Energía de enlace: definición, ecuación y cálculos
Energías de enlace
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Para que los átomos formen productos o enlaces entre otros átomos, los reactivos deben estar lo suficientemente cerca unos de otros para reaccionar. Sacudir, agitar y calentar se encuentran entre una serie de manipulaciones físicas que se pueden realizar para lograr interacciones atómicas.
Dependiendo del tipo de enlace que esté buscando, existen diferentes grados de interacción que los átomos deben lograr. Las interacciones sin enlace, o interacciones de van der Waal , simplemente requieren que los átomos se toquen o reboten entre sí. Esto generalmente requiere una energía de enlace muy baja que se gana o pierde fácilmente a medida que los átomos de los reactivos continúan rebotando entre sí y en su contenedor.
El enlace de hidrógeno se forma por este ‘rebote’, pero da como resultado una mayor energía de enlace en los productos debido a la atracción eléctrica entre los átomos de hidrógeno cargados positivamente y los átomos de oxígeno cargados negativamente. El enlace de hidrógeno es el tipo más común de enlace químico porque la mayoría de las reacciones ocurren en el agua, donde el enlace de hidrógeno es muy abundante.
Los enlaces covalentes requieren la mayor energía de enlace, ya que estos enlaces forman moléculas, compuestos y complejos altamente estables. Los enlaces covalentes pueden existir en formaciones de enlaces simples, dobles o triples, cada una de las cuales agrega un grado de energía de enlace mayor que la siguiente.
La energía de enlace, ya sea de van der Waal, hidrógeno o enlace covalente, es acumulativa en sus efectos. Esto significa que cuanto mayor sea el número de enlaces, mayor será la energía del enlace. Y así como la formación de enlaces ‘se suma’ a la energía total del enlace, la liberación o ruptura de enlaces reduce proporcionalmente la energía de enlace de la formación del enlace colectivo.
Termodinámica de enlaces químicos
¿De dónde provienen estas energías de unión? ¡Calor! Bueno, más específicamente, el calor de formación o deformación (delta = cambio) de una reacción denominada entalpía(delta H). Por lo general, las reacciones químicas ocurren en un recipiente en el que la presión se mantiene constante; ¡no queremos explosiones o implosiones! Si la presión es constante, entonces el calor producido o absorbido en una reacción química es el resultado de enlaces entre átomos. Cuando estos enlaces se forman en el producto, la entalpía se considera negativa porque los enlaces se forman por la absorción o el movimiento de energía del medio ambiente a la reacción. Cuando la energía se mueve del medio ambiente, el ambiente se enfría. Esto será evidente en la entalpía positiva o en una reacción endotérmica. Por otro lado, cuando los reactivos rompen enlaces, el resultado neto es una entalpía negativa o una reacción exotérmica, es decir, ¡explosión!
La siguiente ecuación define la entalpía donde sus energías negativas y positivas acumulativas entre la descomposición de los reactivos y la formación de productos determinan la energía total de la reacción.
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Donde delta E es la energía interna del sistema, P es la presión constante del sistema y V es el cambio de volumen del sistema, que se producirá cuando se absorba o se libere energía.
Energías de enlace de reacciones químicas: brutas y netas
Las energías de enlace se determinan simplemente midiendo la energía, o el calor, liberado cuando se rompe ese enlace. Los valores de energía de enlace para moléculas complejas son el promedio de energía de enlace de cada enlace individual entre dos átomos. Por ejemplo, las moléculas diatómicas C – C, Cl – Cl y N – O tienen cada una las energías de enlace 348, 242 y 201 kJ, respectivamente. La energía para formar estos enlaces y romper estos enlaces es equivalente a sus energías de enlace. Romperlos todos simultáneamente requeriría 791 kJ, o la suma de las energías de enlace independientes. En una reacción química, la cantidad de energía absorbida y liberada es un reflejo de las energías de enlace involucradas en la formación del producto o productos de la reacción.
Observe la siguiente reacción de combustión:
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Cuando esta reacción de combustión se mide en un calorímetro por la energía liberada, se alcanza un valor de -1428 kJ. Esto es típico de las reacciones de combustión porque son exotérmicas, liberando calor y energía cinética de movimiento al medio ambiente. La sustancia química muy inestable llamada nitroglicerina se encuentra en un equilibrio exotérmico o explosivo tan perfecto que simplemente sacudir el líquido pálido viscoso hará que explote, liberando la energía total de su colección de enlaces N, C, H y O.
La fuerza del enlace químico también es función de la longitud del enlace entre dos átomos. Esta es la razón por la que los enlaces dobles y triples son más altos en energías de enlace, o delta-H. Estos enlaces acercan a los átomos, haciendo que la longitud del enlace sea más corta y la energía necesaria para formarlos y romperlos sea mayor. La siguiente tabla muestra las energías de enlace correspondientes y la longitud de algunos enlaces químicos.
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Cálculo de energías de enlace
A partir de una tabla como la anterior, podemos calcular la energía de enlace esperada de una reacción química. Estos valores se determinaron a partir de la medición real de la energía de rotura y formación de enlaces colectivos. Aunque las energías de enlace individuales promedian cuando están juntas en una molécula compleja, la suma de sus energías individuales se acerca mucho a la determinación empírica o experimental. Las energías de enlace individuales de la reacción de combustión anterior son:
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Entonces, la energía de enlace determinada experimentalmente (-1428 kJ) está muy cerca de la energía de enlace calculada necesaria para formar el producto (-1416 kJ).
Resumen de la lección
La energía de enlace de formación y deformación es una función de las energías de enlace colectivas de tres tipos de enlaces químicos: covalente, hidrógeno y van der Waals. Cada uno contribuye al calor liberado o absorbido en una reacción química, que se mide como un cambio en la energía del sistema y el medio ambiente, o entalpía (H) a presión constante. La entalpía es un reflejo de las energías de enlace y la longitud de enlace de los reactivos y productos.
Cada enlace difiere en energía debido a los átomos y la longitud y número de esos enlaces entre los átomos. Los enlaces que se forman entre los átomos requieren energía del medio ambiente y, por lo tanto, tienen un signo positivo o son reacciones endotérmicas. Los enlaces que liberan energía al ambiente al formarse tienen signos negativos o son reacciones exotérmicas. La energía colectiva de una reacción química se puede calcular sumando energías de enlace endotérmicas y restando energías de enlace exotérmicas. Esto dará el requerimiento de energía promedio general para una reacción química, que estará muy de acuerdo con la energía determinada empírica o experimentalmente de una reacción.
La entalpía es una de las principales medidas de energía necesaria para calcular la energía de enlace de la mayoría de las reacciones químicas.