Tomen un pedazo de papel y mírenlo con cuidado. Ahora contesten a esta pregunta: ¿se está quemando? La respuesta es obviamente no...pero en realidad un poco sí. Trataremos aquí de explicar las razones de esta respuesta y las consecuencias que tienen en la ciencia y también en la forma con la cual enfrentamos la decisiones que la vida nos pone adelante.
Para empezar, vamos a decir que, en el universo, todo tiende a irse hacia una situación de mayor estabilidad, es decir, de menor energía. En términos muy sencillos, esto significa que las transformaciones ocurren porque permiten al sistema que se está trasformando llegar a una situación el la cual "estará mejor". Por lo tanto - ejemplo sencillo - un objeto encima de una mesa tenderá a caer al suelo (donde tendrá menos energía potencial gravitacional). Cuanto más un sistema es estable, menos energía tiene y más difícilmente se trasformará. Habría que hacer también un discurso sobre la entropía, es decir, la tendencia del Universo a ir hacia el desorden, pero en este contexto no nos interesa.
En la química, las transformaciones se dicen más rigurosamente reacciones químicas, es decir, procesos que transforman las sustancias en otras. Por ejemplo, en la combustión de metano (véase la figura) una molécula de metano (CH4) y dos de oxígeno (una molécula es un agregado de átomos) reaccionan entre sí y se transforman en una molécula de dióxido de carbono (CO2) y dos de agua. O sea los enlaces químicos que mantienen unidos los átomos en el metano y en la molécula de oxígeno se rompen, los átomos se "mezclan" y forman nuevos enlaces que dan lugar a los productos de la reacción .
En línea con lo que hemos dicho, el estado final (CO2 + agua) es más estable. En particular, esto significa que los enlaces químicos de los productos son más fuertes o sea será más difícil romperlos y transformar CO2 y agua .
Esta variación de la energía puede ser representada (véase figura anterior ) como un descenso desde los reactivos hacia los productos. Pero todos sabemos que "nada se crea y nada se destruye" y la energía no puede desaparecer. Así que ¿dónde está la energía "perdida" al pasar de los reactivos a los productos? La respuesta es que se ha convertido principalmente en calor, en luz y - si la reacción es violenta - incluso en ruido. La combustión del metano es de hecho la reacción que nos permite calentar el agua en nuestros hogares o cocinar (no es este el caso si tenemos aparatos eléctricos). Quemando el metano, es decir, haciéndolo reaccionar con el oxígeno contenido en el aire, obtenemos agua (o mejor vapor de agua), dióxido de carbono y...calor .
Entonces, ¿se puede afirmar que el progreso de una reacción química es como andar en bicicleta cuesta abajo? No exactamente. Hay algo más que añadir. Afortunadamente, de hecho, si mezclamos el metano y el oxígeno, ellos no reaccionan a temperatura ambiente, es decir el metano no se quema o - peor - no explota. Por ejemplo, cuando abrimos el fogón de la cocina se necesita una chispa o un fosforo. Por otra parte también lo decía Bruce Springsteen : "You can’t start a fire without a spark" (en la canción " Dancing in the Dark"). ¿Y quiénes somos nosotros para desmentir a the Boss?
¿Qué significa esto? Significa que el diagrama de arriba no es exhaustivo, tenemos que considerar el que sigue (véase figura). Es decir, incluso si la transformación tiende a disminuir la energía del sistema o sea hace que se “sienta mejor”, primero toca darle “un empujón” o sea un poco de energía (en la figura, es el trabajo físico de la persona que empuja la roca) para que sobrepase una barrera. Así que el ciclista, antes de disfrutar de la bajada, debe andar un poco cuesta arriba. Esta energía se llama "energía de activación" y es, de hecho, proporcionada por el fosforo o la chispa.
De hecho, cuando abrimos el fogón, las moléculas (gaseosas) de metano comienzan a mezclarse con las de oxígeno y - ya que todas las moléculas se mueven – ellas constantemente chocan entre sí. Sin embargo, si no interviene nada, las colisiones entre las moléculas de metano y las de oxígeno no son lo suficientemente fuertes como para romper los enlaces que unen a los átomos y permitir su reorganización que lleva a los productos: "el gas no se enciende." Es como si los átomos dijeran: sí, sabemos que si nos separáramos y nos reuniéramos diferentemente estaríamos mejor, pero no tenemos la fuerza para dejarnos. Un poco de pereza...
La fuerza de las colisiones depende de la velocidad de las moléculas y esta velocidad está relacionada con la temperatura: cuanto mayor sea la temperatura, más rápido se mueven las moléculas, y por lo tanto, más violentos serán los choques entre ellas y más alta la probabilidad de que se rompan. A temperatura ambiente, la velocidad de las moléculas de metano y oxígeno no es lo suficientemente alta para que los choques produzcan una reacción. Entonces para eso sirve la chispa: para “empujar” es decir para calentar o sea acelerar algunas moléculas (las cercanas a ella) de manera que sus impactos generen la reacción. La chispa suministra la energía de activación, o sea - en la figura anterior - arrastra la roca al otro lado de la colina. Cuando esto pase, ya que hemos dicho que la reacción de metano y oxígeno genera calor, aun las moléculas más lejanas de la chispa se calentaran y aumentarán su velocidad y la reacción (el fuego) continuará aún cuando la chispa se haya desaparecido. Es decir, el calor producido por la reacción proporciona la energía de activación para que continúe sola. Es por esta razón que - trivialmente - cuando ponemos un trozo de madera en la chimenea, lo colocamos justo cerca de una llama.
