Termodinámica y cinética
Dos preguntas distintas que se confunden mucho: la termodinámica dice si una reacción puede ocurrir; la cinética, a qué velocidad lo hace. El diamante es termodinámicamente inestable y sigue ahí desde hace millones de años: espontáneo no significa rápido.
Entalpía y ley de Hess
Aparece en las preguntas 2 y 5La idea. La entalpía es una función de estado: su variación solo depende del punto de partida y del de llegada, no del camino. Ésa es toda la ley de Hess, y la razón de que se puedan sumar y restar ecuaciones termoquímicas como si fueran ecuaciones algebraicas.
Exotérmica o endotérmica: el signo de $\Delta H$
A presión constante, el calor que intercambia una reacción es su variación de entalpía, $Q_P = \Delta H$. El signo se mira siempre desde el sistema:
| Signo | Reacción | El calor… | En el diagrama entálpico |
|---|---|---|---|
| $\Delta H < 0$ | Exotérmica | lo cede el sistema al entorno | Productos por debajo de los reactivos |
| $\Delta H > 0$ | Endotérmica | lo absorbe el sistema del entorno | Productos por encima de los reactivos |
El $\Delta H$ de una ecuación termoquímica corresponde a los moles escritos: si se multiplica la ecuación por 2, $\Delta H$ se duplica; si se invierte, cambia de signo. Para otra cantidad se escala con $Q = n\,\Delta H$, donde $\Delta H$ va por mol de la sustancia de la que conoces $n$.
Los dos esquemas de tabla, y por qué se parecen tan poco
| Si te dan… | La fórmula es… | Truco para recordarlo |
|---|---|---|
| Entalpías de formación $\Delta H_f^0$ | $\Delta H = \sum n\Delta H_f(\text{productos}) - \sum n\Delta H_f(\text{reactivos})$ | Productos menos reactivos (lo intuitivo) |
| Entalpías de combustión $\Delta H_c$ | $\Delta H = \sum n\Delta H_c(\text{reactivos}) - \sum n\Delta H_c(\text{productos})$ | Al revés: reactivos menos productos |
Con entalpías de formación, los elementos en su forma más estable valen cero ($\text{O}_2$, $\text{N}_2$, C grafito…). Con entropías absolutas $S^0$, no: el $\text{O}_2$ tiene $S^0 = 205\ \text{J}\,\text{mol}^{-1}\text{K}^{-1}$.
Condiciones estándar y estados de agregación
El superíndice de $\Delta H^0$ indica que reactivos y productos están en su estado estándar: cada sustancia pura, en el estado de agregación que indique la ecuación, a $1\ \text{bar}$ (muchos libros y enunciados dicen $1\ \text{atm}$; la diferencia es despreciable) y los solutos a $1\ \text{mol}\,\text{L}^{-1}$. La definición no fija la temperatura, pero las tablas se dan a $25\ ^\circ$C ($298\ \text{K}$), que es la que se sobrentiende si el enunciado no dice otra. Lo de «la forma más estable» solo se exige a los elementos de referencia, los que tienen $\Delta H_f^0 = 0$.
Como la entalpía depende del estado físico, en una ecuación termoquímica hay que escribirlo siempre: (s), (l), (g), (aq). El agua es el caso que más cae:
Un tercer esquema: energías de enlace
La energía de enlace es la que hay que aportar para romper un mol de enlaces de un tipo, con las sustancias en estado gaseoso; siempre es positiva. Una reacción rompe los enlaces de los reactivos (eso cuesta energía) y forma los de los productos (eso la libera):
En la síntesis del amoniaco, $\text{N}_2 + 3\,\text{H}_2 \rightarrow 2\,\text{NH}_3$, con $E(\text{N}\equiv\text{N}) = 946$, $E(\text{H{-}H}) = 436$ y $E(\text{N{-}H}) = 391\ \text{kJ}\,\text{mol}^{-1}$:
Calor a presión constante y a volumen constante
De ahí sale una pregunta clásica: ¿cuándo coinciden los dos calores? Cuando $\Delta n_{\text{gas}} = 0$, porque entonces el sistema no realiza trabajo de expansión.
