6.2: Energía potencial, cinética, libre y de activación

Habilidades para Desarrollar

• Definir “energía”
• Explicar la diferencia entre energía cinética y potencial
• Discutir los conceptos de energía libre y energía de activación
• Describir reacciones endergónicas y exergónicas

La energía se define como la capacidad de hacer trabajo. Como ya has aprendido, la energía existe en diferentes formas. Por ejemplo, la energía eléctrica, la energía luminosa y la energía térmica son todos diferentes tipos de energía. Si bien todos estos son tipos familiares de energía que uno puede ver o sentir, hay otro tipo de energía que es mucho menos tangible. Esta energía se asocia con algo tan simple como un objeto sostenido sobre el suelo. Para apreciar la forma en que la energía fluye dentro y fuera de los sistemas biológicos, es importante comprender más sobre los diferentes tipos de energía que existen en el mundo físico.

Tipos de Energía

Cuando un objeto está en movimiento, hay energía asociada a ese objeto. En el ejemplo de un avión en vuelo, hay una gran cantidad de energía asociada con el movimiento del avión. Esto se debe a que los objetos en movimiento son capaces de promulgar un cambio, o hacer trabajo. Piensa en una bola de naufragio. Incluso una bola de naufragio de movimiento lento puede hacer mucho daño a otros objetos. Sin embargo, una bola de naufragio que no está en movimiento es incapaz de realizar trabajos. La energía asociada con los objetos en movimiento se llama energía cinética. Una bala a toda velocidad, una persona que camina, el rápido movimiento de las moléculas en el aire (que produce calor) y la radiación electromagnética como la luz tienen energía cinética.

Ahora, ¿y si esa misma bola de naufragio inmóvil se levanta dos pisos por encima de un auto con una grúa? Si la bola de naufragio suspendida es inmóvil, ¿hay energía asociada a ella? La respuesta es sí. La bola de naufragio suspendida tiene asociada una energía que es fundamentalmente diferente de la energía cinética de los objetos en movimiento. Esta forma de energía resulta del hecho de que existe la posibilidad de que la bola de naufragio haga trabajo. Si se libera, efectivamente haría trabajo. Debido a que este tipo de energía se refiere al potencial para hacer trabajo, se le llama energía potencial. Los objetos transfieren su energía entre cinética y potencial de la siguiente manera: A medida que la bola de naufragio cuelga inmóvil, tiene 0 energía cinética y 100 por ciento potencial. Una vez que se libera, su energía cinética comienza a aumentar porque construye velocidad debido a la gravedad. Al mismo tiempo, a medida que se acerca al suelo, pierde energía potencial. En algún lugar a mediados de otoño tiene 50 por ciento cinético y 50 por ciento de energía potencial Justo antes de que golpee al suelo, la pelota casi ha perdido su energía potencial y tiene una energía cinética casi máxima. Otros ejemplos de energía potencial incluyen la energía del agua contenida detrás de una presa (Figura\(\PageIndex{1}\)), o una persona a punto de saltar en paracaidismo fuera de un avión.

Figura\(\PageIndex{1}\): El agua detrás de una presa tiene energía potencial. El agua en movimiento, como en una cascada o un río que fluye rápidamente, tiene energía cinética. (crédito “presa”: modificación de obra por “Pascal” /Flickr; crédito “cascada”: modificación de obra de Frank Gualtieri)

La energía potencial no sólo está asociada con la ubicación de la materia (como un niño sentado en una rama de árbol), sino también con la estructura de la materia. Un resorte en el suelo tiene energía potencial si se comprime; también lo hace una banda de goma que se tira tensa. La existencia misma de las células vivas depende en gran medida de la energía potencial estructural. A nivel químico, los enlaces que mantienen unidos los átomos de las moléculas tienen energía potencial. Recuerde que las vías celulares anabólicas requieren energía para sintetizar moléculas complejas a partir de otras más simples, y las vías catabólicas liberan energía cuando las moléculas complejas se descomponen. El hecho de que la energía pueda ser liberada por la ruptura de ciertos enlaces químicos implica que esos enlaces tienen energía potencial. De hecho, hay energía potencial almacenada dentro de los enlaces de todas las moléculas de alimentos que comemos, que finalmente se aprovecha para su uso. Esto se debe a que estos enlaces pueden liberar energía cuando se rompen. El tipo de energía potencial que existe dentro de los enlaces químicos, y se libera cuando esos enlaces se rompen, se llama energía química (Figura\(\PageIndex{2}\)). La energía química es responsable de proporcionar a las células vivas energía de los alimentos. La liberación de energía se produce rompiendo los enlaces moleculares dentro de las moléculas de combustible.

