Química · Unidad 10 — Cinética y equilibrio químico
Energía de activación y catálisis
Toda reacción tiene que trepar una loma de energía antes de bajar del otro lado. La altura de esa loma es lo que decide la velocidad — y un catalizador no empuja más fuerte: abre un camino con la loma más baja.
La explicación
La loma que hay que trepar
Para que los reactivos se conviertan en productos, primero hay que romper enlaces, y eso cuesta energía. Recién después se forman los enlaces nuevos, y eso la devuelve. Entre el principio y el final, entonces, el sistema pasa por un estado de energía más alta que los dos extremos: el complejo activado.
La energía de activación (Ea) es la altura de esa loma medida desde donde se arranca. Cuanto más alta, menos choques traen energía suficiente y más lenta es la reacción.
Leer un perfil de energía
Ea inversa = E(complejo activado) − E(productos)
ΔH = E(productos) − E(reactivos) = Ea directa − Ea inversa
Las tres salen del mismo dibujo y conviene calcularlas siempre en ese orden. La tercera tiene un control gratis: si ΔH da negativo, los productos quedaron más abajo, la reacción libera calor y es exotérmica; si da positivo, absorbe calor y es endotérmica.
2. Ea directa: pico menos reactivos.
3. Ea inversa: pico menos productos.
4. ΔH: productos menos reactivos (y verificá que dé igual a Ea directa − Ea inversa).
5. El signo de ΔH decide exotérmica o endotérmica. El pico no decide nada de eso.
El paso 5 es el que más se pierde: una reacción puede ser exotérmica y aun así tener una Ea enorme. La combustión del papel libera muchísima energía y sin embargo el papel no se prende solo — hay que darle el fósforo, que es justamente la Ea.
La temperatura y la Ea
A cualquier temperatura las partículas no tienen todas la misma energía: hay lentas, hay rápidas, y sólo la fracción más energética supera la Ea. Subir la temperatura corre toda esa distribución hacia arriba, y la cantidad de partículas que pasan la barrera crece muchísimo — mucho más de lo que crece la velocidad de los choques. Por eso unos pocos grados cambian tanto la velocidad.
Qué es un catalizador
Un catalizador es una sustancia que abre un camino de reacción distinto, con menor energía de activación, y que al final se recupera sin consumirse. No aparece en la ecuación global (se escribe arriba de la flecha) y hace falta muy poco.
- Homogénea: el catalizador está en la misma fase que los reactivos (todo en solución, por ejemplo).
- Heterogénea: está en otra fase, típicamente un sólido sobre el que los gases se adsorben. Los caños de escape trabajan así.
- Enzimática: las enzimas son los catalizadores de los seres vivos, y son de una selectividad que ningún catalizador de laboratorio alcanza.
Lo que el catalizador NO hace — la pregunta de parcial
Al bajar el pico, la loma se acorta en los dos sentidos por igual: la Ea directa y la Ea inversa bajan exactamente lo mismo, porque los niveles de reactivos y productos quedaron donde estaban.
un catalizador NO cambia: ΔH · la posición del equilibrio · la constante de equilibrio
Dicho en una frase: se llega antes al mismo lugar. Si una reacción catalizada terminara con más producto que la misma reacción sin catalizar, se podría acoplar una a la otra y fabricar producto de la nada. No pasa.
Mecanismos y etapa determinante
Casi ninguna reacción ocurre de un saque. La mayoría son una secuencia de etapas elementales, con intermediarios que se forman y se consumen y que no figuran en la ecuación global. La etapa más lenta es la que gobierna la velocidad de todo el conjunto, igual que el peaje más lento gobierna la fila entera: es la etapa determinante.
Una reacción tiene los reactivos en 40 kJ, el complejo activado en 90 kJ y los productos en 15 kJ. Al agregar un catalizador, el complejo activado baja a 65 kJ. a) Calculá la Ea directa, la Ea inversa y el ΔH sin catalizador. b) Decí si es exotérmica o endotérmica. c) Calculá la Ea directa y la Ea inversa con catalizador. d) ¿Cambió el ΔH?
a) Las tres del perfil sin catalizador. Todas son restas entre los niveles:
Ea inversa = 90 − 15 = 75 kJ
ΔH = 15 − 40 = −25 kJ
b) Exotérmica. El ΔH dio negativo, así que los productos quedaron más abajo que los reactivos: el sistema liberó 25 kJ. Que la Ea sea de 50 kJ no cambia nada de esto — la loma alta sólo dice que la reacción es lenta si no se la calienta, no que absorba calor.
c) Con catalizador. El pico bajó a 65, pero los extremos siguen en 40 y en 15:
Ea inversa = 65 − 15 = 50 kJ
Mirá cuánto bajó cada una: la directa pasó de 50 a 25 y la inversa de 75 a 50. Las dos bajaron 25 kJ, exactamente lo mismo que bajó el pico. Por eso el catalizador acelera la ida y la vuelta por igual.
d) No cambió. ΔH = 15 − 40 = −25 kJ, igual que antes. El catalizador no tocó ni el nivel de los reactivos ni el de los productos, y el ΔH es la diferencia entre esos dos: la reacción libera los mismos 25 kJ, sólo que llega antes.
Dónde se cae la mayoría
- Decidir si es exotérmica o endotérmica mirando la altura del pico. Eso lo decide la comparación entre productos y reactivos, no el pico.
- Creer que un catalizador baja sólo la energía de activación de la reacción directa. Baja las dos en la misma cantidad.
- Pensar que un catalizador aumenta el rendimiento o corre el equilibrio. Sólo hace que se llegue antes al mismo punto.
- Confundir la Ea con el ΔH. La Ea se mide hasta el pico; el ΔH, de un extremo al otro.
- Suponer que una reacción muy exotérmica tiene que ser rápida. La nafta en contacto con el aire es la prueba de que no.
Hasta acá la explicación. La práctica es la otra mitad: 7 ejercicios de este tema, en cuatro niveles, que no te dicen sólo si está bien al final sino que te corrigen en cada paso y te explican por qué. Además trae una animación que muestra la idea en movimiento.
Practicar Energía de activación y catálisis →Los otros temas de la unidad 10
Cinética y equilibrio químico