3 · Physical chemistry

Tres preguntas determinan si una reacción es útil: si calienta o enfría, qué tan rápida es y si termina. La química física responde a ellas — calorimetría y Q = mcΔT, teoría de colisiones con sus cuatro palancas, y el equilibrio dinámico que alcanza una reacción reversible en un recipiente cerrado.

Edexcel International GCSE Química 4CH1, Sección 3 (enunciados 3.1–3.22C) es breve pero con muchos cálculos. Los enunciados con sufijo C son exclusivos de Química.

Las reacciones exotérmicas liberan calor (combustión, neutralización, la mayoría de desplazamientos) — la mezcla se calienta, ΔH es negativo. Las reacciones endotérmicas absorben calor (descomposición térmica, algunas disoluciones) — la mezcla se enfría. Calorimetría simple: mide el cambio de temperatura de una masa conocida (vaso de poliestireno para soluciones; quemador de alcohol bajo un vaso de agua para combustión).

Ejercicio resuelto. 50 g de agua aumenta su temperatura en 24 °C en un ensayo con quemador de alcohol: $Q = 50 \times 4.2 \times 24 = 5040$ J. Si se quemaron 0.010 mol de combustible: $\Delta H = -5040/0.010 = -504\,000\ \mathrm{J\,mol^{-1}} = -504\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}$.

(C) Romper enlaces es endotérmico; formar enlaces es exotérmico. ΔH = enlaces rotos − enlaces formados. Ejercicio resuelto. H₂ + Cl₂ → 2HCl: rotos 436 + 242 = 678; formados 2 × 431 = 862; ΔH = 678 − 862 = −184 kJ/mol (exotérmico).

Los experimentos siguen una reacción visible: volumen de gas (mármol + ácido), pérdida de masa en balanza o desaparición de cruz (tiosulfato sódico + ácido). Cuatro factores: superficie de un sólido, concentración (o presión del gas), temperatura y un catalizador.

La teoría de colisiones explica todas ellas: las reacciones necesitan colisiones con al menos la energía de activación. El polvo ofrece mayor superficie expuesta → más colisiones por segundo; mayor concentración o presión agrupa partículas más cerca → colisiones más frecuentes; mayor temperatura acelera las partículas → colisiones tanto más frecuentes como más energéticas —de estas tres variables, la única que aumenta la fracción de colisiones con al menos la energía de activación es la temperatura—. Un catalizador proporciona una vía alternativa con menor energía de activación → más colisiones tienen éxito —y permanece químicamente inalterado al final; no cambia la cantidad de producto, solo la velocidad con la que aparece—.

Una reacción reversible (⇌) transcurre en ambos sentidos: sulfato de cobre(II) hidratado ⇌ sal anhidra + agua (el calor la impulsa hacia adelante, el agua la revierte); cloruro de amonio ⇌ amoníaco + cloruro de hidrógeno al calentar. (C) En un recipiente cerrado alcanza equilibrio dinámico: las velocidades directa e inversa son iguales y todas las concentraciones permanecen constantes — ambas reacciones continúan ocurriendo.

(C) Aumentar la temperatura → el equilibrio se desplaza en dirección endotérmica; aumentar la presión → se desplaza hacia el lado con menor número de moles de gas; un catalizador acelera ambas direcciones por igual y deja la posición sin cambios.

1. Clasifica como exotérmica o endotérmica: combustión, descomposición térmica, neutralización.
2. 100 g de agua se enfría en 8.0 °C en un experimento de disolución. Calcula Q.
3. (C) Indica el signo de ΔH para romper y formar enlaces.
4. Usa energías de enlace para hallar ΔH de 2H₂ + O₂ → 2H₂O (H–H 436, O=O 498, O–H 463 kJ/mol).
5. ¿Por qué el mármol en polvo reacciona más rápido con ácido que un trozo grande?
6. De entre la superficie, la concentración y la temperatura, ¿cuál aumenta la fracción de colisiones exitosas y por qué?
7. Define un catalizador.
8. (C) Enuncie las dos características del equilibrio dinámico.
9. (C) N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃: ¿qué provoca el aumento de presión y por qué?
10. (C) ¿Por qué un catalizador no altera la posición del equilibrio?

Respuestas: 1 exotérmica (combustión), endotérmica (descomposición térmica), exotérmica (neutralización); 2 $Q = 100 \times 4.2 \times 8.0 = 3360$ J absorbidos — el agua se enfría, por lo que la disolución es endotérmica; 3 (C) ruptura positiva (endotérmica), formación negativa (exotérmica); 4 rotura: 2(436) + 498 = 1370; formación: 4(463) = 1852; ΔH = 1370 − 1852 = −482 kJ/mol (por cada 2 mol H₂O); 5 el polvo expone mucha más superficie, permitiendo más colisiones con ácido por segundo; 6 temperatura — partículas más rápidas chocan con mayor frecuencia Y más colisiones superan la energía de activación; 7 sustancia que aumenta la velocidad pero permanece químicamente inalterada al final; 8 (C) tasas directa e inversa iguales; concentraciones de todas las sustancias constantes; 9 (C) se desplaza a la derecha — 4 moles de gas a la izquierda, 2 a la derecha, por lo que mayor presión favorece el lado con menos moles.

Respuestas continuadas: 10 (C) reduce la energía de activación directa e inversa por igual, acelerando ambas sin alterar su equilibrio.