Figura\(\PageIndex{2}\): Las moléculas en gasolina (octano, la fórmula química mostrada) contienen energía química dentro de los enlaces químicos. Esta energía se transforma en energía cinética que permite que un automóvil corra en una pista de carreras. (crédito “auto”: modificación de obra por Russell Trow)

Enlace al aprendizaje

Visite este sitio y seleccione “Un péndulo simple” en el menú (bajo “Movimiento armónico”) para ver la cinética cambiante (K) y la energía potencial (U) de un péndulo en movimiento.

Energía Libre

Después de enterarse de que las reacciones químicas liberan energía cuando se rompen los enlaces de almacenamiento de energía, una siguiente pregunta importante es ¿cómo se cuantifica y expresa la energía asociada a las reacciones químicas? ¿Cómo se puede comparar la energía liberada de una reacción con la de otra reacción? Se utiliza una medición de la energía libre para cuantificar estas transferencias de energía. La energía libre se llama energía libre de Gibbs (abreviada con la letra G) después de Josiah Willard Gibbs, el científico que desarrolló la medición. Recordemos que según la segunda ley de la termodinámica, todas las transferencias de energía implican la pérdida de alguna cantidad de energía en una forma inutilizable como el calor, resultando en entropía. La energía libre de Gibbs se refiere específicamente a la energía asociada con una reacción química que está disponible después de contabilizar la entropía. En otras palabras, la energía libre de Gibbs es energía utilizable, o energía que está disponible para hacer el trabajo.

Cada reacción química implica un cambio en la energía libre, llamada delta G (∆G). El cambio en la energía libre se puede calcular para cualquier sistema que sufra tal cambio, como una reacción química. Para calcular ∆G, restar la cantidad de energía perdida a la entropía (denotada como ∆S) del cambio de energía total del sistema. Este cambio energético total en el sistema se llama entalpía y se denota como ∆H. La fórmula para calcular ∆G es la siguiente, donde el símbolo T se refiere a la temperatura absoluta en Kelvin (grados Celsius + 273):

Vea una animación del paso de la energía libre al estado de transición en este sitio.

¿De dónde proviene la energía de activación requerida por los reactivos químicos? La fuente de la energía de activación necesaria para impulsar las reacciones es típicamente la energía térmica de los alrededores. La energía térmica (la energía de enlace total de los reactivos o productos en una reacción química) acelera el movimiento de las moléculas, aumentando la frecuencia y la fuerza con la que chocan; también mueve ligeramente los átomos y enlaces dentro de la molécula, ayudándoles a alcanzar su estado de transición. Por esta razón, calentar un sistema provocará que los reactivos químicos dentro de ese sistema reaccionen con mayor frecuencia. Aumentar la presión sobre un sistema tiene el mismo efecto. Una vez que los reactivos hayan absorbido suficiente energía térmica de sus alrededores para alcanzar el estado de transición, la reacción procederá.

La energía de activación de una reacción particular determina la velocidad a la que procederá. Cuanto mayor sea la energía de activación, más lenta será la reacción química. El ejemplo de oxidación del hierro ilustra una reacción inherentemente lenta. Esta reacción se produce lentamente a lo largo del tiempo debido a su alto E _A. Adicionalmente, la quema de muchos combustibles, que es fuertemente exergónico, se llevará a cabo a un ritmo insignificante a menos que su energía de activación sea superada por suficiente calor de una chispa. Sin embargo, una vez que comienzan a quemarse, las reacciones químicas liberan suficiente calor para continuar el proceso de combustión, suministrando la energía de activación para las moléculas de combustible circundantes. Al igual que estas reacciones fuera de las células, la energía de activación para la mayoría de las reacciones celulares es demasiado alta para que la energía térmica la supere a velocidades eficientes. Es decir, para que las reacciones celulares importantes ocurran a velocidades apreciables (número de reacciones por unidad de tiempo), se deben disminuir sus energías de activación (Figura\(\PageIndex{1}\)\(\PageIndex{5}\)); esto se conoce como catálisis. Esto es algo muy bueno en lo que respecta a las células vivas. Las macromoléculas importantes, como las proteínas, el ADN y el ARN, almacenan considerable energía, y su descomposición es exergónica. Si las temperaturas celulares por sí solas proporcionaran suficiente energía térmica para que estas reacciones exergónicas superaran sus barreras de activación, los componentes esenciales de una célula se desintegrarían.

