Temas de 5° bimestre

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Energía endotérmica y exotérmica
Energía de activación

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Temas de 5° bimestre

  1. 1. 5° Bimestre: QUÍMICA IV UNIDAD III: LA ENERGÍA Y LOS SERES VIVOS 3.1. Vida y termodinámica a) Reacciones exotérmicas y endotérmicas. Entalpía. b) Energía de activación. c) Entropía. d) Energía libre y espontaneidad. e) Reacciones exergónicas y endergónicas. 3.2. Energéticos de la vida a) Carbohidratos. Energía de disponibilidad inmediata. Estructura. Actividad óptica. Mono, di y polisacáridos. b) Lípidos. Almacén de energía. Estructura. Grasas y aceites. Saponificación de grasas. 3.3. Enzimas, super catalizadores específicos y eficientes a) Velocidad de reacción y factores que influyen en ella. b) Estructura de aminoácidos y proteínas. c) Enzimas. Catalizadores biológicos. 5° EXÁMEN DE PERÍODO3.1. Vida y termodinámicaa) Reacciones exotérmicas y endotérmicas. Entalpía Las reacciones exotérmicas y endotérmicas son reacciones químicas asociadas una variación de energía. Las exotérmicas son aquellas que desprenden calor. Las endotérmicas son las que absorben calor. Las reacciones químicas, se entienden mejor desde un punto de vista energético. Toda reacción química implica la ruptura de uniones de la molécula reactiva y la formación de nuevas uniones para obtener los productos. La energía química radica, precisamente, en las uniones químicas. ¿Qué sucede con la energía durante una reacción química? Toda reacción química lleva asociada una variación de energía. Y esa variación es observable, podría manifestarse como energía luminosa, eléctrica, mecánica o como calor. Tengan en cuenta que cuando estudiamos un proceso químico desde un punto de vista energético, se suele considerar el conjunto de sustancias involucradas en la reacción como el sistema de estudio y el resto, el medio o entorno. En las reacciones químicas exotérmicas se desprende calor, el ΔH es negativo y significa que la energía de los productos es menor que la energía de los reactivos, por ejemplo en las reacciones de combustión. En las reacciones químicas endotérmicas se absorbe calor, ΔH es positivo y significa que la energía de los productos es mayor que la energía de los reactivos, por ejemplo en la fotosíntesis. 1
  2. 2. ECUACIONES TERMOQUÍMICAS. Son las ecuaciones que expresan simultáneamente las relaciones de masa y de entalpías. Guía para escribir e interpretar ecuaciones termoquímicas. 1.- Una ecuación termoquímica se escribe con las fórmulas de los reactivos y de los productos, a sí mismo, los coeficientes estequiométricos siembre se refieren al número de moles de cada sustancia. 2.- Cuando se escriben ecuaciones termoquímicas se deben especificar los estados físicos de todos los reactivos y productos, porque de ellos dependen los cambios reales de entalpías. Usando la siguiente notación: (s) sólido,(l) líquido y (g) gas. 3.- La cantidad de calor asociada a la reacción siempre se escribe en el extremo derecho, la reacción será exotérmica sí ΔH tiene valor negativo, y endotérmica sí ΔH tiene valor positivo. 4.- Cuando se invierte una ecuación, se cambian los papeles de los reactivos y productos. En consecuencia, la magnitud de ΔH para la ecuación es la misma pero cambia de signo 5.- Si se multiplican ambos lados de la ecuación por el factor n, entonces también cambiará por el mismo factor. La cantidad de calor ganada o perdida por una cierta masa de agua cuando varía su temperatura se determina con al siguiente ecuación: Q = mCe ∆T Donde: Q = Cantidad de calor (Calorías) m = masa (g) Ce = Calor específico (cal/gºC) ∆T = Tf – Ti (ºC) La propiedad denominada calor específico, designada por (Ce), se define como la cantidad de calor que se requiere para variar la temperatura de un gramo de sustancia en un grado de temperatura, se tiene entonces: Q Ce = m∆TLa capacidad calorífica (C) de una sustancia es la cantidad de calor requerido para elevaren un grado Celsius la temperatura de una cantidad de sustancia. (cal) C = m Ce = -------------- (ºC)Por ejemplo, el calor específico del agua es de 1 cal/g ºC y la capacidad calorífica de 150g de agua es:C = mCe = ( 150 g ) (1 cal/g ºC) =150 cal/ ºC 2
  3. 3. PROBLEMA RESUELTO.50 g de agua se calientan desde una temperatura de 20 ºC hasta otra temperatura de 60ºC. ¿Cuál es la cantidad de calor absorbida?Masa = 50 gTinicial = 20ºCT final = 60 ºCQ =mCe ∆TQ = (50 g)(1 cal/gºC)(60 ºC – 20 ºC)Q =2000 cal = 2 kcalCuando dos o más sustancias se ponen en contacto, y se determina por ejemplo, latemperatura de equilibrio, se tendrán las siguientes condiciones en el balance de calor:Calor ganado igual a calor perdido.La suma algebraica de los valores debe ser cero.Por ejemplo, se tienen dos masas A y B con temperaturas de 80 y 20 ºCrespectivamente. A pierde calor y B lo gana, luego entonces. QA = QBComo A pierde calor por convención tiene signo (-), B gana por lo tanto, tiene signo (+)por lo que: QB - QA = 0REACCIONES EXOTÉRMICASEl prefijo exo significa ―hacia fuera‖. Por lo tanto entendemos que las reaccionesexotérmicas son