3.9: Energía en las Reacciones Químicas

Quemadura Lenta

Estas viejas cadenas de hierro desprenden una pequeña cantidad de calor ya que se oxidan. La oxidación del hierro es un proceso químico. Ocurre cuando el hierro y el oxígeno pasan por una reacción química similar a la quema, o combustión. La reacción química que se produce cuando algo se quema, obviamente, desprende energía. Se puede sentir el calor, y es posible que pueda ver la luz de las llamas. La oxidación del hierro es un proceso mucho más lento, pero aún así desprende energía. Es solo que libera energía tan lentamente que no puedes detectar un cambio de temperatura.

Figura\(\PageIndex{1}\): Cadena oxidada

¿Qué es una reacción química?

Una reacción química es un proceso que transforma algunas sustancias químicas en otras. Una sustancia que inicia una reacción química se llama reactivo, y una sustancia que se forma como resultado de una reacción química se llama producto. Durante la reacción, los reactivos se utilizan para crear los productos.

Otro ejemplo de una reacción química es la quema de gas metano, que se muestra en la Figura\(\PageIndex{2}\). En esta reacción química, los reactivos son metano (CH4) y oxígeno (O2), y los productos son dióxido de carbono (CO2) y agua (H2O). Como muestra este ejemplo, una reacción química implica la ruptura y formación de enlaces químicos. Los enlaces químicos son fuerzas que mantienen unidos los átomos de una molécula. Los enlaces ocurren cuando los átomos comparten electrones. Cuando el metano se quema, por ejemplo, los enlaces se rompen dentro de las moléculas de metano y oxígeno, y se forman nuevos enlaces en las moléculas de dióxido de carbono y agua.

Figura\(\PageIndex{2}\): Llamas de la quema de metano

Ecuaciones Químicas

Las reacciones químicas pueden ser representadas por ecuaciones químicas. Una ecuación química es una manera simbólica de mostrar lo que sucede durante una reacción química. Por ejemplo, la quema de metano se puede representar por la ecuación química:

\[\ce{CH_4 + 2O_2 \rightarrow CO_2 + 2 H_2O}\]

La flecha en una ecuación química separa los reactivos de los productos y muestra la dirección en la que procede la reacción. Si la reacción pudiera ocurrir también en sentido contrario, se utilizarían dos flechas apuntando en direcciones opuestas. El número 2 frente a O ₂ y H ₂ O muestra que dos moléculas de oxígeno y dos moléculas de agua están involucradas en la reacción. Si solo está involucrada una molécula, no se coloca ningún número frente al símbolo químico.

Papel de la Energía en las Reacciones Químicas

La oxidación o la quema de materia son ejemplos comunes de cambios químicos. Los cambios químicos implican reacciones químicas, en las que algunas sustancias, llamadas reaccionantes, cambian a nivel molecular para formar nuevas sustancias, llamadas productos. Todas las reacciones químicas implican energía. Sin embargo, no todas las reacciones químicas liberan energía, como lo hacen la oxidación y la quema. En algunas reacciones químicas, la energía se absorbe en lugar de liberarse.

Reacciones exergónicas

Una reacción química que libera energía se llama reacción exergónica. Este tipo de reacción puede representarse mediante una ecuación química general:

\[\mathrm{Reactants \rightarrow Products + Energy}\]

Además de la oxidación y la quema, ejemplos de reacciones exotérmicas incluyen la combinación de cloro con sodio para formar sal de mesa. La descomposición de la materia orgánica también libera energía debido a las reacciones exergónicas. A veces, en una mañana fria, se puede ver el vapor que se eleva de una pila de compost debido a estas reacciones químicas (ver Figura\(\PageIndex{3}\)). Las reacciones químicas exergónicas también tienen lugar en las células de los seres vivos. En un proceso químico similar a la combustión, llamado respiración celular, la glucosa de azúcar se “quema” para proporcionar energía a las células.

Figura\(\PageIndex{3}\): Esta pila de compost está humeante porque es mucho más cálida que el aire frío que la rodea. El calor proviene de todas las reacciones químicas exotérmicas que tienen lugar dentro del compost a medida que se descompone.

 

Reacciones Endergónicas

Una reacción química que absorbe energía se llama reacción endergónica. Este tipo de reacción también se puede representar por una ecuación química general:

\[\mathrm{Reactants + Energy \rightarrow Products}\]

¿Alguna vez usaste una bolsa fría química como la de la imagen de abajo? La manada se enfría debido a una reacción endergónica. Cuando se rompe un tubo dentro del paquete, libera un químico que reacciona con el agua dentro del paquete. Esta reacción absorbe la energía térmica y enfría rápidamente el contenido del paquete.

