Complejos Activados: Definición, gráfico y ejemplos

Publicado el 24 abril, 2024 por Rodrigo Ricardo

Química

¿Qué son el complejo activado y la energía de activación?

Las reacciones químicas tienen lugar a diario, ya sea en el laboratorio científico o en la vida cotidiana. Cuando tienen lugar reacciones químicas, los reactivos cambian sus enlaces químicos para formar nuevos productos. Por ejemplo, la digestión de los alimentos ingeridos durante una comida sufre diversas reacciones químicas para formar carbohidratos, proteínas y grasas que se utilizan para obtener energía y los componentes básicos de los tejidos del cuerpo.

Cuando los compuestos experimentan una reacción, el sistema se compone de dos componentes principales: los reactivos y los productos. Durante una reacción química, los reactivos rompen sus enlaces químicos, mientras que los productos se crean cuando se forman nuevos enlaces.

Hay dos tipos básicos de reacciones: reacciones endotérmicas y exotérmicas. Las reacciones endotérmicas absorben energía del medio ambiente, mientras que las reacciones exotérmicas liberan energía al entorno. Si bien algunas reacciones endotérmicas y exotérmicas pueden ocurrir espontáneamente, muchas reacciones requieren un aporte de energía para comenzar. Esto se conoce como energía de activación.

La energía de activación se refiere a la cantidad mínima de energía necesaria para que comience una reacción química. Cuando se agrega energía a un sistema, se produce un rápido aumento de energía, lo que lleva a la formación del complejo activado.

Comprender el complejo activado

Cuando los productos químicos sufren una reacción, los productos finales no se forman inmediatamente. En cambio, un estado de transición da como resultado la formación del complejo activado. ¿Qué es un complejo activado? El complejo activado representa la etapa de una reacción química en la que los enlaces de los reactivos se rompen y los enlaces de los productos se forman simultáneamente.

Una reacción común que se puede observar es la formación de óxido. El óxido da como resultado la formación de óxido de hierro, un compuesto que se forma cuando se transfieren electrones entre moléculas de hierro y oxígeno. Aunque el complejo activado no se puede observar visualmente durante la formación de óxido, el estado de transición se puede visualizar como la etapa de la reacción en la que se comparten electrones entre las moléculas de hierro y oxígeno.

Aunque el complejo activado, o compuesto intermedio, no se puede ver durante una reacción química, es un concepto importante de entender en términos de la energía general de una reacción.

Otro nombre para el complejo activado

Otro nombre para el complejo activado es el estado de transición cuando los enlaces de los reactivos se rompen y al mismo tiempo se forman los enlaces de los productos.

El complejo activado y la energía de activación se pueden visualizar utilizando el gráfico del complejo activado. El diagrama muestra el proceso de reacción en términos de energía y la transición de los reactivos a los productos.

Gráfico complejo activado

La energía de una reacción química a menudo se muestra visualmente en un gráfico complejo activado. El gráfico complejo activado se muestra en los ejes x e y estándar, con la energía potencial de la reacción mostrada en el eje y y la coordenada de reacción mostrada en el eje x.

En la Figura 1, que muestra un ejemplo de un gráfico complejo activado, los reactivos están ubicados a la izquierda del diagrama. La energía de los reactivos se encuentra en un nivel intermedio. Sin embargo, con la adición de la energía de activación, se produce un rápido aumento en la curva de energía, lo que lleva a la formación del complejo activado. El complejo activado es fácil de encontrar en un gráfico de complejo activado porque normalmente se encuentra en el pico de la curva de energía.

El complejo activado, o estado de transición, requiere una cantidad significativa de energía para formarse, por lo que consume gran parte de la energía de activación. Como se ve en el gráfico del complejo activado, el uso de esta energía en la formación del complejo activado y los productos finales posteriores gasta la mayor parte de esta energía. Como resultado, los productos finales se encuentran en un estado energético más bajo en comparación con los reactivos de partida y el complejo activado.

Un gráfico complejo activado que muestra los reactivos y los productos finales.

Complejo activado y energía de activación en reacciones químicas.

Las reacciones endotérmicas y exotérmicas pueden ocurrir espontáneamente dependiendo de la entropía y la entalpía asociadas con la reacción. La entropía es una medida de la cantidad de desorden presente en un sistema. La entalpía, por el contrario, se refiere a la cantidad de calor que se encuentra en un sistema. Para comprender mejor los efectos de la entropía y la entalpía sobre la espontaneidad de una reacción, los químicos han desarrollado el concepto de cambio de energía libre.

La energía libre se refiere a la cantidad neta de energía presente en una reacción. En general:

En reacciones exotérmicas caracterizadas por entalpía negativa y entropía positiva, la energía libre neta será negativa, lo que dará como resultado una reacción espontánea.
En reacciones endotérmicas caracterizadas por entalpía positiva y entropía negativa, la energía libre neta será positiva y la reacción no será espontánea.

