Por John Brennan
Actualizado el 30 de agosto de 2022
Las reacciones químicas surgen cuando dos o más sustancias chocan y se reorganizan para formar nuevos compuestos. Estos procesos no sólo son omnipresentes en la naturaleza, sino que también sustentan todos los sistemas vivos; la NASA incluso define la vida como un sistema químico autosostenible capaz de una evolución darwiniana. Comprender las fuerzas que gobiernan si se producirá una reacción (y con qué rapidez) requiere analizar tres conceptos centrales:colisiones, entropía y equilibrio.
Para que comience una transformación química, las moléculas deben tener la orientación correcta y suficiente energía cinética para romper los enlaces existentes. No todos los encuentros provocan una reacción; los reactivos deben poder recombinarse en productos más estables. Por ejemplo, los átomos de helio son químicamente inertes porque su capa electrónica externa está completa, por lo que rara vez forman nuevos enlaces con otros gases. Por el contrario, cuando los átomos poseen electrones desapareados o capas incompletas, pueden compartir o transferir electrones, lo que permite que se formen enlaces y liberen energía.
La termodinámica nos permite predecir si una reacción será favorable:si la energía total del nuevo compuesto es menor que la de los reactivos individuales, la molécula resultante es estable y la reacción es energéticamente cuesta abajo.
La entropía mide el grado de aleatoriedad o desorden en un sistema. La Segunda Ley de la Termodinámica establece que la entropía de un sistema cerrado nunca puede disminuir. Una reacción que aumenta la entropía combinada del sistema y su entorno es espontánea. Cuando una reacción no es espontánea (como la biosíntesis de proteínas), los organismos la acoplan a un proceso generador de energía como el metabolismo de la glucosa, que libera una gran cantidad de entropía e impulsa el proceso general.
Como la entropía total es difícil de cuantificar directamente, los químicos utilizan la energía libre de Gibbs (ΔG) para evaluar la espontaneidad. La fórmula ΔG =ΔH – TΔS compara el cambio de entalpía (ΔH) con la temperatura (T) multiplicada por el cambio de entropía (ΔS). Un ΔG negativo indica que una reacción puede ocurrir espontáneamente bajo las condiciones dadas.
Incluso una reacción espontánea puede ser lenta; la conversión de átomos de carbono en diamante, por ejemplo, es químicamente favorable pero se desarrolla en escalas de tiempo geológicas. Además, muchas reacciones alcanzan un equilibrio dinámico en el que las velocidades directa e inversa se equilibran, sin dejar cambios netos en las concentraciones de reactivos o productos. Que una reacción se complete, se detenga o se revierta depende de las barreras cinéticas, la favorabilidad termodinámica y las condiciones específicas presentes.
Al examinar las colisiones, la entropía y el equilibrio juntos, los científicos pueden predecir no sólo si ocurrirá una reacción, sino también con qué rapidez ocurrirá y bajo qué circunstancias producirá un producto en particular.