La glucosa y el etanol tienen entalpías de combustión de $-2816{,}8$ y $-1366{,}9\ \text{kJ}\,\text{mol}^{-1}$. Calcule el calor desprendido al producir un mol de etanol por fermentación: $\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 \rightarrow 2\,\text{C}_2\text{H}_6\text{O} + 2\,\text{CO}_2$.
Ver la solución paso a paso
Ley de Hess con entalpías de combustión
El $\text{CO}_2$ ya está oxidado: su entalpía de combustión es cero.
Y ahora la trampa
Esos $-83{,}0\ \text{kJ}$ son por mol de glucosa. Como cada glucosa da dos etanoles, el calor por mol de etanol es la mitad:
Míralo
Entropía y espontaneidad
La cuestión 2A más repetidaLa idea. Una reacción es espontánea cuando $\Delta G < 0$. Y $\Delta G$ es un pulso entre dos fuerzas: la entalpía, que empuja hacia los estados de menor energía, y la entropía, que empuja hacia los de mayor desorden. La temperatura decide quién gana.
Los cuatro casos: memorízalos como una tabla
| $\Delta H$ | $\Delta S$ | ¿Espontánea? | Ejemplo |
|---|---|---|---|
| $<0$ | $>0$ | Siempre | Combustiones con más moles de gas |
| $<0$ | $<0$ | Solo a $T$ bajas | $\text{PCl}_3 + \text{Cl}_2 \rightarrow \text{PCl}_5$; síntesis del amoniaco |
| $>0$ | $>0$ | Solo a $T$ altas | $\text{CaCO}_3 \rightarrow \text{CaO} + \text{CO}_2$ |
| $>0$ | $<0$ | Nunca | Descomposiciones endotérmicas que ordenan |
En los dos casos intermedios existe una temperatura de equilibrio, la que anula $\Delta G$:
El signo de $\Delta S$ sin hacer cuentas
Casi siempre basta con contar moles de gas: si aumentan, $\Delta S > 0$. Si no hay gases o no cambian, mira los cambios de estado, porque
Una reacción es exotérmica y espontánea a cualquier temperatura. ¿Qué se puede afirmar de $\Delta S$?
Errores frecuentes
- Mezclar kJ y J: sale una temperatura mil veces mayor o menor.
- Concluir "es exotérmica, luego es espontánea" sin mirar $\Delta S$.
- Tomar $S^0 = 0$ para los elementos: eso solo vale para $\Delta H_f^0$.
- Contar sólidos y líquidos en $\Delta n_{\text{gas}}$.
- Aplicar el criterio de espontaneidad a la entropía del sistema.
Cinética química
Cuestión 2B recurrenteLa idea. La velocidad de una reacción depende de las concentraciones a través de una ecuación de velocidad experimental, cuyos exponentes (los órdenes) no tienen por qué coincidir con los coeficientes estequiométricos.
Velocidad única, velocidades por especie
Para $a\text{A} + b\text{B} \rightarrow c\text{C}$, la velocidad de reacción es una sola y se obtiene dividiendo cada variación por su coeficiente:
Las unidades de $k$ delatan el orden
| Orden total | Unidades de $k$ |
|---|---|
| 0 | $\text{mol}\,\text{L}^{-1}\text{s}^{-1}$ |
| 1 | $\text{s}^{-1}$ |
| 2 | $\text{mol}^{-1}\text{L}\,\text{s}^{-1}$ |
| 3 | $\text{mol}^{-2}\text{L}^{2}\text{s}^{-1}$ |
| $n$ | $\text{mol}^{1-n}\,\text{L}^{n-1}\,\text{s}^{-1}$ |
Mecanismo de reacción y etapa determinante
Casi ninguna reacción ocurre tal como se escribe: transcurre en varias etapas elementales —choques reales entre partículas— cuyo conjunto es el mecanismo. En cada etapa elemental se define la molecularidad, el número de partículas que chocan en ella (uni-, bi- o, rara vez, termolecular). Es siempre un entero pequeño y, solo en una etapa elemental, coincide con el orden.
