Un anillo con un diamante puede pasar de abuela a nieta durante siglos y seguir igual. Pero un químico te diría que el diamante “debería” convertirse en grafito, lo mismo que hay en la mina de un lápiz, porque el grafito es más estable. Y no lo hace.
La pregunta tonta de esta lección es: ¿por qué el diamante no se convierte en grafito? La respuesta es la misma que explica por qué el gas de la cocina no arde solo, por qué la comida dura más en la nevera y por qué el hidrógeno guarda energía como una pila. Cada reacción tiene una cuenta, la energía que suelta o que pide, y una colina que hay que subir antes de empezar.
Elige tu carta: ♣ si empiezas de cero, ♦ si no te asusta una fórmula sencilla, ♠ si quieres la notación. Puedes cambiarla en cualquier momento.
Romper cuesta, unir devuelve
Novato
Coge dos imanes pegados y sepáralos: cuesta un esfuerzo. Acércalos y se juntan de golpe, con un clac: al unirse sueltan energía.
Los átomos de una molécula están unidos por enlaces, y con ellos pasa algo parecido: romper un enlace cuesta energía y formarlo la devuelve. Una reacción química rompe unos enlaces y forma otros. Si los nuevos aprietan más que los viejos, devuelven más de lo que costó romper, y lo que sobra sale como calor. Así calienta el gas de la cocina.
Si es al revés, la reacción pide energía y hay que dársela, por ejemplo con electricidad. Lo verás al final con el agua.
Intermedio
Un enlace es la unión entre dos átomos de una molécula. Su energía de enlace es lo que cuesta romper un mol de esos enlaces (OpenStax). Algunos valores medios:
| Enlace | Energía de enlace |
|---|---|
| H–H (hidrógeno) | 436 kJ/mol |
| O=O (oxígeno) | 498 kJ/mol |
| O–H (agua) | 464 kJ/mol |
Hidrógeno y oxígeno dan vapor de agua: 2 H₂ + O₂ → 2 H₂O. Se rompen dos H–H y un O=O, que cuestan 2 × 436 + 498 = 1370 kJ. Se forman cuatro O–H, que devuelven 4 × 464 = 1856 kJ. Sobran 486 kJ, unos 243 por mol de agua. Medido: 242 kJ (OpenStax; NIST-JANAF da 241,8).
Cuando sobra energía y sale calor, la reacción es exotérmica. Cuando hay que ponerla, endotérmica. A esa energía que sobra o falta se le llama el calor de la reacción.
Las energías de enlace son medias de muchas moléculas, así que la cuenta sale aproximada. Para el dato exacto, las tablas dan la energía de formar cada sustancia a partir de sus elementos, y con ellas se hace la cuenta sin enlaces.
Técnico
| En ♦ decíamos | En ♠ se escribe |
|---|---|
| energía de enlace | D(X–Y): entalpía de disociación del enlace en fase gas, en kJ/mol |
| el calor de la reacción | entalpía de reacción ΔᵣH (calor a presión constante); H es función de estado |
| Sobran 486 kJ | ΔᵣH ≈ ΣD(rotos) − ΣD(formados) = 1370 − 1856 = −486 kJ |
| exotérmica | ΔᵣH < 0 |
| endotérmica | ΔᵣH > 0 |
| medias | D̄, promedio sobre muchas moléculas: error de decenas de kJ/mol |
| la energía de formar cada sustancia a partir de sus elementos | entalpía estándar de formación ΔfH° (0 para un elemento en su forma más estable) |
| con ellas se hace la cuenta sin enlaces | ley de Hess: ΔᵣH° = Σν ΔfH°(productos) − Σν ΔfH°(reactivos), con ν los coeficientes |
La entalpía de reacción se estima con ΔᵣH ≈ ΣD(rotos) − ΣD(formados) (OpenStax, Chemistry 2e, 7.5). Las D de la tabla son medias y la estimación suele fallar en decenas de kJ: en el ejemplo de OpenStax, CO + 2 H₂ → CH₃OH(g) sale −107 kJ con enlaces y −90,5 kJ con entalpías de formación.
Con el agua la estimación acierta porque H–H y O=O no son medias: cada uno es una molécula concreta. Con las tablas NIST-JANAF a 298,15 K, D(H–H) = 2 ΔfH°(H, g) = 2 × 217,999 = 436,0 kJ/mol, D(O=O) = 2 ΔfH°(O, g) = 498,3 kJ/mol, y la O–H media del agua es [2 ΔfH°(H) + ΔfH°(O) − ΔfH°(H₂O, g)] / 2 = 463,5 kJ/mol.
Con esos D, la estimación da exactamente ΔfH°(H₂O, g) = −241,826 kJ/mol: es la misma cuenta por otro camino. Lo garantiza la ley de Hess: como H es función de estado, ΔᵣH° = Σν ΔfH°(productos) − Σν ΔfH°(reactivos) no depende de los pasos intermedios (OpenStax, 5.3).
La colina: por qué casi nada empieza solo
Novato
Imagina una bola en un hoyo. Al lado hay una cuesta abajo larguísima, pero entre el hoyo y la cuesta hay una pequeña colina. Aunque abajo del todo estaría mejor, la bola no va a ninguna parte hasta que alguien la empuja por encima de la colina. Después baja sola.
Las reacciones son así. El gas de la cocina y el oxígeno del aire pueden pasar juntos todo el día sin arder, hasta que una chispa da el empujón. Una vez empieza, el calor de la llama empuja a las moléculas de al lado, y la reacción sigue sola.
Lo que más empuja es la temperatura. En caliente, las moléculas se mueven más deprisa y chocan con más fuerza, así que más choques consiguen subir la colina. Por eso la comida dura más en la nevera: en frío, las reacciones que la estropean van más despacio.
