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Temas ampliados de termodinámica y mecanismos de reacción · Control termodinámico y acoplamiento

Control termodinámico y cinético; reacciones acopladas

Para un anillo de diamante, la conversión en grafito es termodinámicamente favorable ($\Delta G^\circ < 0$): a temperatura ambiente el diamante "quiere" volverse grafito, aunque cinéticamente sea estable. Sin embargo, tu anillo seguirá brillando dentro de un millón de años. ¿Cómo puede una reacción ser favorable y, aun así, no ocurrir? Y, al revés, ¿cómo logran tus células hacer reacciones que no son favorables por sí solas? Este apartado responde ambas preguntas.

Termodinámica y cinética son preguntas distintas

Frente a cualquier reacción hay dos preguntas independientes:

  • ¿Hasta dónde puede llegar? Es la pregunta termodinámica. La responden $\Delta G^\circ$ y $K$. Si $\Delta G^\circ < 0$, la reacción es termodinámicamente favorable y $K > 1$.

  • ¿Qué tan rápido llega? Es la pregunta cinética. La responden la energía de activación $E_a$, la temperatura y los catalizadores.

Piensa en una bola en lo alto de una colina, detrás de un pequeño muro. En el fondo del valle hay menos energía (favorable), pero la bola no rueda hasta que alguien la empuje sobre el muro. La altura del muro es $E_a$; la diferencia de altura entre arriba y abajo es $\Delta G$.

Perfil de energía de una reacción favorable con una barrera de activación alta: la barrera es la energía de activación y la diferencia entre reactivos y productos es ΔG. Reactivos Productos Estado de transición ΔG° < 0 Eₐ (barrera) Energía Avance de la reacción
Magnitud Tipo Qué te dice
$\Delta G^\circ$, $\Delta H^\circ$, $\Delta S^\circ$ Termodinámica Si es favorable; estabilidad relativa
$K$ Termodinámica Composición en el equilibrio
$E_a$, $k$, velocidad Cinética Qué tan rápido se alcanza el equilibrio
Catalizador Cinética Baja $E_a$; no cambia $\Delta G^\circ$ ni $K$

Un catalizador ofrece otro mecanismo con menor $E_a$, por lo que acelera tanto la reacción directa como la inversa. El equilibrio se alcanza antes, pero está en el mismo lugar.

Practica★☆☆Sin empezar
A 298 K y 1 atm, la conversión de diamante en grafito tiene $\Delta G^\circ < 0$, pero un anillo de diamante no se convierte en grafito en tu dedo. ¿Es la conversión…

A 298 K y 1 atm, la conversión de diamante en grafito tiene $\Delta G^\circ < 0$, pero un anillo de diamante no se convierte en grafito en tu dedo. ¿Es la conversión termodinámicamente favorable? ¿Es cinéticamente accesible a temperatura ambiente? Nombra la magnitud que explica por qué no se observa ningún cambio.

Resolver
Practica★☆☆Sin empezar
Rotula cada afirmación como termodinámica (T), cinética (K) o ninguna (N): (i) La reacción tiene una energía de activación muy grande. (ii) La reacción tiene…

Rotula cada afirmación como termodinámica (T), cinética (K) o ninguna (N):

(i) La reacción tiene una energía de activación muy grande.

(ii) La reacción tiene $\Delta G^\circ = -250\ \text{kJ/mol}$.

(iii) Un catalizador hace que la reacción llegue al equilibrio en segundos.

(iv) La reacción tiene $K \gg 1$.

Resolver

Un reactivo, dos productos: control cinético y termodinámico

A veces un mismo reactivo puede formar dos productos distintos. Cada vía tiene su propia $E_a$ y su propio $\Delta G^\circ$.

  • Producto cinético: el que se forma más rápido, porque su vía tiene la menor $E_a$.

  • Producto termodinámico: el más estable, el de $\Delta G^\circ$ más negativo. Domina si el sistema llega al equilibrio.

Dos vías desde un mismo reactivo R: la vía al producto A tiene menor barrera y el producto B es más estable. R A (cinético) B (termodinámico) Eₐ pequeña Eₐ grande Avance de la reacción

¿Cuándo gana cada uno?

  • Temperatura baja o tiempo corto: pocas moléculas superan la barrera grande, así que se forma sobre todo el producto cinético. Si la reacción es prácticamente irreversible en esas condiciones, ese producto se queda.

  • Temperatura alta o tiempo largo: las reacciones se revierten y el sistema llega al equilibrio; domina el producto más estable, el termodinámico.

Practica★★☆Sin empezar
Un reactivo R puede formar el producto A o el producto B. La vía hacia A tiene $E_a = 50\ \text{kJ/mol}$ y $\Delta G^\circ = -20\ \text{kJ/mol}$. La vía hacia B tiene…

Un reactivo R puede formar el producto A o el producto B. La vía hacia A tiene $E_a = 50\ \text{kJ/mol}$ y $\Delta G^\circ = -20\ \text{kJ/mol}$. La vía hacia B tiene $E_a = 90\ \text{kJ/mol}$ y $\Delta G^\circ = -45\ \text{kJ/mol}$.

