentidos, acelera por igual la reacción directa y la inversa.

Explicación con partículas

A cierta temperatura, las partículas tienen energías cinéticas distintas: unas lentas y pocas muy rápidas. Solo los choques con energía mayor o igual a $E_a$ son efectivos.

  • Subir la temperatura hace que más partículas superen $E_a$ y que choquen con más frecuencia.

  • Un catalizador baja $E_a$, así que, a la misma temperatura, una fracción mayor de choques ya la supera.

Esto explica por qué refrigerar conserva los alimentos (reacciones de descomposición más lentas) y por qué las enzimas permiten reacciones a 37 °C.

Resolver un problema completo

Vuelve al principio: la vela no arde sola porque necesita superar su $E_a$; el cerillo da esa energía y, como la reacción es exotérmica, la que se libera mantiene la combustión. En el cuerpo, las enzimas bajan $E_a$ y permiten reacciones rápidas a 37 °C.

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