Dependencia de la energía de activación con la temperatura
Las chispas creadas al golpear el acero contra un pedazo de pedernal proporcionan la energía de activación para iniciar la combustión en este mechero Bunsen. La llama azul se mantiene después de que las chispas cesen porque la combustión continuada de la llama es ahora energéticamente favorable.
En química y física, la energía de activación es la cantidad mínima de energía que debe proporcionarse para que los compuestos den lugar a una reacción química[1] La energía de activación (Ea) de una reacción se mide en julios por mol (J/mol), kilojulios por mol (kJ/mol) o kilocalorías por mol (kcal/mol)[2] La energía de activación puede considerarse como la magnitud de la barrera de potencial (a veces llamada barrera de energía) que separa los mínimos de la superficie de energía potencial correspondiente al estado termodinámico inicial y final. Para que una reacción química proceda a una velocidad razonable, la temperatura del sistema debe ser lo suficientemente alta como para que exista un número apreciable de moléculas con energía traslacional igual o mayor que la energía de activación. El término energía de activación fue introducido en 1889 por el científico sueco Svante Arrhenius[3].
Unidad de energía de activación
Las reacciones químicas espontáneas (exotérmicas) suelen requerir un empuje de la adición de energía suministrada externamente. Esta energía suele denominarse energía de activación. ¿Qué hace realmente la energía de activación? ¿Cuál es la colina energética que supera la energía de activación?
Esencialmente, es la energía necesaria para empezar a romper las moléculas implicadas. Esto ocurre a través de las colisiones. Así, la energía de activación es una medida de la cantidad de calor (a través de la temperatura, que es una medida de la energía de traslación de las moléculas) necesaria para que las colisiones empiecen a romper las cosas cuando chocan.
La forma de transferencia de energía también es importante. Puede entrar en diferentes modos: traslacional-translacional, traslacional-rotacional, traslacional-vibracional, etc. Lo que importa son las colisiones T-V. Una vez que se transfiere suficiente energía de traslacional a vibracional, los enlaces se rompen y se producen las reacciones.
Tabla de energía de activación
Todas las moléculas poseen una cantidad mínima de energía. La energía puede ser en forma de energía cinética o de energía potencial. Cuando las moléculas chocan, la energía cinética de las moléculas puede utilizarse para estirar, doblar y, en última instancia, romper enlaces, lo que da lugar a reacciones químicas. Si las moléculas se mueven demasiado despacio, con poca energía cinética, o chocan con una orientación inadecuada, no reaccionan y simplemente rebotan unas contra otras. Sin embargo, si las moléculas se mueven lo suficientemente rápido con una orientación de colisión adecuada, de forma que la energía cinética al colisionar es mayor que la barrera de energía mínima, entonces se produce una reacción. El requisito mínimo de energía que debe cumplirse para que se produzca una reacción química se denomina energía de activación, \(E_a\).
Figura 1: En la mitología griega, Sísifo fue castigado a hacer rodar una inmensa roca por una colina, sólo para ver cómo volvía a rodar hacia abajo, y para repetir esta acción para siempre. Si se tratara de una reacción química, nunca se observaría, ya que los reactivos deben superar la barrera energética para llegar al otro lado (productos).
Energía de activación aparente
Es posible utilizar los estudios de cinética de un sistema químico, como el efecto de los cambios en las concentraciones de los reactivos, para deducir acontecimientos que ocurren a escala microscópica, como las colisiones entre partículas individuales. Estos estudios han dado lugar al modelo de colisión de la cinética química, que es una herramienta útil para comprender el comportamiento de las especies químicas que reaccionan. El modelo de colisión explica por qué las reacciones químicas suelen producirse más rápidamente a temperaturas más altas. Por ejemplo, las velocidades de reacción de muchas reacciones que se producen a temperatura ambiente se duplican aproximadamente con un aumento de temperatura de sólo 10°C. En esta sección, utilizaremos el modelo de colisión para analizar esta relación entre la temperatura y las velocidades de reacción. Antes de profundizar en la relación entre la temperatura y la velocidad de reacción, debemos discutir tres factores microscópicos que influyen en las velocidades de reacción macroscópicas observadas.
El modelo de colisión se basa en que una reacción química sólo puede producirse cuando las moléculas, átomos o iones reactivos colisionan. Por lo tanto, la tasa observada está influenciada por la frecuencia de colisiones entre los reactivos. La frecuencia de colisión es la tasa media en la que dos reactantes colisionan para un sistema determinado y se utiliza para expresar el número medio de colisiones por unidad de tiempo en un sistema definido. Aunque derivar la frecuencia de colisión (\(Z_{AB}\)) entre dos especies en un gas es sencillo, está fuera del alcance de este texto y la ecuación para la frecuencia de colisión de \(A\) y \(B\) es la siguiente: