Equilibrio Químico Cinética y termodinámica hacia el equilibrio

De acuerdo con los cálculos, el carbono en la forma de diamante debería transformarse espontáneamente en grafito. Sin embargo, los dueños de diamantes no se preocupan por perder sus gemas, porque esa transformación ocurre de manera extraordinariamente lenta. Este ejemplo muestra a estudiantes de ciencias médicas y de física-matemática una idea clave de la cinética: una reacción puede ser favorable termodinámicamente y, aun así, avanzar a una velocidad tan baja que resulte imperceptible.

Por otra parte, el bario, en forma de iones Ba²⁺, es muy venenoso. Cuando el sulfato de bario sólido (BaSO₄) se disuelve, se forman iones Ba²⁺ y SO₄^2- acuosos. A pesar de ello, suspensiones de BaSO₄ sólido se usan rutinariamente en medicina para estudios radiológicos del tracto digestivo. Los pacientes no sufren daño sistémico porque solo una cantidad infinitesimal del sólido se disuelve: el equilibrio entre el BaSO₄ sólido y sus iones está fuertemente desplazado en favor de la forma sólida protectora.

De esto desprendemos una premisa clínica y técnica fundamental: Mientras que el diamante nos muestra que la cinética dicta la velocidad de un proceso, el sulfato de bario nos demuestra que la termodinámica dicta en qué dirección ocurre. El equilibrio químico es el estado final donde estas dos fuerzas logran un balance íntegro.

Procesos espontáneos y no espontáneos

Hace varios años, los turistas visitaban la "colina de la gravedad" en la ciudad de Salt Lake, donde una ilusión óptica hacía parecer que una corriente de agua fluía cuesta arriba. La fascinación por la escena surgía de la aparente violación de las leyes naturales. Los procesos que se llevan a cabo por sí mismos, sin una intervención continua, se llaman procesos espontáneos. Los procesos no espontáneos ocurren solo cuando reciben una causa o un estímulo externo. Esta analogía con una piedra sobre una colina ayuda a visualizar tres situaciones químicas distintas.

Colina de la Gravedad en la ciudad de Salt Lake, Estados Unidos

En la situación A de nuestro símil mecánico, la piedra rodará hacia abajo tan pronto como usted la suelte; el proceso inicia y continúa espontáneamente. En la situación B, mecánicamente debe darle un pequeño empujón inicial para vencer el obstáculo inicial en el trayecto, pero una vez superado este contratiempo, la dinámica manda y la piedra cae por sí sola hacia una hondonada prolongada. En la situación C, el escenario dictaminado es muy diferente: el estudiante debe empujar continuamente la pesada piedra con trabajo de la musculatura o esta indudablemente ya no se moverá ninguna pulgada cuesta arriba. El proceso de subida es obligatoriamente NO espontáneo y ocurre pura y exclusivamente mientras se aplique activamente la potencia de ese estímulo externo.

Frecuentemente se pierde el máximo potencial aplicable de esta maravilla mecánica al no transfigurarse directamente de vuelta al contexto de una colisión química real. Podemos mapear por completo cada escenario directamente hacia variables biológicas y fisicomatemáticas conocidas:

• Situación A (Reacción espontánea sin estímulo perenne): Es equivalente al proceso donde entra en juego la difusión de una simple gota de tinta dispersante en el agua en un receptáculo que ocurre sin estímulo alguno adicional, tal y cual un flujo simple del cuerpo de nutrientes de donde la biomasa presenta más hacia donde ostenta deficiencias (ej. permeabilidad cruzada de iones biológicos). Sencillamente evoluciona espontáneamente cruzando gradientes para maximizar su desorden físico (entropía).
• Situación B (El "empujón inicial" para que opere libremente post ignición): Coincide nítidamente con la noción universal de la energía de activación; esto se asemeja diametralmente por ejemplo a contemplar la combustión química general producida por la quema de un trozo de madera o azúcar celular: la chispa desatada que lo inflama funciona como aquel "pequeño empujón", una vez que se activa, el trozo ya arderá en llamas ardiendo de manera autosuficiente espontáneamente para liberar un fulgurante resplandor termodinámico y calor exotérmico constante sin volver a exigir del empujador primario.
• Situación C (Un proceso forzado, no espontáneo que requiere suministro perenne): Ejemplifica y muestra casos analógicos a una recarga de su batería celular conectada a la toma eléctrica, un respirador clínico continuo, la reactivación forzada de una pila industrial o los flujos controlados desde la misma electrolisis forzada de las aguas purificadas. Tan claro como se interrumpe el enchufe (y paras de empujar momentáneamente la "piedra"), del todo la progresión del recargado detiene sus compuertas inversoras e interrumpe radical y repentinamente el flujo final de reacciones de carga en curso cayendo reverso.

