Si hablamos de energía de activación estamos hablando de aquella energía mínima que requiere un sistema para iniciar un proceso específico.
Podemos decir que este tipo de energía en una reacción química es una especie de “barrera” que se debe superar para iniciar una actividad. Incluso aquellas reacciones que liberan energía necesitan de determinado aporte de energía para comenzar, previo a que se pueda liberar la misma. Posteriormente este aporte de energía inicial se compensa a medida que la reacción progresa.
Vamos a verlo con más detalle.
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¿Qué es la energía de activación?
Como ya dijimos, se denomina energía de activación a aquella energía que como mínimo se necesita para que una reacción química se lleve a cabo.
Para que por ejemplo se produzca una reacción entre dos moléculas, las mismas deben colisionar en la orientación correcta y tener una cantidad de energía mínima. Conforme estas moléculas se van acercando, sus electrones se repelen. Para que este proceso se pueda completar, se necesita de una cierta cantidad de energía, y esta es la energía de activación.
La misma proviene de la energía térmica que tiene un sistema. Cuando hablamos de energía térmica estamos haciendo referencia a la energía traslacional, la vibracional y la rotacional de cada molécula.
Si la energía es la suficiente, se logra superar la repulsión y las moléculas consiguen aproximarse lo suficiente para que se produzca una reorganización en sus enlaces.
Para verlo de manera más clara, podemos pensar en la combustión de una sustancia. En este caso podemos ver que pos sí solo el combustible y el comburente no generan el fuego. Por el contrario se necesita un primer aporte de energía para poder comenzar la combustión. Podemos hablar por ejemplo de un pequeño aporte de calor para desencadenar dicha combustión.
Tipos de energía de activación
Dependiendo del origen de este tipo de energía, podemos hacer una diferenciación. Es decir que dependiendo de la procedencia de este primer aporte de energía mínima, vamos a poder clasificarla en diferentes categorías.
- Químico. El primero origen que podemos pensar es el origen químico. En este caso, la energía química exotérmica desprende calor. El mismo puede ser utilizado como fuente de ignición.
- Eléctrico. También podemos pensar un un origen eléctrico. El mismo implica el paso de una corriente eléctrica o también un chispazo por ejemplo, que genera calor.
- Nuclear. En este caso hablamos de la fusión o la fisión nuclear, ambos son procesos que pueden generar calor.
- Mecánico. Finalmente podemos hablar de un origen mecánico. El mismo funciona por compresión o fricción. Esta fuerza mecánica entre dos cuerpos puede generar calor.
¿Cómo se produce la energía de activación?
Para entender cómo funciona este tipo de energía, primero debemos entender algunas cuestiones.
En primer lugar tenemos que hablar de lo que ocurre con las moléculas de reactivo en una reacción química. Para que este tipo de reacción se lleve adelante, se deben romper algunos o todos los enlaces químicos de los reactivos. De esta manera es como se consigue la formación de los enlaces nuevos de los productos.
Por otro lado, para que los enlaces lleguen a un nivel al cual les sea posible romperse, la molécula se debe doblar o deformar en un estado inestable que es llamado estado de transición. El mismo es un estado de alta energía. Al mismo se le debe agregar una cantidad de energía mínima (la energía de transición), para que la molécula llegue a ese punto. Como dijimos, este es un estado inestable, entonces las moléculas de reactivo no permanecen así por mucho tiempo. Por el contrario se sigue con el siguiente paso de la reacción química.
Por lo general este estado de transición de una reacción siempre posee un nivel de energía mayor que los reactivos o los productos que lo generan. Esto es así independientemente de si la reacción es endergónica o exergónica en su totalidad.
La energía de activación por su parte, si hablamos de una reacción directa, la misma es exergónica. Pero si la reacción se sucede de manera endergónica, el estado de transición se mantiene de la misma manera, pero la energía de activación es mayor. Esto se debe a que las moléculas del producto poseen menor energía. Por lo que el aporte de energía mínimo para alcanzar el estado de transición debe ser mayor.
La energía de activación de la reacción directa es la cantidad de energía libre que debe añadirse para ir del nivel de energía de los reactivos al nivel de energía del estado de transición.
Fuente de energía de activación
Ahora que ya sabemos qué es este tipo de energía, vamos a ver de dónde proviene.
Por lo general cuando hablamos de energía de activación, pensamos en el calor como su principal fuente. Esto quiere decir que las moléculas de determinado reactivo absorben la energía térmica del entorno.
La energía térmica es la encargada de acelerar el movimiento de las moléculas de reactivo. Esto hace que se incremente la frecuencia y la fuerza de las colisiones que se producen. Al mismo tiempo los átomos y enlaces dentro de las moléculas individuales también comienzan a agitarse con más fuerza. Es así que la probabilidad de que los enlaces se rompan se incrementa notablemente.
Cuando una molécula de reactivo absorbe la cantidad de energía suficiente, se consigue llegar a estado de transición. De esta manera se puede continuar con el resto de la reacción para completar el proceso.
