Los enlaces químicos que mantienen unidos a los átomos se reorganizan de tal manera que la energía se distribuye de una manera más probable. El estado más probable de la energía es existir en equilibrio térmico con el fondo cósmico de microondas, por lo que la energía que irradia al espacio. Una reacción es un poco como una “danza cuadrada” en el sentido de que los átomos cambian de pareja. A veces, una reacción necesita un pequeño “empujón”, para proporcionar un poco de energía estratégica para ponerla en marcha. La reacción no necesariamente se ejecutará al 100%, continuará hasta alcanzar un “equilibrio” que se define en términos de probabilidades.
Por un gran golpe de fortuna, resulta que la energía de una reacción puede estar relacionada con el número de portadores de energía, es decir, la concentración, en lugar de la masa de los materiales. Esto significa que toda la ciencia puede ser mucho más numérica, en lugar de tener que lidiar siempre en masas y con medidas tan continuas.
Los enlaces químicos son en gran medida una cuestión de cómo se distribuyen los electrones en el espacio entre los átomos. Si está aprendiendo acerca de la energía y las fuerzas por primera vez, hay algo que debe comprender desde el principio, para tener más sentido del lenguaje utilizado por los científicos.
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Cuando dos cuerpos se atraen entre sí desde cierta distancia, la fuerza que experimentan, el campo, representa una forma de energía almacenada por igual entre ellos, independientemente de cuál sea el más grande. Según la ley de Newton, la fuerza en uno debe ser igual y opuesta a la fuerza en el otro. Esta energía almacenada se llama energía potencial. La energía potencial almacenada es mayor cuando están más alejados. Tenga en cuenta que las fuerzas son, por cierto, casi nulas en ese punto. En otras palabras, la energía es máxima cuando apenas están unidos entre sí. La disponibilidad de esta energía potencial es lo que hace que una sustancia sea reactiva, y es lo que hace que las combinaciones sean inestables. Las mezclas más violentamente reactivas son las que se mantienen unidas por las combinaciones de fuerza más débiles al nivel de la unión entre los átomos.
A medida que se acercan, la energía potencial debe reducirse de alguna manera, convirtiéndola en alguna otra forma. Parte de ella puede ir a la energía cinética del movimiento, de hecho, en el caso de la gravedad, todo funciona de esa manera. Pero la energía potencial química no proviene de la atracción de masas, sino de la atracción de cargas eléctricas opuestas. Estas fuerzas son mucho más fuertes que la gravedad, y hay mucha más energía para eliminar a medida que las partículas cargadas se acercan entre sí. ¿A dónde puede ir esa energía?
Bueno, veamos nuevamente el caso de la gravedad. La tierra tira de ti exactamente tanto como tiras de la tierra. Cuando los cuerpos se acercan, la fuerza se mueve a través de una distancia, y eso representa trabajo. La energía almacenada igualmente como potencial, se convierte a otra forma por la reducción en la distancia entre las dos masas. Sin embargo, el gran cuerpo pesado se moverá mucho menos que el ligero. Entonces, la energía que ambos donan del potencial, termina casi exclusivamente como energía cinética del cuerpo más ligero. Si transferimos este pensamiento a los átomos que se aproximan, se convierte en otra regla muy útil que podemos olvidar más o menos sobre el núcleo cuando se trata de la energía (aunque no el impulso) y solo enfocarnos en los electrones en condiciones normales.
