Ejercicio resuelto de Cinética química · Química · 2024

Defina los siguientes conceptos:

a) Reacción exotérmica. (0,5 puntos)

b) Catálisis. (0,5 puntos)

c) Velocidad media de reacción. (0,5 puntos)

d) Energía de activación. (0,5 puntos)

$\textbf{a) Reacción exotérmica. (0,5 puntos)}$

Es aquella que $\textbf{desprende energía}$ al entorno, normalmente en forma de calor, de modo que el sistema pierde entalpía. Su variación de entalpía es negativa:

$\Delta H < 0$

Esto ocurre cuando la energía que se libera al formarse los enlaces de los productos es mayor que la que hay que aportar para romper los de los reactivos. En el diagrama energético, el nivel de los productos queda por debajo del de los reactivos, es decir, los productos son más estables.

Son ejemplos típicos las combustiones, las neutralizaciones y la formación de la mayoría de los compuestos a partir de sus elementos. Lo contrario es una reacción endotérmica, con $\Delta H > 0$.

Conviene no confundir exotérmica con espontánea: el signo de $\Delta H$ es solo uno de los dos factores que intervienen, junto al de $\Delta S$, en el criterio de espontaneidad $\Delta G = \Delta H - T\,\Delta S$.

$\textbf{b) Catálisis. (0,5 puntos)}$

Es el fenómeno por el cual la velocidad de una reacción aumenta gracias a la presencia de una sustancia, el $\textbf{catalizador}$, que participa en el proceso pero se recupera intacta al final, de modo que no se consume y basta con una cantidad pequeña.

El catalizador actúa proporcionando un $\textbf{mecanismo alternativo}$ con una energía de activación menor, así que una fracción mucho mayor de los choques resulta eficaz.

Dos precisiones importantes: acelera por igual la reacción directa y la inversa, de modo que $\textbf{no desplaza el equilibrio}$, solo hace que se alcance antes; y no modifica $\Delta H$, porque no cambia los estados inicial ni final.

Se distingue entre catálisis homogénea, cuando el catalizador está en la misma fase que los reactivos, y heterogénea, cuando está en fase distinta, como en los catalizadores de los automóviles. Las enzimas son los catalizadores biológicos.

$\textbf{c) Velocidad media de reacción. (0,5 puntos)}$

Es la variación de la concentración de una especie por unidad de tiempo, medida en un intervalo finito, dividida por su coeficiente estequiométrico para que el valor no dependa de la especie elegida. Para una reacción del tipo $a\,\mathrm{A} + b\,\mathrm{B} \rightarrow c\,\mathrm{C}$:

$v_m = -\frac{1}{a}\frac{\Delta [\mathrm{A}]}{\Delta t} = -\frac{1}{b}\frac{\Delta [\mathrm{B}]}{\Delta t} = +\frac{1}{c}\frac{\Delta [\mathrm{C}]}{\Delta t}$

El signo negativo en los reactivos compensa que su concentración disminuye, de manera que la velocidad sea siempre positiva. Se mide en $\mathrm{mol\cdot L^{-1}\cdot s^{-1}}$.

Si el intervalo se hace infinitamente pequeño se obtiene la velocidad instantánea, que es la derivada y corresponde a la pendiente de la tangente a la curva de concentración frente al tiempo.

$\textbf{d) Energía de activación. (0,5 puntos)}$

Es la energía mínima que deben tener los reactivos para que un choque entre ellos sea eficaz, es decir, la barrera que hay que superar para llegar al complejo activado y que la reacción progrese.

$E_a = E(\text{complejo activado}) - E(\text{reactivos})$

Es siempre positiva, tanto para las reacciones exotérmicas como para las endotérmicas, y su valor determina la velocidad: cuanto mayor sea, menor será la fracción de moléculas capaz de superarla y más lenta será la reacción. La relación cuantitativa la da la ecuación de Arrhenius:

$k = A\,e^{-E_a/(R\,T)}$

Es también la razón de que un aumento de temperatura acelere tanto las reacciones: no porque baje $E_a$, sino porque crece mucho la proporción de moléculas que la superan.