Diagramas de energía y energía de activación

Química

Conceptos clave

El perfil de energía de reacción grafica energía potencial (eje Y, en $\text{kJ mol}^{-1}$ ) frente al avance de la reacción (eje X); se lee de izquierda a derecha como un paisaje de montaña.
La energía de activación directa $E_a$ es la altura del pico sobre el nivel de los reactivos: $E_a = E_{\text{pico}} - E_{\text{reactivos}}$ ; siempre positiva.
El cambio de entalpía $\Delta H = E_{\text{productos}} - E_{\text{reactivos}}$ ; negativo = exotérmica, positivo = endotérmica.
$E_a$ y $\Delta H$ son independientes: se leen de puntos distintos del diagrama; no deduzcas una de la otra.

$E_a$ directa: desde el nivel de reactivos hasta la cima (estado de transición o complejo activado).
$E_a$ inversa: desde el nivel de productos hasta la misma cima; $E_a(\text{inversa}) = E_{\text{pico}} - E_{\text{productos}}$ .
Relación útil: $\Delta H = E_a(\text{directa}) - E_a(\text{inversa})$ .
Clasificación: si los productos quedan más bajos → exotérmica; si quedan más altos → endotérmica.

El catalizador ofrece una ruta alternativa con menor $E_a$ : el pico del perfil baja.
Los niveles de reactivos y productos no se mueven → $\Delta H$ no cambia.
Al bajar el pico, una mayor proporción de moléculas lo supera → reacción más rápida.
En un mecanismo de varios pasos: el perfil muestra varios picos (un estado de transición por paso) y valles (intermediarios); el paso determinante es el del pico más alto.

Problema: reactivos a $60\ \text{kJ mol}^{-1}$ , pico a $210\ \text{kJ mol}^{-1}$ , productos a $100\ \text{kJ mol}^{-1}$ . Calcula $E_a$ directa, $E_a$ inversa y $\Delta H$ .

$E_a(\text{directa}) = 210 - 60 = 150\ \text{kJ mol}^{-1}$

$E_a(\text{inversa}) = 210 - 100 = 110\ \text{kJ mol}^{-1}$

$\Delta H = 100 - 60 = +40\ \text{kJ mol}^{-1} \quad \text{(endotérmica)}$

Error frecuente: tomar la altura absoluta del pico como $E_a$ sin restar el nivel de los reactivos.
Error frecuente: calcular $\Delta H$ desde el pico hasta los productos en vez de productos menos reactivos.
Al esbozar el perfil con catalizador: bajar solo el pico; dejar los extremos (reactivos y productos) exactamente igual.
Para la $E_a$ inversa: recordar que los productos pueden estar más altos (endo) o más bajos (exo) que los reactivos, lo que afecta el tamaño de la barrera inversa.

Conceptos clave

El perfil de energía de reacción grafica energía potencial (eje Y, en $\text{kJ mol}^{-1}$ ) frente al avance de la reacción (eje X); se lee de izquierda a derecha como un paisaje de montaña.
La energía de activación directa $E_a$ es la altura del pico sobre el nivel de los reactivos: $E_a = E_{\text{pico}} - E_{\text{reactivos}}$ ; siempre positiva.
El cambio de entalpía $\Delta H = E_{\text{productos}} - E_{\text{reactivos}}$ ; negativo = exotérmica, positivo = endotérmica.
$E_a$ y $\Delta H$ son independientes: se leen de puntos distintos del diagrama; no deduzcas una de la otra.

Las dos magnitudes del perfil

$E_a$ directa: desde el nivel de reactivos hasta la cima (estado de transición o complejo activado).
$E_a$ inversa: desde el nivel de productos hasta la misma cima; $E_a(\text{inversa}) = E_{\text{pico}} - E_{\text{productos}}$ .
Relación útil: $\Delta H = E_a(\text{directa}) - E_a(\text{inversa})$ .
Clasificación: si los productos quedan más bajos → exotérmica; si quedan más altos → endotérmica.

Efecto del catalizador en el perfil

El catalizador ofrece una ruta alternativa con menor $E_a$ : el pico del perfil baja.
Los niveles de reactivos y productos no se mueven → $\Delta H$ no cambia.
Al bajar el pico, una mayor proporción de moléculas lo supera → reacción más rápida.
En un mecanismo de varios pasos: el perfil muestra varios picos (un estado de transición por paso) y valles (intermediarios); el paso determinante es el del pico más alto.

Ejemplo resuelto

Problema: reactivos a $60\ \text{kJ mol}^{-1}$ , pico a $210\ \text{kJ mol}^{-1}$ , productos a $100\ \text{kJ mol}^{-1}$ . Calcula $E_a$ directa, $E_a$ inversa y $\Delta H$ .

$E_a(\text{directa}) = 210 - 60 = 150\ \text{kJ mol}^{-1}$

$E_a(\text{inversa}) = 210 - 100 = 110\ \text{kJ mol}^{-1}$

$\Delta H = 100 - 60 = +40\ \text{kJ mol}^{-1} \quad \text{(endotérmica)}$

En el examen IB

Error frecuente: tomar la altura absoluta del pico como $E_a$ sin restar el nivel de los reactivos.
Error frecuente: calcular $\Delta H$ desde el pico hasta los productos en vez de productos menos reactivos.
Al esbozar el perfil con catalizador: bajar solo el pico; dejar los extremos (reactivos y productos) exactamente igual.
Para la $E_a$ inversa: recordar que los productos pueden estar más altos (endo) o más bajos (exo) que los reactivos, lo que afecta el tamaño de la barrera inversa.