home
sabelotodo
logo
entrar
comentario
colaborar


Energía y reacciones químicas biológicas

Las reacciones químicas están muy vinculadas a la energía y este artículo pretende tratar este tema.

¿Por qué se producen las reacciones?

Para la explicación que desarrollaremos asumimos que usted sabe lo que son moléculas, átomos y los enlaces entre ellos para mantener la integridad física de la sustancia, sin esas "herramientas" previas le resultará difícil entender a cabalidad lo que sigue a continuación.

Para iniciar utilicemos la reacción de combustión del metano (CH4) en una atmósfera de oxígeno (O2) de acuerdo a la reacción 1 para formar dióxido de carbono (CO2) y agua (H2O).

CH4  +  2O2  ------------>   CO2  +  2H2       (Reacción 1)

Molecularmente sería:



De acuerdo a esta reacción balanceada una molécula de metano reacciona con dos moléculas de oxígeno para formar una molécula de dióxido de carbono y dos moléculas de agua. Después de realizada la reacción los cuatro átomos de hidrógeno que estaban enlazados covalentemente con un átomo de carbono en la molécula de metano aparecen enlazados a sendos oxígenos en el agua formada, del mismo modo el átomo de carbono se ha unido a dos átomos de oxígeno en el dióxido de carbono. Para que este nuevo patrón de organización atómica se produzca, necesariamente se produjo primero la rotura de los enlaces C-H y O=O en los reaccionantes y luego la formación de enlaces nuevos en los productos, cosa que sucede en la gran mayoría de las reacciones químicas.

Siempre para romper enlaces químicos hay que suministrar energía ¿de dónde sale la energía en este caso? Veamos.

Las moléculas se mueven


Todas las moléculas en una sustancia se mueven, especialmente si son gases como en este caso, y en los gases esos movimientos son a alta velocidad y en todas direcciones al azar de modo que las partículas (moléculas) contienen una cantidad de energía cinética debida al movimiento. En su constante "vagar" sucede que ellas chocan entre si y de la colisión puede que las moléculas reciban la suficiente cantidad de energía como para romper sus enlaces y liberar los átomos independientes, los que a su vez, dada la afinidad química se pueden organizar en enlaces que siguen un patrón diferente dando lugar a los productos. Sin embargo, la posibilidad de que durante los choques la energía de las partículas sea suficiente para que las moléculas resulten totalmente "desmembradas" en átomos y todos de una vez estén disponibles para los nuevos enlaces es poco probable. Usando esta posibilidad en la reacción 1 se debe producir el choque de dos moléculas de oxígeno con una de metano de forma simultánea y con suficiente energía para que resulten separadas todas en átomos y se reorganicen como agua y dióxido de carbono. Esta posibilidad, aunque existe, es muy baja, lo más probable es que choquen una a una las moléculas de ambos reaccionantes y con la energía suficiente para romper solo uno, o unos pocos enlaces, de modo que la probabilidad mayor de desarrollarse la reacción es a través de etapas con productos intermedios. La secuencia de las etapas en las que las moléculas sufren los cambios que conllevan desde los reaccionantes a los productos se le llama mecanismo de la reacción.

Para la reacción que nos ocupa, y de acuerdo a como se rompieron los enlaces durante las colisiones, pudo haberse producido compuestos tales como CO (monóxido de carbono), CH2O (formaldehído), CH3OH (metanol) y otros, de forma permanente o como compuestos intermedios que luego en una segunda etapa de choques condujeron a los productos finales mayoritarios dióxido de carbono y agua , pero en este caso nadie lo sabe a ciencia cierta, la reacción es demasiado rápida como para determinarlo.

