Ejercicio resuelto de Cinética química · Química · 2025

En una reacción genérica del tipo:

$\text{A}+\text{B}\rightleftharpoons \text{C}+\text{D}$

la energía de activación para la reacción directa es de 30 kJ/mol y la energía de activación para la reacción inversa es de 55 kJ/mol.

a) Realice un esquema del diagrama energético de la reacción indicando la energía de activación directa e inversa, así como la diferencia de energía entre reactivos y productos $(\mathrm{\Delta }{H}^o)$. (1 punto)

b) Si se añade un catalizador que acelera la reacción, indique cómo variarán las energías de activación directa e inversa. (0,5 puntos)

c) Si se añade un catalizador, razone cómo variará la diferencia de energía $(\mathrm{\Delta }{H}^o)$ entre reactivos y productos. (0,5 puntos)

$\mathbf{\text{a)}}\mathbf{\text{Realice}}\mathbf{\text{un}}\mathbf{\text{esquema}}\mathbf{\text{del}}\mathbf{\text{diagrama}}\mathbf{\text{energ}}\acute{\mathbf{\text{e}}}\mathbf{\text{tico}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{reacci}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{indicando}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{energ}}\acute{\mathbf{\text{ı}}}\mathbf{\text{a}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{activaci}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{directa}}\mathbf{\text{e}}\mathbf{\text{inversa,}}\mathbf{\text{as}}\acute{\mathbf{\text{ı}}}\mathbf{\text{como}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{diferencia}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{energ}}\acute{\mathbf{\text{ı}}}\mathbf{\text{a}}\mathbf{\text{entre}}\mathbf{\text{reactivos}}\mathbf{\text{y}}\mathbf{\text{productos}}\mathbf{\text{(ΔH°).}}\mathbf{\text{(1}}\mathbf{\text{punto)}}$

El diagrama representa la energía frente a la coordenada de reacción: se sube desde los reactivos hasta el complejo activado y se baja desde ahí hasta los productos. La subida es la energía de activación directa y la bajada, la inversa. La diferencia entre los extremos es la variación de entalpía:

$\mathrm{\Delta }{H}^0=E_a(\text{directa})-E_a(\text{inversa})=30-55=-25\text{ kJ/mol}$

Tomando como origen de energías el nivel de los reactivos:

Punto del diagrama	Energía relativa
Reactivos (A + B)	0 kJ/mol
Complejo activado	$+30$ kJ/mol
Productos (C + D)	$-25$ kJ/mol

En el esquema, la flecha de $E_a$ directa va del nivel de los reactivos al máximo y mide 30 kJ/mol; la de $E_a$ inversa va del nivel de los productos al mismo máximo y mide 55 kJ/mol; y la de $\mathrm{\Delta }{H}^0$ va de los reactivos a los productos, hacia abajo, y mide 25 kJ/mol. El máximo de la curva es el complejo activado o estado de transición.

Como $\mathrm{\Delta }{H}^0<0$, la reacción directa es $\mathbf{\text{exot}}\acute{\mathbf{\text{e}}}\mathbf{\text{rmica}}$: los productos son más estables que los reactivos y se desprende energía.

$\mathbf{\text{b)}}\mathbf{\text{Si}}\mathbf{\text{se}}\mathbf{\text{a}}\widetilde{\mathbf{\text{n}}}\mathbf{\text{ade}}\mathbf{\text{un}}\mathbf{\text{catalizador}}\mathbf{\text{que}}\mathbf{\text{acelera}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{reacci}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n,}}\mathbf{\text{indique}}\mathbf{\text{c}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{mo}}\mathbf{\text{variar}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{las}}\mathbf{\text{energ}}\acute{\mathbf{\text{ı}}}\mathbf{\text{as}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{activaci}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{directa}}\mathbf{\text{e}}\mathbf{\text{inversa.}}\mathbf{\text{(0,5}}\mathbf{\text{puntos)}}$

Un catalizador acelera la reacción porque ofrece un $\mathbf{\text{camino}}\mathbf{\text{alternativo}}$ con un complejo activado de menor energía. Al bajar el máximo de la curva, y como los niveles de reactivos y productos no se mueven, $\mathbf{\text{las}}\mathbf{\text{dos}}\mathbf{\text{energ}}\acute{\mathbf{\text{ı}}}\mathbf{\text{as}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{activaci}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{disminuyen}}$, y además lo hacen exactamente en la misma cantidad.

Si, por ejemplo, el catalizador rebajase el máximo en 10 kJ/mol:

$$	Sin catalizador	Con catalizador
$E_a$ directa	30 kJ/mol	20 kJ/mol
$E_a$ inversa	55 kJ/mol	45 kJ/mol
$\mathrm{\Delta }{H}^0$	$-25$ kJ/mol	$-25$ kJ/mol

La consecuencia importante es que el catalizador acelera $\mathbf{\text{por}}\mathbf{\text{igual}}$ la reacción directa y la inversa, de modo que no altera la posición del equilibrio: solo hace que se alcance antes.

$\mathbf{\text{c)}}\mathbf{\text{Si}}\mathbf{\text{se}}\mathbf{\text{a}}\widetilde{\mathbf{\text{n}}}\mathbf{\text{ade}}\mathbf{\text{un}}\mathbf{\text{catalizador,}}\mathbf{\text{razone}}\mathbf{\text{c}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{mo}}\mathbf{\text{variar}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{diferencia}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{energ}}\acute{\mathbf{\text{ı}}}\mathbf{\text{a}}\mathbf{\text{(ΔH°)}}\mathbf{\text{entre}}\mathbf{\text{reactivos}}\mathbf{\text{y}}\mathbf{\text{productos.}}\mathbf{\text{(0,5}}\mathbf{\text{puntos)}}$

$\mathbf{\text{No}}\mathbf{\text{var}}\acute{\mathbf{\text{ı}}}\mathbf{\text{a}}$:

$\mathrm{\Delta }{H}^0=-25\text{ kJ/mol}$

La razón de fondo es que la entalpía es una $\mathbf{\text{funci}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{estado}}$: su variación depende solo de los estados inicial y final, no del camino que se siga para ir de uno a otro. El catalizador cambia el camino —el mecanismo, el complejo activado, la velocidad— pero no toca ni a los reactivos ni a los productos, porque se recupera intacto al final.

Se ve también en la propia relación del apartado a): si las dos energías de activación bajan en la misma cantidad, su diferencia queda igual.