(a) ¿Qué producto se forma más rápido? (b) ¿Qué producto es más estable y dominaría si el sistema llegara al equilibrio? (c) Identifica el producto cinético y el termodinámico. (d) Explica por qué un experimento a baja temperatura y otro a alta temperatura podrían dar mezclas de productos distintas.

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Practica★★☆Sin empezar
Una mezcla de $\text{H}2(g)$ y $\text{O}2(g)$ a temperatura ambiente puede permanecer años sin cambio visible, aunque…

Una mezcla de $\text{H}_2(g)$ y $\text{O}_2(g)$ a temperatura ambiente puede permanecer años sin cambio visible, aunque $2\,\text{H}_2(g) + \text{O}_2(g) \rightarrow 2\,\text{H}_2\text{O}(l)$ tiene $\Delta G^\circ \approx -474\ \text{kJ}$. Una chispa, o un poco de platino en polvo, la hace reaccionar de inmediato.

(a) Explica la falta de reacción en términos de termodinámica y cinética. (b) Indica cómo el catalizador de platino cambia $E_a$, $\Delta G^\circ$ y $K$. (c) Explica qué hace la chispa.

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Favorable pero atascada: diamante, grafito e hidrógeno con oxígeno

Muchas reacciones muy favorables no ocurren a temperatura ambiente porque su $E_a$ es alta.

  • Diamante a grafito: hay que romper enlaces C–C muy fuertes en un sólido covalente. Es favorable, pero absurdamente lenta.

  • $2\,\text{H}_2 + \text{O}_2 \rightarrow 2\,\text{H}_2\text{O}$: $\Delta G^\circ \approx -474\ \text{kJ}$, pero hay que romper los enlaces H–H y O=O antes de formar los nuevos.

Hay dos formas de que la reacción arranque:

  1. Aportar energía (una chispa o una llama): unas pocas moléculas superan la barrera y la energía que liberan hace reaccionar a las vecinas.

  2. Usar un catalizador (platino en polvo): ofrece un mecanismo de menor $E_a$ sobre su superficie. Cambia la velocidad, pero no $\Delta G^\circ$ ni $K$.

Cuando el $\Delta G^\circ$ depende de $T$ y de $P$

Recuerda $\Delta G^\circ = \Delta H^\circ - T\Delta S^\circ$. Para grafito $\rightarrow$ diamante, $\Delta H^\circ = +1.9\ \text{kJ/mol}$ y $\Delta S^\circ = -3.4\ \text{J/(mol·K)}$.

El diamante es más denso que el grafito. Aumentar mucho la presión favorece la forma más compacta, por eso los diamantes sintéticos se hacen a presiones muy altas (y también a alta $T$, para que la reacción sea lo bastante rápida).

Practica★★★Sin empezar
Para $\text{C(grafito)} \rightarrow \text{C(diamante)}$ a 298 K, $\Delta H^\circ = +1.9\ \text{kJ/mol}$ y $\Delta S^\circ = -3.4\ \text{J/(mol·K)}$. (a) Calcula…

Para $\text{C(grafito)} \rightarrow \text{C(diamante)}$ a 298 K, $\Delta H^\circ = +1.9\ \text{kJ/mol}$ y $\Delta S^\circ = -3.4\ \text{J/(mol·K)}$.

(a) Calcula $\Delta G^\circ$ a 298 K. (b) Con los signos de $\Delta H^\circ$ y $\Delta S^\circ$, explica si existe alguna temperatura a la que esta conversión sea favorable en condiciones estándar. (c) Los diamantes sintéticos se fabrican a presión muy alta; explica por qué la presión ayuda, dado que el diamante es más denso que el grafito. (d) Explica por qué los diamantes naturales no se convierten en grafito aunque el proceso inverso sea favorable.

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Reacciones acopladas

Una reacción con $\Delta G^\circ > 0$ no es favorable sola. Pero si la acoplamos a otra con $\Delta G^\circ$ muy negativo, el proceso global puede ser favorable. Los valores de $\Delta G^\circ$ se suman, igual que las entalpías en la ley de Hess:

$$\Delta G^\circ_{\text{neto}} = \Delta G^\circ_1 + \Delta G^\circ_2$$

Para que el acoplamiento funcione, las reacciones deben compartir una especie (un intermediario común) que es producto de una y reactivo de la otra.

El ATP, la moneda de energía de la célula

Las células usan la hidrólisis del ATP, $\text{ATP} + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{ADP} + \text{P}_i$, con $\Delta G^\circ = -30.5\ \text{kJ/mol}$, para impulsar reacciones desfavorables.