Las especies que se forman en una etapa y se gastan en otra son intermedios de reacción: no aparecen en la ecuación global. La etapa más lenta es la determinante: fija la velocidad de todo el proceso. Si es la primera etapa, su ecuación de velocidad es la de la reacción global; si en ella aparece un intermedio, se despeja del equilibrio rápido previo y la ley queda en función de las especies estables (normalmente, los reactivos).
$k$ no cambia; $v$ sí
Es la confusión número uno del tema. La constante $k$ solo depende de la temperatura y del catalizador (ecuación de Arrhenius). La velocidad, en cambio, cae a lo largo de la reacción porque las concentraciones disminuyen. De ahí que los órdenes se determinen midiendo velocidades iniciales.
Durante el transcurso de una reacción, ¿permanece constante la velocidad?
Por qué reaccionan las moléculas: choques y complejo activado
Según la teoría de colisiones, para que haya reacción las partículas tienen que chocar, y no vale cualquier choque: solo son eficaces los que llevan energía suficiente y la orientación adecuada. La teoría del estado de transición completa el cuadro: en un choque eficaz se forma el complejo activado, una especie inestable y de energía máxima, con los enlaces viejos a medio romper y los nuevos a medio formar, que se descompone en productos o vuelve a los reactivos.
La energía de activación $E_a$ —la de la ecuación de Arrhenius— es la barrera que hay que superar: la diferencia de energía entre el complejo activado y los reactivos. Por eso es siempre positiva, también en las reacciones exotérmicas.
Factores que afectan a la velocidad
Todos se explican con la teoría de colisiones: o aumentan el número de choques, o aumentan la fracción de choques eficaces.
| Factor | Efecto sobre $v$ | Por qué |
|---|---|---|
| Concentración de los reactivos (o presión, si son gases) | Aumenta, salvo si el orden respecto de ese reactivo es cero | Más choques por unidad de tiempo. $k$ no cambia: el efecto entra por $[\text{A}]^a$. |
| Temperatura | Aumenta, y mucho | Más partículas con energía $\geq E_a$ (y más choques). Aumenta $k$, según Arrhenius. |
| Grado de división del sólido (superficie de contacto) | Aumenta cuanto más dividido esté | En las reacciones heterogéneas solo chocan las partículas de la superficie: el polvo reacciona antes que el trozo. |
| Naturaleza de los reactivos | Depende de la reacción | Cuantos más enlaces, y más fuertes, haya que romper, más lenta. Las reacciones entre iones en disolución son casi instantáneas. |
| Catalizador | Aumenta | Abre un mecanismo alternativo de menor $E_a$ y aumenta $k$ de la directa y de la inversa. Se recupera intacto y no cambia $\Delta H$ ni la constante de equilibrio. |
Errores frecuentes
- Escribir la ecuación de velocidad copiando los coeficientes estequiométricos.
- Confundir la constante $k$ con la velocidad $v$.
- Dar $k$ sin unidades (la ponencia descuenta un 25 % del apartado).
- Decir que un catalizador "desplaza el equilibrio" o "aumenta el rendimiento".
- Igualar la velocidad de desaparición de un reactivo con la de aparición de un producto sin mirar los coeficientes.
Lo que hay que llevarse
- Con $\Delta H_f$: productos menos reactivos. Con $\Delta H_c$: reactivos menos productos.
- $Q_P = Q_V$ cuando $\Delta n_{\text{gas}} = 0$, porque no hay trabajo de expansión.
- $\Delta G = \Delta H - T\Delta S$, y los cuatro casos de signos con su $T_{\text{eq}} = \Delta H/\Delta S$.
- El signo de $\Delta S$ se estima contando moles de gas.
- Los órdenes son experimentales, no los coeficientes.
- $k$ solo cambia con la temperatura y el catalizador; $v$ cambia siempre.
- Un catalizador baja $E_a$: acelera las dos reacciones y no toca el equilibrio.
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Problemas de Selectividad
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Entropía y espontaneidad (6)
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Cinética química (18)
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