Figura\(\PageIndex{4}\): Este paquete se enfría debido a una reacción endergónica

Muchos otros procesos químicos involucran reacciones endergónicas. Por ejemplo, la mayor parte de la cocción y cocción implica el uso de energía para producir reacciones químicas. No se puede hornear un pastel o cocinar un huevo sin agregar energía térmica. Podría decirse que las reacciones endergónicas más importantes ocurren durante la fotosíntesis. Cuando las plantas producen azúcar por fotosíntesis, absorben energía luminosa para alimentar las reacciones endergónicas necesarias. El azúcar que producen proporciona glucosa a las plantas y prácticamente a todos los demás seres vivos para la respiración celular.

Energía de activación

Todas las reacciones químicas necesitan energía para comenzar. Incluso las reacciones que liberan energía necesitan un impulso de energía para comenzar. La energía necesaria para iniciar una reacción química se llama energía de activación. La energía de activación es como el empuje que un niño necesita para comenzar a bajar por un tobogán de juegos. El empujón le da al niño la energía suficiente para comenzar a moverse, pero una vez que comienza, sigue moviéndose sin ser empujada de nuevo. La energía de activación se ilustra en la Figura\(\PageIndex{5}\).

¿Por qué todas las reacciones químicas necesitan energía para comenzar? Para que las reacciones comiencen, las moléculas reaccionantes deben chocar entre sí, por lo que deben estar moviéndose, y el movimiento requiere energía. Cuando las moléculas reaccionantes chocan entre sí, pueden repelerse entre sí debido a las fuerzas intermoleculares que las separan. Superar estas fuerzas para que las moléculas puedan unirse y reaccionar también requiere energía.

Figura\(\PageIndex{5}\): Este diagrama de energía de activación muestra los reactivos en el extremo izquierdo y los productos a la derecha. Observe que los reactivos liebre a un nivel de energía más alto que los productos; por lo que esta reacción libera energía en general. Pero la reacción consume energía para comenzar, esta es la energía de activación para la reacción.

Revisar

1. ¿Qué es una reacción química?
2. Identificar reactivos y productos en una reacción química.
3. Enumere tres ejemplos de cambios comunes que involucran reacciones químicas.
4. Definir un enlace químico.
5. ¿Qué es una ecuación química? Dé un ejemplo.
6. Nuestras células utilizan glucosa (C ₆ H ₁₂ O ₆) para obtener energía en una reacción química llamada respiración celular. En esta reacción, seis moléculas de oxígeno (O ₂) reaccionan con una molécula de glucosa. Responde las siguientes preguntas sobre esta reacción.
   1. ¿Cuántos átomos de oxígeno hay en una molécula de glucosa?
   2. Escribe cómo sería el lado reactivo de esta ecuación.
   3. ¿Cuántos átomos de oxígeno hay en los reactivos en total? Explica cómo calculaste tu respuesta.
   4. ¿Cuántos átomos de oxígeno hay en los productos en total? ¿Es posible responder a esta pregunta sin saber cuáles son los productos? ¿Por qué o por qué no?
7. Responde las siguientes preguntas sobre la ecuación que viste anteriormente: CH ₄ + 2O ₂ → CO ₂ + 2H ₂ O
   1. ¿Se puede transformar el dióxido de carbono (CO ₂) en metano (CH ₄) y oxígeno (O ₂) en esta reacción? ¿Por qué o por qué no?
   2. ¿Cuántas moléculas de dióxido de carbono (CO ₂) se producen en esta reacción?
8. ¿La evaporación del agua líquida en vapor de agua es una reacción química? Por qué o por qué no
9. ¿Por qué se rompen los enlaces en los reactivos durante una reacción química?
10. Reacciones químicas endergónicas y exergónicas de contraste. Dar un ejemplo de cada uno.
11. Definir la energía de activación.
12. Explique por qué todas las reacciones químicas requieren energía de activación.
13. El calor es una forma de ____________.
14. ¿En qué tipo de reacción se agrega calor a los reactivos?
15. ¿En qué tipo de reacción se produce el calor?
16. Si no hubiera energía térmica añadida a una reacción endotérmica, ¿ocurriría esa reacción? ¿Por qué o por qué no?
17. Si no hubiera energía térmica añadida a una reacción exotérmica, ¿ocurriría esa reacción? ¿Por qué o por qué no?
18. Explica por qué una bolsa fría química se siente fría cuando se activa.
19. Explique por qué la respiración celular y la fotosíntesis son “opuestos” entre sí.
20. Explicar cómo el sol indirectamente da energía a nuestras células.

Explora más

https://bio.libretexts.org/link?17002#Explore_More

Mire el video a continuación para obtener más información sobre la energía de activación.

Atribuciones

1. Chaîne por Daplaza, con licencia CC BY-SA 3.0 vía Wikimedia Commons
2. Quemador de Cocina de Gas Blue Flame de Federico Cardoner, licenciado CC BY 2.0 vía Flickr
3. Cocción al vapor de compost por Lucabon, CC BY-SA 4.0 vía Wikimedia Commons
4. Cooler pack de Julie Magro, licenciado CC BY 2.0 vía Flickr
5. Energía de activación por Hana Zavadska para CK-12 con licencia CC BY-NC 3.0
6. Texto adaptado de Biología Humana por CK-12 licenciado CC BY-NC 3.0