Mecanismo de reacción

Desafortunadamente la reacción entre el metano y el oxígeno es casi instantánea (ha sido causa de muchas explosiones por fuga de gas natural en tuberías que contiene metano) y por ello el estudio del mecanismo de esta reacción es literalmente imposible, otras en cambio son demasiado lentas como para poderse estudiar, por ejemplo, el proceso de destrucción de una roca que puede suceder en cientos, miles e incluso en millones de años. No obstante, un buen número de reacciones se producen en un tiempo razonable como para poder hacerlo. El estudio de los mecanismos de las reacciones es un tema muy importante, y de hecho, muchas personas se han dedicado y dedican a ello a fin de tener la "lupa" que permita mirar dentro del proceso y saber que hacer para acelerarlo o hacerlo más lento de acuerdo a la conveniencia, así como lograr mayores rendimientos en los productos deseados en detrimento de la cantidad de los sub-productos no deseados.

Evidentemente no  podemos ver los átomos ni las moléculas, son demasiado pequeñas, de modo que el estudio de los mecanismos de las reacciones se hacen de modo indirecto, viendo la influencia en la velocidad de reacción cuando cambian dos factores principales, la temperatura a la que se produce la reacción y la concentración de las sustancias involucradas.

Entremos a la reacción química.

Para saber y comprender el mecanismo de los cambios químicos que se producen durante una reacción debemos primero saber si se producen cambios de energía durante el tiempo en el que la reacción tiene lugar.

Cambios de energía en las reacciones químicas

Muchas reacciones químicas cuando se producen incluyen un cambio neto de energía, es decir, la energía combinada de los reaccionantes es diferente a la energía combinada de los productos. En los casos en los que la energía contenida en los productos es mayor que la de los reaccionantes, necesariamente la reacción debió recibir energía del medio circundante durante su desarrollo, y a este tipo de reacciones se les conoce como reacciones endotérmicas (o endergónicas). En caso contrario si la energía contenida de los reaccionantes es mayor que la de los productos entonces se libera energía durante la realización de la reacción y estas se conocen como reacciones exotérmicas (o exergónicas). El tercer caso se refiere a aquellas reacciones donde la energía contenida en los reaccionantes y los productos es la misma y por tanto ni se libera ni se absorbe energía durante la reacción y por eso se les llama reacciones neutrales en energía.

Ahora saltan unas preguntas lógicas, ¿por qué se puede producir un cambio del contenido neto de energía en una reacción?, ¿de donde sale la energía liberada en una reacción exotérmica?, ¿donde se almacena la energía absorbida por la reacción endotérmica? la respuesta a todas las preguntas la podemos encontrar si nos enfocamos en los enlaces, partiendo del hecho de que cuando se rompe un enlace siempre y sin excepciones se consume energía, y cuando se forman siempre y sin excepciones se libera energía.

Entonces contestemos las preguntas:

1.- ¿por qué se puede producir un cambio del contenido neto de energía en una reacción?: porque la energía contenida en los enlaces de los productos puede ser diferente que la contenida en los enlaces de los reaccionantes y el exceso, por supuesto, se libera al medio circundante, y el defecto se absorbe del medio, ambos generalmente en forma de calor o luz.

2.- ¿de donde sale la energía liberada en una reacción exotérmica?: de los enlaces, y se da cuando la energía contenida en los enlaces de los reaccionantes que se rompen es mayor que la contenida en los enlaces que se forman en los productos y el exceso se libera.

3.- ¿donde se almacena la energía absorbida por la reacción endotérmica?: en los enlaces de los productos cuando estos contienen más energía que los enlaces rotos de los reaccionantes.

La combustión del metano presentada arriba es una reacción fuertemente exotérmica de modo que la energía contenida en los enlaces después de la reacción es menor que la que contenían los enlaces antes de la reacción.

A primera impresión se puede suponer que cuando una reacción es exotérmica debe producirse de manera mas rápida que cuando necesita energía del exterior, sin embargo no es así, hay reacciones endotérmicas que son verdaderamente rápidas ¿Y eso como se explica? la respuesta es simple, la ganancia o pérdida de energía durante una reacción no es determinante en la rapidez de ella, hay otro concepto envuelto en ello y se llama energía de activación.