Velocidad de reacción
La energía de activación de una reacción química está inversamente relacionada con su velocidad. En este sentido podemos decir que cuanto mayor sea la energía de activación, mas lenta es la reacción química.
Esto es así debido a que las moléculas únicamente pueden completar la reacción cuando logran superar la barrera de la energía de activación. Entonces, mientras más alta es esta barrera, menos moléculas van a tener la energía suficiente necesaria para superarla en un determinado momento.
El ejemplo más claro, que lo mencionamos más arriba, es el caso de la combustión. Podemos pensar en una sustancia como el propano. En este caso, el mismo libera energía, pero la velocidad de reacción efectiva es cero a temperatura ambiente. Entonces, se requiere de una chispa que le de la suficiente energía para que alguna de sus moléculas superen este umbral de energía de activación. Las mismas completan la reacción y terminan por liberar energía. Al mismo tiempo, la energía liberada ayuda a otras moléculas de combustible a superarlo también y de esta manera se produce una reacción en cadena.
Por lo general, la mayoría de las reacciones que se producen en las células son como el caso de la combustión que mencionamos antes. Esto significa que la energía de activación es tan alta que las reacciones no ocurren de manera significativa a temperatura ambiente.
Factores que afectan a la velocidad de reacción
Existen varios factores que afectan la velocidad a la cual una reacción química tiene lugar. En este sentido podemos mencionar los siguientes:
Temperatura
La velocidad de reacción se incrementa con la temperatura. Esto se debe a que dicho aumento incrementa la energía cinética de las moléculas.
Cuanto mayor energía cinética haya, las moléculas ganan una mayor velocidad y esto hace que las mismas choquen no solo con más frecuencia, sino además con mayor intensidad.
Estado físico de los reactivos
Cuando en una misma reacción participan reactivos en distintas fases, su área de contacto se reduce, así como también su velocidad. Por otro lado, cuando el área de contacto es mayor, la velocidad también lo es.
Entonces, si los reactivos se encuentran en distintas fases, aparecen nuevos factores cinéticos que se deben tener en cuenta. Hay que considerar la rapidez de transporte. En la mayoría de los casos la misma es mucho menor que la rapidez intrínseca de la reacción y son las etapas de transporte las que definen la cinética del proceso. Como dijimos, una mayor área de contacto reduce la resistencia al transporte.
Pero también hay que considerar la difusividad del reactivo en el medio, y su solubilidad. Esto se debe a que es el límite de concentración del reactivo y se determina por el equilibrio entre las fases.
Catalizador
Existe la posibilidad de reducir el umbral de energía mínimo en una reacción. De esta manera los que se consigue es incrementar la velocidad de reacción.
Este proceso de aceleración de una reacción por medio de la reducción de la energía mínima, se denomina carálisis. Lo que se utiliza para reducir este nivel de energía mínimo es el llamado catalizador. Por su parte, si hablamos de catalizadores biológicos, hacemos referencia a las enzimas.
Los catalizadores aumentan o disminuyen la rapidez de una reacción sin transformarse. Existen catalizadores homogéneos, que se encuentran en la misma fase que los reactivos y catalizadores heterogéneos, que se encuentran en distinta fase.
Por otro lado, estos elementos también pueden retardar las reacciones. En este caso se los denomina como retardantes o inhibidores, e impiden la producción.
Concentración de los reactivos
Cuanto más concentrados se encuentren los reactivos, mayor va a ser la frecuencia de las colisiones.
Presión
Si la presión del sistema es mayor en una reacción química, la energía cinética de las moléculas varía. Entonces podemos decir que a mayor presión, la energía cinética de las partículas es también mayor y de esta manera la reacción es más rápida.
De la misma manera que ocurre en los gases, cuando aumenta su presión, el movimiento de las partículas se incrementa. De esta manera es que se consigue una velocidad de reacción más importante.
Luz
Finalmente podemos considerar a la luz como determinante de las velocidades de reacción.
En algunos casos, cuando las reacciones reciben energía lumínica se producen con mayor velocidad. Por lo general la luz arranca electrones de algunos átomos y se forman iones. Es así que la velocidad de reacción se incrementa.
Relación con las reacciones exotermicas y endotermicas
Cuando se produce una reacción química, las mismas suelen tener un comportamiento particular dependiendo de la reacción que se pueda dar. De esta manera se puede desprender, o bien absorber energía del entorno. Este tipo de energía se denomina reacciones exotérmicas y endotérmicas. Ambas se encuentran directamente relacionadas a la energía de activación.
Reacciones exotérmicas
Este tipo de reacciones tienen lugar cuando se produce un desprendimiento neto de energía. Al mismo tiempo una mayor porción que energía de activación se libera al entorno.
En palabras más simples, podemos decir que las reacciones exotérmicas son aquellas que desprenden calor mientras se producen.
Reacciones endotérmicas
También tenemos las reacciones endotérmicas. En este caso se produce una absorción neta de energía. LO que sucede con las mismas es que se libera una cantidad de energía que es menor a la energía de activación.
A diferencia de las reacciones anteriores, las reacciones endotérmicas absorben calor.