De acuerdo, entonces, al acercar las cargas opuestas, la energía eléctrica puede aumentar parcialmente la energía cinética de los electrones. El resto tiene que perderse por colisiones o por radiación. Por lo tanto, las sustancias inestables pueden perder energía espontáneamente por radiación electromagnética, o volverse inestables al absorber radiación electromagnética. Así es como la clorofila absorbe la luz solar como la primera etapa en el almacenamiento de energía química en las moléculas de una planta. Sin embargo, tenga en cuenta que cuando la energía potencial total disminuye a medida que las cargas de atracción se acercan, dije que la energía cinética de los electrones está aumentando. En un átomo, por ejemplo, los electrones más cercanos al núcleo tienen la energía cinética más alta, pero tienen la energía general más baja, porque la energía potencial “gobierna el gallinero”. Esto también confunde a las personas, así que ten cuidado con eso. Pero si sabes un poco sobre la mecánica orbital de los sistemas de gravedad, entonces para que una nave espacial pierda energía y salga de la órbita, en realidad debe aumentar su velocidad de rotación. Ha ganado energía cinética para mantener la órbita, pero ha perdido aún más en el camino de la energía potencial. (¿A dónde se fue el extra? No la radiación con nuestras tecnologías actuales, sino que entró en fricción con la atmósfera, o entró en la energía de los gases del cohete).
Sin embargo, estos argumentos sobre la energía electrostática no son toda la historia. La analogía con las naves espaciales en órbita se rompe cuando miramos más de cerca la energía cinética y los principios de la mecánica cuántica. Resulta que la energía cinética del electrón es de carácter estadístico. No solo está determinado por una ubicación promedio, también está determinado por su distribución. Un electrón que ocupa un mayor volumen de espacio puede tener una energía cinética menor que la que está limitada a un pequeño volumen. Este es un cambio de juego para la química. Significa que la distancia promedio no es toda la historia, significa que la geometría se convierte en un factor. Los enlaces químicos pueden tener propiedades muy direccionales, y el concepto de los orbitales de los electrones en los átomos se extiende al concepto de los orbitales moleculares, donde los electrones se asocian con dos átomos a la vez, y a veces más. Entonces, una reacción química es una reconfiguración de la distribución de electrones entre los átomos, de tal manera que se minimice la energía total.
¿Qué significa esto de acuerdo con los principios descritos anteriormente? Tomemos algunos ejemplos. Los átomos metálicos tienen un electrón débilmente unido que simplemente no puede acercarse a su propio núcleo, está bloqueado por las capas internas que ya están llenas. Los átomos no metálicos tienen espacio para uno o dos electrones adicionales en su capa externa. Significa que un átomo de metal podría unirse con otro átomo de metal, compartir electrones y liberar un poco de energía, pero el enlace no sería fuerte. Significa que un átomo no metálico puede unirse con un átomo no metálico liberando más energía. Por lo tanto, podemos esperar que los elementos puros formen vínculos dentro de sí mismos.
Pero, ¿qué pasa con un átomo metálico y un átomo no metálico? En este caso, costaría energía eliminar el electrón de metal débilmente sostenido, realmente no quiere renunciar a él, aunque se mantenga débilmente. Pero el no metal que lo roba disfruta el electrón, reduciendo la energía potencial y también reduciendo la energía cinética al expandir la cubierta completa, más otros beneficios cuánticos de la terminación de la cubierta.
Para el enlace carbono a carbono como otro ejercicio, el aumento del volumen orbital de electrones compartidos en un enlace hace que se forme un enlace estable.
La importancia de las colisiones no puede subestimarse en este baile de reordenamientos. A menudo es necesario un complejo de reacción de una estructura intermedia para permitir que proceda una reacción. Cuando se permite que se produzcan múltiples fragmentos, la probabilidad de que se recombinen nuevamente con el tiempo, la energía y la orientación adecuados es menor, por pura casualidad. La improbabilidad de los movimientos independientes que resultan en una recombinación se relaciona con la temperatura del sistema, al enfriar los movimientos, las posibilidades de realineación son mejores. Por lo tanto, las reacciones químicas están estrechamente relacionadas no solo con la producción de energía por reordenamientos de átomos, sino también con la redistribución de energía por disipación de energía en formas aleatorias.
Entonces, la química es un negocio complejo, pero impulsado por simples conceptos subyacentes de los cambios de energía.