Energía de activación

Cinética química

Figura 1. Energía de activación



En general para que se produzca una reacción química donde ciertos reaccionantes se convierten en productos, como ya se sabe implica romper enlaces y siempre cuando se rompen enlaces hay que suministrar energía, y por ello muchas reacciones, aunque después sean exotérmicas, necesitan un "empujón" energético inicial para que la reacción comience y luego continúe de manera espontánea. Esto se debe a que bajo determinadas condiciones la velocidad de las partículas elementales que chocan no tienen suficiente energía como para romper los enlaces al producirse el choque, de modo que chocan y rebotan sin producir cambios. Pero si la energía de las partículas alcanza determinado valor más alto, su choque puede romper los enlaces y comenzar a producirse los cambios, la reacción empieza a desarrollarse; a este nivel de energía donde los choques pueden ser efectivos se le llama energía de activación (Ea) de la reacción. En otras palabras, la energía de activación es aquella que tienen que tener las moléculas de los reaccionantes para que puedan convertirse en productos.

Es fácil comprender que mientras los reaccionantes no poseen la energía de activación existe una barrera energética entre ellos y los productos, y que esta barrera debe ser superada para que comience la reacción a través del suministro externo de energía. Gráficamente se podría representar como aparece en la figura 1 a la derecha para una reacción exotérmica (observe que la energía neta de los productos es menor que la de los reaccionantes).

Cada reacción tiene su propia energía de activación, en algunas, la barrera energética es enorme mientras en otras se tienen barreras muy pequeñas. En la punta del gráfico de la figura 1, la cima de la barrera, las moléculas de los reaccionantes están en un estado especial que se conoce como estado de transición en el cual el proceso de transformación se inicia. Ahí las moléculas han alcanzado la energía de activación y puede empezar a producirse la rotura de los enlaces en los reaccionantes, y, simultáneamente, se comienzan a producir los nuevos enlaces que están presentes en los productos. Pero no todos los enlaces pueden resultar rotos al mismo tiempo, durante el estado de transición, que ocurre justo en la cima de la barrera energética, los reaccionantes están en vías de convertirse en los productos.

De todo este razonamiento se desprende que para que una reacción química ocurra, las moléculas de los reaccionantes deben absorber la cantidad suficiente de energía (Ea) como para alcanzar la cima de la barrera energética y llegar al estado de transición, de modo que es la magnitud de la barrera la que determina la rapidez de la reacción, lo que a su vez constituye uno de los más importantes conceptos en química.


Mientras más alta es la barrera de la energía de activación más lenta será la reacción.

O lo que es lo mismo:

Una mayor Ea conduce a reacciones mas lentas.

Una menor Ea conduce a reacciones mas rápidas.

Influencia de la temperatura

Cada reacción química tiene su propia energía de activación, y esta energía depende en gran medida de la cantidad y fuerza de los enlaces que resultan rotos y formados durante el estado de transición. Si se rompen muchos enlaces fuertes y se forman unos pocos enlaces débiles la energía de activación es alta y la reacción tomará lugar muy lentamente necesitando constantemente absorber energía del medio para que las moléculas de los reaccionantes alcancen la cima de la barrera.

¿Como podemos manipular el proceso para acelerar la reacción? una respuesta salta a la vista, suministrando abundante energía externa, es decir aumentando la temperatura de la reacción.

La temperatura es una medida del promedio de velocidad con que se mueve el conjunto de las partículas elementales (moléculas o átomos) y como ya hemos visto la energía debido al movimiento de estas partículas es la que produce choques con suficiente energía como para romper los enlaces, esto es, ellas alcanzan la energía de activación.

En un líquido o una gas las moléculas se mueven a diferentes velocidades, alguna muy rápidas y otras más lentas debido a la interacción entre ellas y donde en todo momento se producen choques que pueden frenar a algunas y acelerar a otras en dependencia de las direcciones y forma de los choques. Esto implica que a cualquier temperatura siempre puede haber algunas moléculas que alcancen la energía de activación y con ello exista de manera esporádica algunos choques con suficiente energía que alcancen el estado de transición con la consecuente baja velocidad de transformación reaccionantes-productos.