Cuando una reacción no ocurre espontáneamente, se requiere una entrada de energía de activación para que comience la reacción. Esto inicia la ruptura de enlaces en los reactivos y empuja la reacción hacia el estado de transición con un rápido aumento de energía. Esta energía es necesaria porque el complejo activado requiere una cantidad significativa de energía para formarse.

Una vez que se ha formado el complejo activado, la reacción se encuentra en un estado de transición donde los enlaces de los reactivos se rompen y los enlaces de los productos de formación. El complejo activado representa un estado de transición porque la actividad de los átomos da como resultado colisiones aleatorias entre moléculas en las que el producto final puede formarse o no. Debido a la alta energía presente en esta etapa, el complejo activado solo está presente durante un milisegundo antes de que la reacción se complete.

A medida que la reacción avanza hacia la creación de los productos finales, la energía cae rápidamente y los enlaces de los productos comienzan a estabilizarse. Cuando la reacción ha finalizado, se produce una importante pérdida de energía con la formación de los productos. Como resultado, los productos se encuentran en un estado energético más bajo en comparación con los reactivos.

Esto se puede visualizar como: {eq}A + B ⇄ A – – – B ⇄ AB. {/eq}

Ejemplos de complejo activado

En la reacción que se muestra en la Figura 2, el bromuro de nitrosilo (BrNO) se escinde para formar dos productos finales: óxido nítrico y dibromuro: {eq}2BrNO → 2NO + Br_2 {/eq}. Para iniciar esta reacción, se añade energía de activación, normalmente en forma de calor. A medida que aumenta la energía de la reacción, el complejo activado se forma durante el estado de transición, cuando los enlaces de los reactivos ({eq}BrNO {/eq}) y los productos ({eq}Br_2 {/eq} y {eq}NO {/eq} eq}) se rompen y forman simultáneamente.

El gráfico complejo activado muestra este estado de transición como el punto de mayor energía en la reacción. A medida que se forman más y más productos, la reacción avanza rápidamente hacia su finalización y la energía cae rápidamente. Los productos finales ({eq}Br_2 {/eq} y {eq}NO {/eq}) tienen un estado energético más bajo que los reactivos ({eq}BrNO {/eq}).

Figura 2. El gráfico del complejo activado muestra la fórmula de la energía de activación 2BrNO = Br2 + 2NO.

Complejo Activado y Enzimas

En algunos casos, las reacciones necesitan ayuda adicional para que se formen los productos. Esto es especialmente cierto para una variedad de reacciones biológicas, donde se necesita la formación de múltiples productos para mantener las funciones vitales básicas. En los sistemas biológicos, las enzimas pueden ayudar a optimizar la formación de los productos finales.

Las enzimas son proteínas especiales que ayudan a reducir la energía de activación de una reacción. La energía de activación disminuye porque las enzimas son capaces de unirse a su sustrato o al reactivo. Cuando se forma el complejo enzima-sustrato, el complejo activado puede formarse en condiciones más estables, aumentando así la eficiencia con la que se forman los productos finales.

En el sistema digestivo humano, por ejemplo, la enzima digestiva pepsina ayuda a descomponer las proteínas derivadas de fuentes alimentarias en sus aminoácidos constituyentes. En ausencia de pepsina, el sistema digestivo sería menos eficiente en la descomposición de proteínas, lo que provocaría una reducción significativa en la disponibilidad de proteínas en el organismo. Sin embargo, con la presencia de enzimas como la pepsina, las moléculas de los alimentos pueden estabilizarse, permitiendo que el complejo activado y el producto final (aminoácidos) se formen de manera más eficiente.

Resumen de la lección

Algunas reacciones químicas pueden ocurrir espontáneamente cuando las condiciones energéticas son apropiadas. Sin embargo, a menudo es necesario el uso de energía de activación para iniciar una reacción. Cuando se utiliza energía de activación, los enlaces de los reactivos comienzan a romperse, lo que lleva a la formación del complejo activado. El complejo activado representa un estado de transición en el que los enlaces de los reactivos y los productos se rompen y se forman simultáneamente. El complejo activado generalmente se asocia con el estado de energía más alto en el gráfico del complejo activado, que muestra el cambio de energía asociado con una reacción.

Algunas reacciones exotérmicas no ocurren espontáneamente debido a la cantidad de energía necesaria para que se forme el complejo activado. En otros casos, el uso de una enzima puede ayudar a reducir la cantidad de energía de activación necesaria para que comience una reacción. Las enzimas se refieren a proteínas especiales que ayudan a aumentar la eficiencia con la que se desarrolla una reacción. Las enzimas afectan el complejo activado estabilizando las moléculas y reduciendo la energía necesaria para formar los productos finales.

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