Cuántas moléculas poseen una determinada energía cinética (interpretable como su velocidad ): al aumentar de la temperatura, la fracción de moléculas con energía mayor que la mínima necesaria para que ocurra la reacción aumenta.
La combustión del metano y, en general, este tipo de reacciones que liberan calor es como el pasar de una situación en la que estamos en la oficina, trabajando al frente del computador (reactivos), a la situación en la que estamos echados en el sofá leyendo un libro o viendo una película. Obviamente estamos mejor en el sofá y tendemos a ir allí, pero para llegar al sofá hay que "gastar energía", es decir, terminar el trabajo, levantarnos del escritorio, coger el carro, pasar por un trancón, aparcar el carro, etc. . etc. ..
Esta analogía puede llevarse a otros mecanismos que guían nuestra vida, pero antes volvamos a la hoja de papel y recordemos que existe una relación directa entre la temperatura y la velocidad de las moléculas. En esta discusión podemos asimilar el papel al metano. También el sistema papel + oxígeno tiende a reaccionar, es decir, a "ir hacia donde se sienta mejor", sin embargo, como en el caso del metano, se necesita un "empujón", o sea un poco de energía que haga iniciar el proceso, normalmente un fosforo, que suba la temperatura y la velocidad de las moléculas. Sin embargo, a una temperatura dada, no todas las moléculas tienen la misma velocidad exacta (aquí sinónimo de energía cinética): hay siempre una pequeña fracción que tiene una energía que puede dar lugar a colisiones lo suficientemente fuertes para generar la reacción. Como se puede ver en la figura de arriba, a medida que sube la temperatura, más grande es esta fracción hasta que la gran mayoría de las moléculas tiene la energía necesaria para reaccionar. Sin embargo, incluso a temperatura ambiente, cuando el papel aparentemente no se quema, un muy pequeño número de moléculas en realidad reacciona, es decir, aun el papel delante de ustedes se está quemando, aunque sea a una velocidad imperceptible. Eso pasa porque una parte - aunque extremamente pequeña - de moléculas de papel y oxígeno tienen la energía necesaria para chocar y reaccionar con eficacia (habría que hacer un discurso sobre la vaporización de celulosa del papel, pero aquí no nos importa) .
Por lo tanto , en general, cuanto mayor sea la temperatura, más rápido una reacción química procede. Por cierto, es por esta razón que metemos los alimentos en la nevera, ya que las reacciones de descomposición proceden muy lentamente a baja temperatura. También podemos concluir que cuanto más baja sea la energía de activación, es decir, la barrera que hay que superar, más moléculas serán capaces de reaccionar, y por lo tanto mayor será la velocidad de la reacción .
Enfrentemos ahora un último caso: es posible que los reactivos puedan evolucionar en dos direcciones, o sea las moléculas pueden deshacerse y reorganizar sus átomos de dos maneras, dando lugar a diferentes productos, por ejemplo como en el caso de la figura abajo. ¿Y entonces por cual camino procede la reacción? Por el de derecha, con la barrera más baja, pero que lleva a los productos menos estables (productos cinéticos porque se forman más rápidamente, ya que la energía de activación es menor) o se preferirá la ruta con la barrera más alta (izquierda , pero que genera los productos más estables (llamados termodinámicos)? Depende de la cantidad de energía que esté disponible...Si la temperatura del sistema es lo suficientemente alta para que las moléculas puedan sobrepasar la barrera más alta, la reacción evolucionará hacia los productos termodinámicos. Si, en cambio, la temperatura es tal que las moléculas pueden superar solo la barrera más baja, los únicos productos posibles serán los cinéticos.
Volvamos al ejemplo de la oficina y del sofá. Imagínenos, además del sofá, considerar la situación: "nosotros tomando el sol en una playa del Caribe." A donde tenderemos a ir? ¿A nuestra casa en el sofá o al Caribe? Por supuesto , tendremos la tendencia a ir hacia la situación más estable, donde estamos mejor, es decir, el Caribe. Pero, para llegar ahí, nos hace falta mucha más "energía" que ir al sofá: más plata, más tiempo, más voluntad, etc.. Sin embargo, si tenemos esta "energía", entonces podremos superar la barrera más alta y por lo tanto terminaremos en el Caribe, donde estamos mejor, tal vez pasando antes por el sofá (es decir, superando la barrera inferior) a la espera de ir al aeropuerto. En cambio si tenemos solo la "energía" necesaria para superar la "barrera-sofá" y no la "barrera - Caribe", entonces lograremos llegar solo al sofá...
Este escenario cinético-termodinámico corresponde a varias situaciones de nuestras vidas. Nos encontramos frente a una elección, una bifurcación con dos caminos: uno en ligero descenso que nos lleva a una buena situación, tal vez conocida y otro mucho más empinado que nos requeriría mucho más esfuerzo, coraje y determinación, pero luego nos regalaría una mayor felicidad. A menudo, elegimos el camino "cinético", el que es inicialmente menos fatigoso, negándonos – por miedo o pereza - la posibilidad de una transformación que nos haga sentir mucho mejor. Así que la próxima vez , recordemos este diagrama y tratemos de ser más "termodinámicos"!
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Bravo!! A ver si venís más a menudo por aquí, se os echa de menos!!
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