Supongamos que tomo un poco de gas hidrógeno (H2) y lo mezclo con gas oxígeno (O2). ¿Qué ocurre? Nada. No ocurre nada a menos que se añada un poco de energía, quizás de una chispa. Añade energía y BOOM: obtienes una explosión, y el hidrógeno y el oxígeno (una parte) se convierten en agua (H2O). Está claro que esta reacción libera energía, pero ¿de dónde viene la energía?
Aquí hay una respuesta sorprendentemente común:
«La energía se almacena en los enlaces químicos. Cuando rompes los enlaces, obtienes energía»
Como señala Derek Muller (de Veritasium), esta idea de la energía almacenada en los enlaces químicos es muy errónea. Para entender mejor la energía en los enlaces químicos, consideremos un modelo simplificado.
Modelo de enlace atómico
Cuando un átomo de hidrógeno interactúa con otro hidrógeno para formar hidrógeno molecular (H2), ocurren muchas cosas. Sin embargo, una de las interacciones fundamentales se debe a la fuerza electrostática entre protones y electrones. Sí, también hay efectos mecánicos cuánticos, pero permíteme que me ciña a un modelo sencillo. En este modelo, tengo dos átomos de hidrógeno que experimentan algún tipo de fuerza eléctrica que los atrae. Cuando se acercan mucho, hay otra fuerza que repele a los dos átomos. Para mantener la calma, añado una fuerza de arrastre. Esto es lo que parece cuando estos dos átomos interactúan.
¿Qué deberías notar?
- Hay una fuerza de atracción entre los dos átomos.
- A medida que se acercan, los dos átomos aumentan su energía cinética.
- Hay algo que impide que los dos átomos choquen entre sí.
- Los átomos no siguen oscilando porque pierden energía (esto sería como calentar su entorno).
- Los átomos de hidrógeno son amarillos (pero eso ya deberías saberlo).
Si quieres pensar en este sistema en términos de energía, podría ser útil mirar un esquema de la energía potencial para estos dos átomos de hidrógeno. Se parecería a esto (sólo un boceto).
Podemos imaginar que los átomos de hidrógeno son como una bola que rueda sobre una colina con la forma de la curva de potencial. Puedes ver que aumentaría su velocidad a medida que baja la colina, para luego disminuir su velocidad y retroceder a medida que sube la «colina». Pero aquí está el punto importante: si la pelota estuviera en la parte inferior de la curva, tendrías que añadir energía para hacerla subir la colina. Tendrías que añadir energía para romper este enlace químico.
¿De dónde viene la energía?
Volvamos al ejemplo del hidrógeno y el oxígeno. Si consigues que se inicie esta reacción, efectivamente obtienes mucha energía. Pero esta energía no proviene del enlace hidrógeno-hidrógeno, ni tampoco del enlace oxígeno-oxígeno. La energía proviene de la formación de los enlaces hidrógeno-oxígeno en el agua. Tal vez otro esquema energético pueda ayudar. Supongamos que represento la energía de los gases y del agua con lo siguiente:
Mover esa bola a la parte baja de la curva (la parte del agua) requiere un poco de energía, pero se recupera mucha. Pero todavía no hay energía almacenada en los enlaces del agua. En cambio, obtienes energía al formar el enlace.
Otro modelo molecular
La confusión sobre la energía en los enlaces químicos es parte de la razón por la que Derek Muller está trabajando en un nuevo modelo molecular-los Snatoms.
Probablemente recuerdes esos modelos moleculares de bola y palo de la universidad o el instituto. Los Snatoms son similares, pero en lugar de usar palos utilizan imanes. Las conexiones magnéticas tienen dos ventajas. En primer lugar, son más rápidos de montar, ya que los átomos se unen a presión. En segundo lugar (y más importante), los alumnos pueden sentir que hay una fuerza que une los átomos. También pueden sentir la fuerza necesaria para separarlos. Esto ayudará a construir la idea de que se necesita energía para romper los enlaces.
Por supuesto, los Snatoms siguen siendo sólo un modelo. No representan completamente todo sobre las moléculas, pero al menos deberían ayudar con el tema de los enlaces de energía.