Si aumentamos la temperatura, la velocidad media de las partículas crece y con ello crece también el número de ellas capaces de chocar con suficiente energía para reaccionar, de modo que a mayor temperatura el choque de partículas con suficiente energía se hace mas frecuente. Esto explica el por qué cuando se incrementa la temperatura siempre aumenta la velocidad de la reacción.

Pero no solo la velocidad de las partículas es decisiva para alcanzar el estado de transición, también es muy influyente la geometría del choque, los experimentos han demostrado que en muchas ocasiones, aunque las partículas hayan alcanzado la energía de activación, su choque no produce resultados y por ello se ha concluido que la cosa no es solo chocar con suficiente energía, si no, hacerlo de la forma adecuada. Esta influencia se resume en el concepto de choque efectivo que tiene que ver con la orientación de las moléculas al momento que se produce el choque y que se incluye en el llamado factor de orientación.

Al igual que con la energía de activación, cada reacción tiene su factor de orientación propio. No entraremos en detalles en cuanto al factor de orientación, basta para el interés de este artículo saber de su existencia y de su significado práctico.

Influencia de la concentración

Ahora tratemos otro factor importante que puede influir en la rapidez de una reacción química y este es la concentración de los reaccionantes. Empecemos por la "verdad" que es lo que dice la experimentación, y la verdad es que en la mayoría de las reacciones el aumento de la concentración de los reaccionantes conlleva a un aumento de la velocidad de reacción.

La concentración, aunque no haya leído el artículo Solubilidad, es un concepto bastante intuitivo y todos tenemos idea de lo que significa, una situación de mayor concentración es aquella en lo que "algo" está en mayor cantidad por unidad de volumen, de modo que todos sabemos que si exprimimos dos limones en un vaso de agua tenemos una solución menos concentrada que cuando exprimimos cuatro en el mismo vaso de agua. Pues bien, llevando eso al micro-mundo significa que hay mas "moléculas" de jugo de limón en la segunda limonada que en la primera por unidad de volumen (el vaso). Pero en lugar de usar jugo de limón utilicemos un gas para explicar  "la verdad" que queremos explicar.


Supongamos que introducimos una cantidad de gases reaccionantes en una caja cerrada a una temperatura fija y que solamente el 1% de las moléculas a esa temperatura conlleven a la formación de productos debido a los factores de energía de activación y del factor de orientación. Digamos que con esa cantidad de gas hay 10 000 moléculas dentro de la caja de las que el 1% chocan eventualmente y forman productos. Ahora pongamos más gases reaccionantes a la caja, pensemos en el doble del gas, con ello se han duplicado las moléculas y ahora tenemos 20 000 de ellas, hemos duplicado la concentración. ¿No le parece absolutamente razonable que en la nueva situación los choques sean mas frecuentes? y que con ello se aumente la formación de productos, claro que sí, no hay duda, el aumento de la concentración acelera la reacción. ¿Pero el aumento de la  productividad de la reacción se duplica al duplicar la cantidad de reaccionantes? Seguramente no, por varias razones entre las que están:

1.- No solo ha aumentado al doble la cantidad de moléculas, lo que puede inducir a pensar que los choques se duplican, también ha disminuido la distancia entre ellas de forma que la probabilidad de que se encuentren y choquen crece también.

2.- Solamente en el primer instante de la reacción la concentración es doble, a medida que la reacción se desarrolla y se forman productos la concentración de los reaccionantes baja produciendo una desaceleración de la reacción.

3.- Si el producto es un gas también ocupa espacio dentro de la caja y participa en los choques intermoleculares.

4.- Muchas reacciones son endotérmicas o exotérmicas de modo que el mantenimiento de la temperatura constante es solo una aproximación teórica.