Visto desde la ecuación de Gibbs, el simulador enseña una diferencia decisiva entre termodinámica y cinética:

La termodinámica responde si el cambio es favorable en conjunto mediante el signo de ΔG, mientras que la cinética responde qué tan difícil es iniciar la transformación mediante la barrera de activación. Así, el estudiante no debe confundir “hay una subida inicial” con “el proceso no es espontáneo”: esa subida puede representar solo el costo inicial para activar una reacción cuyo balance global sigue siendo favorable.

Conforme la piedra rueda hacia abajo, libera energía y pasa de un estado de mayor energía potencial a uno de menor energía. Conforme usted la empuja hacia arriba, la piedra gana energía. Los procesos que liberan energía se denominan exergónicos, mientras que los que requieren energía se denominan endergónicos. Con mucha frecuencia, esos cambios energéticos aparecen como intercambio de calor; en ese caso, hablamos de procesos exotérmicos cuando liberan calor y endotérmicos cuando lo absorben.

A pesar de esta lógica que empareja energía con actividad, no todos los procesos pueden ser resumidos con el perfil único de una caída de su energía exotérmica para ocurrir sin obstáculos. La espontaneidad exige observar rigurosamente la otra variante decisiva en gran escala del universo: un incremento notable en su inmensidad dispersora, es la famosa y poderosa Entropía del estado macroscópico molecular dispersante y microscópico.

Como síntesis de las disyuntivas previas en nuestro análisis académico integral: La espontaneidad es un claro tira y afloja en la naturaleza.

Por un lado, frente a frente compitiendo se posicionan sistemas biológicos y energéticos orgánicos donde por su naturaleza de enlaces quieren fundamentalmente buscar la menor expresión energética posible; por ello, siempre quieren perder y liberar su energía disipándola (siendo exotérmicos preferiblemente).

Por el extremo recíproco y radical opuesto, compite en la balanza inmensamente su avidez espacial, deseando con voracidad e impaciencia acrecentar en la mejor capacidad que puedan el aumento contundente del desorden en toda regla en su posición macroscópica de materia usando la entropía para ello.

Tomemos en cuenta seriamente para aplicar a nuestro "tira y afloja" el derretimiento espontáneo en nuestros laboratorios del sistema físico en agua y sus hielos derritiéndose naturalmente a una benigna temperatura termal de 20 °C. Evaluando esto determinamos que ocurre con certeza lo impensado. Sabemos de hecho por sentido común termodinámico que el agua aquí requiere forzosamente absorber y tomar calor, lo cual a nivel físico significa explícitamente estar dispuesto a «perder» un lado del tira y afloja y ser derrotado en este terreno.

¿Qué sucede analíticamente al contrastarlo? Que paralelamente, todas las formaciones moleculares logradas pasadas a la fase de flujo acuático del agua líquida, a su vez, quedan por una diferencia abismal muy ampliamente más sueltas caóticamente a nivel de su distribución respecto a su antigua forma compacta, polar rígida e inútilmente unificada del formato como hielo sólido polar cristalino. Ese aumento asombroso en dicho rubro marca la diferencia: es finalmente que la tremenda y sublime ganancia masiva en dicho desorden molecular resulta tan exageradamente grande en todos los horizontes posibles que en suma compensa de sobra por entero al mismo y exigente requerimiento abrumador de su respectiva energía calórica base endotérmica subyacente de su contraparte.

Así a gran magnitud se concluye todo; una vez compensado, la espléndida naturaleza decide inequívoca y triunfalmente que como es lógico, el desorden general gana la contienda. Derivado de todo lo abarcado, el proceso biológico o termodinámico en disyuntiva corre triunfante y ocurre final y definitivamente, en todos sus ámbitos, espontáneamente. Donde la temperatura en turno de la sala biológica actúa en sí misma como el factor más definitorio que modula y regula tal maravilla incesante; controlando así la balanza de fuerzas para acercarse en una armonía total a nuestro equilibrio químico.