Conexión de arte

Figura\(\PageIndex{5}\): La energía de activación es la energía requerida para que una reacción continúe, y es menor si la reacción es catalizada. El eje horizontal de este diagrama describe la secuencia de eventos en el tiempo.

Si no se requiriera energía de activación para descomponer la sacarosa (azúcar de mesa), ¿podrías almacenarla en un azucarero?

Resumen

La energía viene en muchas formas diferentes. Los objetos en movimiento hacen trabajo físico, y la energía cinética es la energía de los objetos en movimiento. Los objetos que no están en movimiento pueden tener el potencial de hacer trabajo, y por lo tanto, tener energía potencial. Las moléculas también tienen energía potencial porque la ruptura de los enlaces moleculares tiene el potencial de liberar energía. Las células vivas dependen de la recolección de energía potencial de los enlaces moleculares para realizar el trabajo. La energía libre es una medida de energía que está disponible para hacer el trabajo. La energía libre de un sistema cambia durante las transferencias de energía como las reacciones químicas, y este cambio se conoce como ∆G.

El ∆G de una reacción puede ser negativo o positivo, lo que significa que la reacción libera energía o consume energía, respectivamente. Una reacción con un ∆G negativo que desprende energía se denomina reacción exergónica. Uno con un ∆G positivo que requiere entrada de energía se llama reacción endergónica. Se dice que las reacciones exergónicas son espontáneas, porque sus productos tienen menos energía que sus reactivos. Los productos de las reacciones endergónicas tienen un estado energético superior al de los reactivos, por lo que se trata de reacciones no espontáneas. Sin embargo, todas las reacciones (incluyendo las reacciones espontáneas -∆G) requieren un aporte inicial de energía para alcanzar el estado de transición, en el que procederán. Esta entrada inicial de energía se llama la energía de activación.

Conexiones de arte

Figura\(\PageIndex{3}\): Observe cada uno de los procesos mostrados, y decida si es endergónico o exergónico. En cada caso, ¿la entalpía aumenta o disminuye, y la entropía aumenta o disminuye?

Contestar

La descomposición de una pila de compost es un proceso exergónico; la entalpía aumenta (se libera energía) y la entropía aumenta (las moléculas grandes se descomponen en otras más pequeñas). Un bebé que se desarrolla a partir de un óvulo fertilizado es un proceso endergónico; la entalpía disminuye (se absorbe la energía) y la entropía disminuye. El arte de arena que se destruye es un proceso exergónico; no hay cambio en la entalpía, pero la entropía aumenta. Una bola rodando cuesta abajo es un proceso exergónico; la entalpía disminuye (se libera energía), pero no hay cambio en la entalpía.

Figura\(\PageIndex{5}\): Si no se requiriera energía de activación para descomponer la sacarosa (azúcar de mesa), ¿podría almacenarla en un azucarero?

Contestar

No. Podemos almacenar energía química por la necesidad de superar la barrera a su descomposición.

Glosario

energía de activación

energía necesaria para que ocurran reacciones

energía química

energía potencial en enlaces químicos que se libera cuando esos enlaces se rompen

endergónico

describe reacciones químicas que requieren entrada de energía

entalpía

energía total de un sistema

exergónico

describe reacciones químicas que liberan energía libre

energía libre

La energía libre de Gibbs es la energía utilizable, o energía que está disponible para hacer el trabajo.

energía calorífica

energía total de enlace de reactivos o productos en una reacción química

energía cinética

tipo de energía asociada con objetos o partículas en movimiento

energía potencial

tipo de energía que tiene el potencial de hacer trabajo; energía almacenada

estado de transición

estado inestable de alta energía (una forma intermedia entre el sustrato y el producto) que ocurre durante una reacción química