La interacción de estos factores como usted se habrá podido dar cuenta es muy compleja de modo que predecir exactamente lo que sucederá a lo largo de la reacción es literalmente imposible y la única forma de "pisar terreno firme" en este campo es a través de determinaciones experimentales. De todas formas podemos enunciar una regla general inequívoca:

A mayor concentración de reaccionantes, mayor es el número de choques por segundo y por tanto mayor la tasa de formación de productos.

Catálisis

Como se mostró arriba cuando una reacción tiene un gran valor de energía de activación es una reacción lenta y que podíamos acelerarla aumentando la temperatura. Pero esta no es la única vía para aumentar la velocidad de reacción, y en algunos casos no es ni siquiera apropiada, debido, primero, a que para aumentar la temperatura se necesita utilizar energía lo que puede encarecer la reacción, y segundo, que con el aumento de la temperatura se puede producir la descomposición de alguno de los reaccionantes dando lugar a sub-productos indeseados. La otra vía para acelerar la reacción es con el uso de catalizadores que son sustancias o elementos químicos puros que aceleran (o retrasan según el caso) la reacción y que agregados a esta como parte de los reaccionantes, generalmente en pequeñas cantidades, no están presentes en los productos terminados.

El mecanismo de acción de los catalizadores es muy diverso pero en general su efectividad radica en que toman parte en las etapas intermedias de la reacción bajando la energía de activación de alguna de ellas (muy comúnmente la más lenta) lo que resulta en un incremento de la velocidad de la reacción global.

Por ejemplo, usted puede tener hidrógeno y oxígeno conviviendo perfectamente en un recipiente por largo tiempo en condiciones normales y su reacción para formar agua es tan lenta que la producción sea despreciable, no obstante, si introduce en el recipiente una pequeña cantidad de polvo de platino sobrevienen una explosión. El hecho se atribuye a que el platino absorbe el hidrógeno en forma atómica, es decir, rompe el fuerte enlace covalente H-H que es una de las barreras de la reacción de modo que la unión hidrógeno-oxígeno se produce luego muy rápidamente.

Vinculando lo visto al mundo biológico

En el mundo biológico se deben diferenciar dos grandes grupos de organismos vinculados a este tema:

1.- Los organismos que producen calor internamente y regulan su temperatura como los mamíferos y otros animales.

2.- Los organismos que no produce tal calor interno y su temperatura corporal depende mucho de la temperatura del entorno como por ejemplo, las plantas.

En el primer grupo la temperatura de sus cuerpos es casi constante de modo que el efecto de este factor en la velocidad en sus reacciones biológicas no es muy importante, así y todo, se producen pequeños cambios de temperatura corporal con carácter defensivo ante la invasión de patógenos como la fiebre. Este relativamente pequeño cambio de temperatura puede aumentar el trabajo de las defensas internas y con ello reducir el tiempo necesario para desactivar el patógeno.

Donde la temperatura juega un papel muy importante es en las plantas, como estos organismos no generan calor apreciable su temperatura promedio depende de las oscilaciones de la temperatura ambiente, lo que a su vez influye notablemente en su metabolismo. Muchas plantas detienen su crecimiento y desarrollo en el invierno pero crecen rápidamente en el verano aun con sol en las dos estaciones del año. La razón salta a la vista.

La influencia de la concentración también puede apreciarse en los organismos vivos, todos sabemos que en un terreno fértil donde la planta pueda disponer de abundantes nutrientes su crecimiento es más rápido que cuando los nutrientes escasean, e incluso su metabolismo puede verse afectado, por ejemplo, si se fertilizan con demasiado nitrógeno se produce un crecimiento alargado y frágil de las ramas.

Sin embargo, el factor más importante en el control de las reacciones químicas biológicas es la catálisis llevada a cabo por sustancias denominadas enzimas. Las enzimas han sido tratadas en artículo aparte y puede ganar acceso a tal artículo pulsando aquí.



Otros temas de biología aquí.
Para ir al índice general del portal aquí.