miércoles, 29 de febrero de 2012

Reacciones exotérmicas y endotérmicas

El concepto de reacción química exotérmica no es explicado con exactitud en la mayoría de los textos de química. Comúnmente se dice que las reacciones exotérmicas son aquellas que “liberan calor”; sin embargo esta definición no es exacta, ya que existen condiciones en las que una reacción exotérmica puede ocurrir sin “liberación de calor” (confieso que yo mismo he cometido este pecado en algunos de mis rollos anteriores). De manera sencilla y más precisa, las reacciones exotérmicas son aquellas en las que la temperatura aumenta al formarse los productos. Por ello, comúnmente durante una reacción exotérmica hay transferencia de calor desde las sustancias producidas (mayor temperatura) hacia el entorno (menor temperatura), es decir, hay “liberación de calor”; pero no siempre pasa esto.

Un ejemplo de reacción exotérmica es la del magnesio Mg con el ácido clorhídrico HCl, en la cual ocurre un aumento de temperatura cuando se forman los productos: cloruro de magnesio MgCl2 e hidrógeno H2.


Aunque en las reacciones exotérmicas la temperatura siempre aumenta, no necesariamente “liberan calor”. Si la reacción ocurre en un recipiente de paredes adiabáticas (sistema aislado) entonces no habrá transferencia de calor hacia el entorno. Imaginemos que realizamos la reacción del magnesio con el ácido clorhídrico en el interior de un vaso termo (sistema aislado). En este caso las sustancias en el interior del vaso aumentarían su temperatura, pero no habría transferencia de calor al exterior ya que las paredes del vaso son adiabáticas. Por lo tanto, en este ejemplo aun cuando la reacción es exotérmica, no existe “liberación de calor” (transferencia de calor hacia el entorno).

En el ejemplo anterior lo que hay es un aumento de energía térmica dentro del sistema, sin transferencia de calor (en el rollo “La energía térmica” expliqué la diferencia entre energía térmica y calor). Recordemos que la energía térmica es la energía de movimiento (energía cinética) de las partículas de una sustancia y está directamente relacionada con la temperatura. Siempre que hay un aumento de temperatura, hay un aumento de energía térmica (las partículas se mueven más rápidamente).

Ahora bien, ¿de dónde proviene el aumento de energía térmica que ocurre durante una reacción exotérmica? Si analizamos el ejemplo del vaso termo, nos damos cuenta de que no proviene del entorno, porque el sistema es aislado (no puede entrar energía desde el exterior). El aumento de energía térmica proviene de la energía química de las mismas sustancias que reaccionan. Recordemos que todas las sustancias tienen energía química, que es energía almacenada en los enlaces (fuerza de atracción) que unen sus partículas (átomos o moléculas) entre sí. La energía química es resultado de las tensiones que hay en dichos enlaces (es energía potencial en los enlaces de las partículas). Por lo tanto, en una reacción exotérmica la energía térmica aumenta a expensas de la energía química de las sustancias mismas, independientemente del entorno. Es decir, las sustancias pierden energía química que se convierte en energía térmica. Insisto, nada de esta energía llega del entorno; sólo ocurre una transformación de energía dentro del sistema: de energía química a energía térmica, es decir, las partículas pierden tensión en sus enlaces y ganan velocidad en su movimiento.

Considerando lo anterior, las reacciones exotérmicas se pueden definir de manera más exacta como aquellas en las que la energía química (potencial de las partículas) se transforma en energía térmica (cinética de las partículas). Y sólo si ocurren en un recipiente de paredes diatérmicas (sistema abierto) ocurrirá una transferencia de calor hacia el entorno (“liberarán calor”).

Por lo tanto, en una reacción exotérmica habrá “liberación de calor” sólo si ocurre en un sistema abierto. Y dicha “liberación de calor” es consecuencia del aumento de la temperatura del sistema.

Lo que he explicado antes vale también para las reacciones endotérmicas. Comúnmente se define a las reacciones endotérmicas como aquellas que “absorben calor”. Esto también es inexacto. Más bien, las reacciones endotérmicas son aquellas en las que la temperatura disminuye al formarse los productos. Por ello, comúnmente durante una reacción endotérmica se transfiere calor desde el entorno (mayor temperatura) hacia las sustancias producidas (menor temperatura), es decir, hay “absorción de calor”; pero no siempre pasa esto. Al igual que en el caso de las reacciones exotérmicas, si la reacción endotérmica ocurre en un sistema aislado (de paredes adiabáticas), entonces no “absorberá calor”.

También se dice en algunos textos que las reacciones endotérmicas requieren calor para efectuarse; esto tampoco es exacto. En realidad las reacciones endotérmicas no necesitan aporte de calor para ocurrir. Si el sistema es aislado, entonces no hay aporte de calor del entorno, y sin embargo, la reacción sí ocurre y el sistema disminuye su temperatura, es decir, pierde energía térmica.

Un ejemplo de reacción endotérmica es la que ocurre entre el hidróxido de bario Ba(OH)2 y el cloruro de amonio NH4Cl que producen cloruro de bario BaCl2, amoniaco NH3 y agua H2O. Si esta reacción se realiza dentro de un vaso termo, se observa que los productos de la reacción se enfrían, y no hay transferencia de calor desde el entorno.


Ahora bien, ¿a dónde va a parar la energía térmica “perdida” durante una reacción endotérmica? Otra vez, recordando el ejemplo del vaso termo, concluimos que no se va hacia el entorno (la energía no puede salir al exterior). En este caso la energía térmica perdida se convierte en energía química del mismo sistema. Es decir, ocurre lo opuesto que en la reacción exotérmica.

Considerando lo anterior, las reacciones endotérmicas se pueden definir de manera más exacta como aquellas en las que la energía térmica (cinética de las partículas) se transforma en energía química (potencial de las partículas). Y sólo si ocurren en un recipiente de paredes diatérmicas (sistema abierto) ocurrirá una transferencia de calor desde el entorno (“absorberán calor”).

Por lo tanto, en una reacción endotérmica habrá “absorción de calor” sólo si ocurre en un sistema abierto. Y dicha “absorción de calor” es consecuencia de la disminución de la temperatura del sistema.

En conclusión las reacciones exotérmicas son aquellas en las que aumenta la temperatura (y la energía térmica) al formarse los productos y “liberan calor” al entorno sólo si ocurren en un sistema abierto. Las reacciones endotérmicas son aquellas en las que disminuye la temperatura (y la energía térmica) al formarse los productos y “absorben calor” del entorno sólo si ocurren en un sistema abierto. Las reacciones exotérmicas y endotérmicas no “liberan” ni “absorben” calor cuando ocurren en un sistema aislado.