aquellas que liberan energía en forma de calor. El esquema general deuna reacción exotérmica puede ser escrito de la manera siguiente, donde A, B, C y Drepresentan sustancias genéricas.A partir de la Ley de la Conservación de Energía, podemos afirmar que ―La energía totalde los reactivos es igual a la energía total de los productos‖.En otras palabras, toda la energía que entró en el primer miembro de la ecuaciónquímica, debe salir íntegramente en el segundo miembro de la ecuación. De dondeobtenemos la siguiente conclusión: si una reacción es exotérmica, entonces la entalpía delos reactivos (Hr ) es mayor que la entalpía de los productos(Hp ), pues una parte de laenergía que estaba contenida en los reactivos fue liberada para el medio ambiente enforma de calor y apenas otra parte de esa energía quedó contenida en los productos.Entonces en una reacción exotérmica: Hr > HpNo es posible determinar directamente la entalpía de cada sustancia participante de unareacción, pero podemos determinar experimentalmente la variación de entalpía ΔH, queocurre cuando una reacción química es realizada. 3
  4. 4. Como en la reacción exotérmica Hr > Hp , entonces en este tipo de reacción el valor deΔH será siempre negativo. Siendo que la reacción exotérmica: ΔH > 0.Observa que no existe energía negativa; un sistema contiene energía. El signo negativode ΔH quiere decir apenas que la energía fue liberada.REACCIONES ENDOTÉRMICASEl prefijo endo significa ―hacia adentro‖. Por lo tanto se entiende que las reaccionesendotérmicas son aquellas que absorben energía en forma de calor. El esquema generalde una reacción endotérmica puede ser escrito de la siguiente manera, donde A, B, C y Drepresentan sustancias genéricas.Una vez que la energía total se conserva del primer para el segundo miembro decualquier reacción química, podemos afirmar que: si una reacción es endotérmica, laentalpía de los productos Hp es mayor que la entalpía de los reactivos Hr , pues unadeterminada cantidad de energía fue absorbida por los reactivos en forma de calor,durante la reacción, quedando contenida en los productos. Siendo que en la reacciónendotérmica: Hp > Hr.Y siendo ΔH = Hp — Hr , entonces en la reacción endotérmica el valor de ΔH serásiempre positivo. Siendo que en la reacción endotérmica: ΔH > 0.PRINCIPIO DE THOMPSEN y BERTHELOTHay un principio fundamental de la Termoquímica, determinado en 1867 por loscientíficos que le dieron sus nombres, que afirma: ―Entre un conjunto de reaccionesquímicas posibles ocurrirá primero, espontáneamente aquella que fuese más exotérmica.”La reacción exotérmica es aquella que libera mayor cantidad de energía en la forma decalor. Esto significa que los productos formados en este tipo de reacción son menosenergéticos, por tanto, mas estables. Espontáneamente, las sustancias solo van areaccionar en busca de mayor estabilidad y de este modo, en busca de liberar mayorcantidad posible de energía. Siendo que podemos decir entonces que: más estabilidad = menos energía = menor ΔH = reacción más espontáneaTal que podemos utilizar el ejemplo: Agregándose los gases F2, Cl2 e Br2 a un recipienteconteniendo gas hidrógeno, puede preverse cual será la reacción que ocurrirá primero através del valor de ΔH de cada una.Como la reacción a) es la que libera mayor cantidad de energía, espontáneamente es lareacción que ocurrirá en primer lugar. 4
  5. 5. En química que hemos aprendido sobre reacciones exotérmicas y endotérmicas. Pero el,¿Cómo es aplicable a nuestra vida cotidiana?, para muchos es desconocido.En primer lugar, una reacción exotérmica es aquella en la que el calor se produce comouno de los productos finales. Debido a la reacción se convierte en calor. Ejemplos dereacciones exotérmicas en nuestra vida cotidiana son: la combustión, como la quema deuna vela, madera y reacciones de neutralización. En una reacción endotérmica, sucedelo contrario. En esta reacción, se absorbe el calor o más exactamente, el calor esnecesario para completar la reacción. La fotosíntesis de las plantas es una reacciónendotérmica química. En este proceso, los cloroplastos en las hojas absorben la luz delsol. Sin luz solar o alguna otra fuente similar de energía, no se puede completar estareacción.En reacciones exotérmicas el cambio de entalpía siempre es negativo, mientras que enla reacción endotérmica el cambio de entalpía siempre es positivo. Esto es debido a laliberación y la absorción de calor en las reacciones, respectivamente. Los productosfinales son estables en reacciones exotérmicas. Los productos finales en reacciónendotérmica son menos estables. Esto es debido a los débiles enlaces formados.