5.8: La Energética de las Reacciones Químicas

Muchas de las reacciones químicas que hemos discutido en este capítulo ocurren con la generación de cantidades significativas de luz y calor. Un excelente ejemplo es la reacción de síntesis entre zinc y azufre, descrita por la ecuación que se muestra a continuación.

Zn (s) + S (s) → ZnS (s)

Inicialmente, ambos elementos están presentes como polvos finos. Se mezclan (con cuidado) y la mezcla es estable sentada de la banqueta del laboratorio. Sin embargo, cuando la mezcla se toca con una varilla metálica calentada, se produce una reacción violenta (la reacción se denomina exotérmica; produciendo calor) y se forma sulfuro de zinc como producto. La reacción es obviamente favorable, entonces ¿por qué necesita calor para iniciar la reacción? Este concepto se puede entender considerando un diagrama de coordenadas de reacción para una reacción simple de un solo paso.

En un diagrama de coordenadas de reacción, el eje y corresponde a la energía. Los “pozos de energía” iniciales y finales representan las energías de estado fundamental de los reactivos y productos, y el camino que los conecta describe los cambios de energía que ocurren en el curso de la reacción.

Al observar el diagrama de coordenadas de reacción para la reacción de sulfuro de zinc, los reactivos se asientan en un nivel de energía inicial que es característico y único para cada elemento o compuesto. Asimismo, el sulfuro de zinc se asienta a un nivel de energía global más bajo; eso significa que la conversión de los elementos al compuesto es favorable y que el calor se libera durante la reacción. Si el nivel de energía de los productos fuera superior al de los reactivos, la reacción sería desfavorable y el calor sería absorbido durante la reacción (se dice que la reacción es endotérmica; consumiendo calor).

¿Por qué, entonces, la reacción del sulfuro de zinc necesita un aporte de energía antes de que comience la reacción? La respuesta está en la trayectoria curva que conecta los reactivos y productos en el diagrama de coordenadas de reacción. Para que la mezcla zinc-azufre reaccione, se debe poner suficiente energía en el sistema para que el nivel de energía de los reactivos sea igual a la colina más alta en el diagrama. Una vez que se alcanza ese punto, los reactivos pueden “caer” por la colina de energía y formar los productos más estables (con la evolución de todo el exceso de energía como calor, luz, etc.).

La cima de la colina de energía en un diagrama de coordenadas de reacción se denomina estado de transición (o complejo activado). En la teoría química moderna, el estado de transición es el máximo energético correspondiente a los procesos de fabricación y ruptura de enlaces. La energía requerida para pasar de los reactivos al estado de transición es la energía de activación. Las reacciones que ocurren con poco requerimiento de calor simplemente tienen una pequeña energía de activación. La magnitud de la energía de activación controla la velocidad de una reacción y la diferencia de energía entre los reactivos y los productos controla la distribución de equilibrio de los productos y reactivos en una reacción reversible. Volveremos a estos conceptos cuando abordemos las tasas de reacción y el equilibrio más adelante en el libro.