Ejercicio resuelto de Cinética química · Química · 2020

Diga razonadamente si son ciertas o falsas las siguientes propuestas, utilizando un diagrama de energía/avance de la reacción. Cuando se adiciona un catalizador a un sistema reaccionante:

a) La variación de entalpía de la reacción se hace más negativa, es decir, la reacción se hace más exotérmica y por tanto es más rápida. [1 punto]

b) Disminuye la energía de activación y aumenta la velocidad del proceso. [1 punto]

Los dos apartados se leen en el mismo diagrama. Un catalizador no toca ni el nivel de los reactivos ni el de los productos: lo único que hace es ofrecer un camino alternativo, que pasa por un complejo activado de menor energía.



$\textbf{a) La variación de entalpía de la reacción se hace más negativa, es decir, la reacción se hace más exotérmica y por tanto es más rápida. [1 punto]}$

$\textbf{Falsa}$, y hay dos errores encadenados en la frase.

El primero: la entalpía de reacción no cambia. Es la diferencia entre los dos niveles extremos del diagrama,

$\Delta H = H_{\text{productos}} - H_{\text{reactivos}}$

y la entalpía es una $\textbf{función de estado}$, así que depende solo de los estados inicial y final, no del camino recorrido. El catalizador cambia el camino, no los extremos.

El segundo: aunque $\Delta H$ se hiciera más negativo, eso no implicaría mayor velocidad. La termodinámica dice si una reacción puede ocurrir y cuánta energía intercambia; la cinética, a qué ritmo lo hace, y esta depende de la $\textbf{energía de activación}$, no de $\Delta H$. Hay reacciones muy exotérmicas y lentísimas, como la combustión del papel a temperatura ambiente, y reacciones endotérmicas rapidísimas.

$\textbf{b) Disminuye la energía de activación y aumenta la velocidad del proceso. [1 punto]}$

$\textbf{Verdadera}$: es justamente la definición de catalizador.

En el diagrama, la barrera baja de $E_a$ a $E_a'$ al seguir el camino catalizado. La constante de velocidad depende exponencialmente de ella, según la ecuación de Arrhenius:

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

Al disminuir $E_a$, el exponente se hace menos negativo y $k$ crece: a la misma temperatura, una fracción mucho mayor de choques tiene energía suficiente para reaccionar.

Dos matices que conviene añadir. El primero, que la barrera baja lo mismo en el sentido directo y en el inverso, porque ambas reacciones pasan por el mismo complejo activado: el catalizador solo adelanta la llegada al equilibrio, sin desplazarlo. El segundo, que el catalizador se regenera al final del proceso y por eso no figura en la ecuación global.