‘Endo‘ significa absorber y por lo tanto, en reacción endotérmica, la energía es absorbidadesde el entorno externo. Así, los entornos pierden energía y como resultado, elproducto final tiene mayor nivel de energía que los reactivos. Debido a estos enlaces dealta energía, el producto es menos estable y la mayoría de las reacciones endotérmicasno son espontáneas. ‗Exo‘ significa desprender y es así como se libera la energía enreacciones exotérmicas. Como resultado, el entorno se calienta. Muchas de lasreacciones exotérmicas son espontáneas.Cuando encendemos una cerilla, esto causa una reacción exotérmica. En esta reacción,cuando tomamos el cerillo y lo frotamos para encenderlo, la energía almacenada selibera en forma de calor, espontáneamente y la llama tendrá menor energía que el calorproducido. La energía siendo liberada está previamente almacenada en la cerilla y por lotanto no requiere de ninguna energía externa para que la reacción que se produzca.Cuando el hielo se derrite, será debido al calor a su alrededor. El medio ambiente tendráuna temperatura más alta que el hielo y este calor es absorbido por el hielo. Laestabilidad de los enlaces se reduce y como resultado, se funde en un líquido.Algunas reacciones exotérmicas en nuestras vidas son la digestión de alimentos ennuestro cuerpo, reacciones de combustión, la condensación del agua, explosiones debombas y agregar un metal alcalino al agua. Ahora debe tener una idea de que son lasreacciones exotérmicas y endotérmicas. 5
  6. 6. b) Energía de activación y orientación El hecho de que una reacción sea exotérmica no quiere decir que se de espontáneamente. Generalmente será necesario aportar energía a la reacción para que la reacción tenga lugar: es lo que se conoce como energía de activación. Lo que realmente ocurre es que, una vez que el sistema ha absorbido esa energía de activación, luego desprende una cantidad de calor mayor que la que ha necesitado para activarse, de modo que la reacción en su conjunto desprende energía, es exotérmica.Aún hay otro factor que influye en que se de una reacción: como las reacciones seproducen cuando las moléculas chocan entre sí, no sólo es necesario que las moléculastengan suficiente energía, sino también que los choques se den con la orientacióncorrecta.La simulación de la derecha representa la formación del yoduro de hidrógeno a partir dehidrógeno (en gris) y yodo (en violeta). Puedes elegir entre tres condiciones de reacción(energía menor que la de activación, energía igual o mayor que la de activación peroorientación incorrecta y energía igual o mayor que la de activación y orientacióncorrecta), y observar lo que ocurre en cada uno de los casos.Si nos limitamos a colocar en el mismo recipiente dos sustancias distintas sólotendremos una mezcla física. Por contra, si proporcionamos al sistema una energíasuperior a la energía de activación, se producirá una reacción química, formándose elproducto de la reacción. 6
  7. 7. El acontecimiento de una reacción química está obligatoriamente relacionado con elcontacto entre moléculas reactivas y a una energía mínima necesaria. Esta energíamínima para el acontecimiento de la reacción es llamada como energía de activación.La formación de los productos a partir de los reactivos es un proceso gradual en que losenlaces de los reactivos son rotos en paralelo con la formación de los enlaces de losproductos. Este estado intermedio en que algunos enlaces están semi-rotos y otrossemi-formados es conocido como ―complejo activado‖.Otra exigencia para la formación del complejo activado es que las moléculas reactivancolisiones con orientación favorable a la formación del mismoColisiones con energía y orientaciones adecuadas a la formación del complejo activado,son llamadas como colisiones efectivas. Estos son los principios básicos de la Teoría deColisión.Dada la siguiente reacción: H2 + I2 —-> 2 HIVerifiquemos en la tabla a continuación, en la primer línea una orientación que lleva auna colisión no efectiva y en la segunda línea una que lleva a una colisión efectivaNo todas las colisiones son efectivas, en tanto, todas en que el complejo activado esalcanzado llevan a la formación de los productos.Complejo activado es una estructura intermedia entre los reactivos y losproductos, con enlaces intermediarios entre los dos reactivos y los dosproductos.La energía de activación de la reacción corresponde a la energía necesaria para que lareacción se efectúe con menos energía de los reactivos. Cuanto más baja fuese laenergía de activación de una reacción, más elevada será la velocidad de la misma.Una reacción se llama exotérmica cuando provee para el medio una energía más altaque la necesaria para alcanzar el complejo activado.Cuando una reacción es endotérmica, ella provee para el medio una energía más bajaque la necesaria para alcanzar el complejo activado.Catalizadores son sustancias que disminuyen la energía de activación para una dadareacción, sin alterar el ΔH de la misma. Los catalizadores no se alteran durante lasreacciones.En la autocatálisis, uno de los productos de la reacción actúa como catalizador, al iniciode la reacción es lenta con la formación de este la velocidad va aumentandogradualmente.En la catálisis homogénea, catalizador y reactivos se encuentran en la misma fase. En lacatálisis heterogenea, catalizador y reactivos se encuentran en fases diferentes.Las enzimas son catalizadores que actúan en reacciones biológicas y generalmente sonbastante específicas y presentan temperatura óptima de actuación en el entorno de los37º. 7

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