Ejercicio resuelto de Cinética química · Química · 2021

Indique, razonadamente, si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas:

a) Para una reacción exotérmica, la energía de activación de la reacción directa es menor que la energía de activación de la reacción inversa. [0,5 puntos]

b) La velocidad de la reacción no depende de la temperatura. [0,5 puntos]

c) La acción de un catalizador no influye en la velocidad de reacción. [0,5 puntos]

d) La acción de un catalizador altera la posición de equilibrio al disminuir la energía de activación. [0,5 puntos]

$\textbf{a) Para una reacción exotérmica, la energía de activación de la reacción directa es menor que la energía de activación de la reacción inversa. [0,5 puntos]}$

$\textbf{Verdadera.}$ Basta relacionar las tres magnitudes en el perfil energético de la reacción: subir del nivel de los reactivos al complejo activado cuesta $E_a$ (directa) y bajar de ahí al de los productos libera $E_a$ (inversa), de modo que:

$\Delta H = E_a(\text{directa}) - E_a(\text{inversa})$

En una reacción exotérmica $\Delta H < 0$, y por tanto:

$E_a(\text{directa}) < E_a(\text{inversa})$

Tiene sentido: si la reacción desprende calor, los productos están por debajo de los reactivos, así que desde ellos la cima queda más alta y volver atrás cuesta más.

$\textbf{b) La velocidad de la reacción no depende de la temperatura. [0,5 puntos]}$

$\textbf{Falsa}$: depende, y mucho.

Al subir la temperatura aumenta la energía cinética media de las moléculas, de manera que hay más choques por segundo y, sobre todo, una fracción mucho mayor de ellos alcanza la energía de activación. Lo cuantifica la ecuación de Arrhenius:

$k = A\,e^{-E_a/RT}$

Al aumentar $T$, el exponente $-E_a/RT$ se hace menos negativo y la constante de velocidad crece de forma exponencial. Como regla práctica, muchas reacciones duplican su velocidad por cada 10 °C de subida.

$\textbf{c) La acción de un catalizador no influye en la velocidad de reacción. [0,5 puntos]}$

$\textbf{Falsa}$: influir en la velocidad es exactamente lo que hace un catalizador, y es su única función.

Un catalizador ofrece un camino de reacción alternativo, con un complejo activado de menor energía, de modo que la barrera baja de $E_a$ a $E_a'$. Por la misma ecuación de Arrhenius, al disminuir $E_a$ la constante $k$ crece y la reacción se acelera, sin necesidad de calentar.

$\textbf{d) La acción de un catalizador altera la posición de equilibrio al disminuir la energía de activación. [0,5 puntos]}$

$\textbf{Falsa}$, y este es el punto fino.

Es cierto que el catalizador disminuye la energía de activación, pero la rebaja $\textbf{en la misma cantidad}$ en el sentido directo y en el inverso, porque ambas reacciones pasan por el mismo complejo activado. Las dos constantes de velocidad crecen en la misma proporción, y la de equilibrio, que es su cociente, no cambia:

$K = \frac{k_{\text{directa}}}{k_{\text{inversa}}}$

Dicho de otro modo: la posición del equilibrio la fijan $\Delta H$ y $\Delta S$, que son funciones de estado y no dependen del camino. El catalizador solo hace que el equilibrio se alcance $\textbf{antes}$, no que se desplace.