Cuánto cambia $K$

Como $K = e^{-\Delta G^\circ/RT}$, un cambio en $\Delta G^\circ$ de $\Delta$ multiplica $K$ por $e^{-\Delta/RT}$. A 298 K, $RT = 8.314 \times 298 = 2,478\ \text{J/mol} = 2.478\ \text{kJ/mol}$.

Practica★☆☆Sin empezar
En las células, la fosforilación de la glucosa se acopla a la hidrólisis del ATP: $\text{glucosa} + \text{P}i \rightarrow \text{glucosa-6-fosfato} + \text{H}2\text{O}$,…

En las células, la fosforilación de la glucosa se acopla a la hidrólisis del ATP:

$\text{glucosa} + \text{P}_i \rightarrow \text{glucosa-6-fosfato} + \text{H}_2\text{O}$, $\Delta G^\circ = +13.8\ \text{kJ/mol}$

$\text{ATP} + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{ADP} + \text{P}_i$, $\Delta G^\circ = -30.5\ \text{kJ/mol}$

Calcula $\Delta G^\circ$ del proceso acoplado e indica si es termodinámicamente favorable.

Resolver
Practica★★☆Sin empezar
El cobre metálico se puede obtener del sulfuro de cobre(I) acoplando dos reacciones a 298 K: $\text{Cu}2\text{S}(s) \rightarrow 2\,\text{Cu}(s) + \text{S}(s)$,…

El cobre metálico se puede obtener del sulfuro de cobre(I) acoplando dos reacciones a 298 K:

$\text{Cu}_2\text{S}(s) \rightarrow 2\,\text{Cu}(s) + \text{S}(s)$, $\Delta G^\circ = +86.2\ \text{kJ}$

$\text{S}(s) + \text{O}_2(g) \rightarrow \text{SO}_2(g)$, $\Delta G^\circ = -300.1\ \text{kJ}$

(a) Escribe la reacción neta. (b) Calcula el $\Delta G^\circ$ neto. (c) Explica cómo la especie compartida por ambas reacciones hace posible el primer proceso, y qué implica un $\Delta G^\circ$ muy negativo sobre $K$.

Resolver
Practica★★★Sin empezar
Una conversión bioquímica $\text{X} + \text{P}i \rightarrow \text{Y} + \text{H}2\text{O}$ tiene $\Delta G^\circ = +25.0\ \text{kJ/mol}$ a 298 K. Una célula la acopla a…

Una conversión bioquímica $\text{X} + \text{P}_i \rightarrow \text{Y} + \text{H}_2\text{O}$ tiene $\Delta G^\circ = +25.0\ \text{kJ/mol}$ a 298 K. Una célula la acopla a la hidrólisis del ATP, $\Delta G^\circ = -30.5\ \text{kJ/mol}$, mediante un intermediario compartido: $\text{X} + \text{ATP} \rightarrow \text{X-P} + \text{ADP}$, seguido de $\text{X-P} + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{Y} + \text{P}_i$.

(a) Calcula $\Delta G^\circ$ y $K$ del proceso acoplado, y $K$ de la reacción sin acoplar. Usa $R = 8.314\ \text{J/(mol·K)}$. (b) ¿Aproximadamente por qué factor aumenta $K$ el acoplamiento? (c) Aaliyah dice: «El ATP simplemente le suma energía a la reacción». Evalúa esta idea y explica por qué se necesita un intermediario compartido. (d) Explica qué ocurriría con la energía de la hidrólisis del ATP si ocurriera sin acoplamiento.

Resolver

Vuelve al principio: el diamante se vuelve grafito de forma favorable pero con una $E_a$ enorme, así que nunca lo ves; y tus células hacen reacciones desfavorables acoplándolas a la hidrólisis del ATP.

Resumen

  • La termodinámica ($\Delta G^\circ$, $K$) dice si una reacción es favorable; la cinética ($E_a$, catalizadores, $T$) dice qué tan rápido ocurre. Son independientes.

  • Un catalizador baja $E_a$, pero no cambia $\Delta G^\circ$, $\Delta H$ ni $K$.

  • Producto cinético: se forma más rápido (menor $E_a$). Producto termodinámico: más estable ($\Delta G^\circ$ más negativo); domina cuando se alcanza el equilibrio (temperatura alta, tiempo largo).

  • Con $\Delta H > 0$ y $\Delta S < 0$, $\Delta G^\circ > 0$ a toda temperatura.

  • En reacciones acopladas, $\Delta G^\circ_{\text{neto}} = \sum \Delta G^\circ$; se necesita una especie compartida. El ATP impulsa reacciones desfavorables en las células.

  • $\Delta G^\circ = -RT\ln K$: cada $-5.7\ \text{kJ/mol}$ a 298 K multiplica $K$ por unas 10 veces.

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