Intermedio
Para que dos moléculas reaccionen tienen que chocar con energía suficiente para empezar a romper sus enlaces. Esa energía mínima es la energía de activación (OpenStax). En un perfil de energía es la altura de la colina: se sale de los reactivos, se sube hasta la cima y se baja hasta los productos. El desnivel entre la salida y la llegada es el calor de la reacción, el del bloque anterior. La colina dice otra cosa: no cuánto se gana, sino cuánto cuesta arrancar.
En cada choque la energía es distinta: casi todos son flojos y unos pocos, muy fuertes. La parte de los choques que llega arriba baja muchísimo si la colina es más alta y sube muchísimo con la temperatura. Con una colina de 50 kJ/mol, que es un valor de ejemplo:
- a 25 °C, llega arriba más o menos 1 de cada 575 millones de choques;
- en la nevera, a 4 °C, la reacción va 4,6 veces más lenta;
- a 35 °C, 1,9 veces más rápida.
Son cálculos propios. De ahí sale la regla de “cada 10 grados, el doble”, que solo vale para colinas de ese tamaño: con una de 100 kJ/mol, los mismos 10 grados multiplican por 3,7.
Un catalizador abre otro camino con una colina más baja. La reacción va más rápida y la salida y la llegada no cambian (OpenStax). Lo hacen los catalizadores de los coches y las enzimas del cuerpo.
Técnico
| En ♦ decíamos | En ♠ se escribe |
|---|---|
| energía de activación | Eₐ, en kJ/mol |
| perfil de energía | energía frente a la coordenada de reacción; la cima es el estado de transición (‡) |
| La parte de los choques que llega arriba | e^(−Eₐ/RT), con R = 8,314 J/(mol·K) y T en kelvin |
| va 4,6 veces más lenta | constante de velocidad k = A·e^(−Eₐ/RT) (Arrhenius), con A el factor de frecuencia |
| sube muchísimo con la temperatura | ln k = ln A − (Eₐ/R)(1/T): recta de pendiente −Eₐ/R |
| cada 10 grados, el doble | k₂/k₁ = exp[(Eₐ/R)(1/T₁ − 1/T₂)] = 1,92 con Eₐ = 50 kJ/mol, de 298 a 308 K |
| catalizador | otro mecanismo con Eₐ′ < Eₐ y el mismo ΔᵣH |
La ecuación de Arrhenius es k = A·e^(−Eₐ/RT) (OpenStax, 12.5). El factor e^(−Eₐ/RT) mide qué parte de los choques llega con energía suficiente; A recoge cuántos choques hay y si tienen la orientación buena. Tomando logaritmos, ln k = ln A − (Eₐ/R)(1/T): midiendo k a varias temperaturas y dibujando ln k frente a 1/T sale una recta, y su pendiente da Eₐ. OpenStax lo hace con 2 HI → H₂ + I₂ y obtiene Eₐ = 180 kJ/mol.
Entre dos temperaturas, k₂/k₁ = exp[(Eₐ/R)(1/T₁ − 1/T₂)]. Con Eₐ = 50 kJ/mol, de 298,15 a 308,15 K da 1,92; con 100 kJ/mol, 3,70 (cálculo propio, suponiendo A constante). La regla del doble cada 10 °C no es una ley: depende de Eₐ.
Un catalizador ofrece otro mecanismo, con un estado de transición más bajo. Como H es función de estado, la salida y la llegada no se mueven: en los diagramas de OpenStax, con y sin catalizador, las dos curvas «empiezan y acaban a la misma energía» (12.7, traducción propia).
No basta con que a una reacción le convenga: primero hay que subir la colina. Por eso el papel no arde solo en la estantería.
Prueba tú: sube la colina
Mueve la altura de la colina y la temperatura. La franja azul marca hasta dónde llega 1 de cada 1000 choques: cuando pasa la cima, la reacción va deprisa. Prueba con 190 kJ/mol, cerca de la colina que se midió en polvo de diamante, y súbele la temperatura: ni a 1500 °C llega la franja, pero mira cuánto acelera.
El diamante: estable no es lo mismo que rápido
Novato
Ahora imagina dos valles. En uno, un poco más alto, está el diamante. En el otro, solo un poquito más abajo, el grafito. Los dos son carbono puro, colocado de dos maneras distintas: lo viste en la lección de átomos.
Bajar al valle del grafito soltaría un poquito de energía, y por eso los químicos dicen que el grafito es más estable. Pero entre los dos valles hay una montaña enorme: para pasar al grafito, cada átomo de carbono tiene que soltarse del diamante, y soltarlo cuesta muchísima energía. A temperatura ambiente, prácticamente ningún átomo lo consigue.
El diamante no está a salvo por ser lo más estable, sino porque la montaña es altísima. Si lo calientas por encima de unos 1500 °C en un recipiente sin aire, empieza a convertirse en grafito.
Intermedio
Para saber si una reacción puede ir sola no basta el calor. Los químicos usan la energía de Gibbs, que junta el calor y el desorden. Si la energía de Gibbs baja, la reacción puede ir sola. De diamante a grafito, a 25 °C, baja 2,9 kJ/mol (OpenStax; UW–Madison). Es muy poco, y el calor que suelta es aún menos: 1,9 kJ por cada 12 gramos de carbono, que calentarían un vaso de agua menos de 2 °C (cálculo propio).
Pero que pueda no quiere decir que pase. OpenStax lo dice así: «la espontaneidad de un proceso no está relacionada con su velocidad» (traducción propia). Para recolocar el carbono, cada átomo tiene que soltarse del diamante, y eso pide muchísima energía.
La colina se ha medido: 188 kJ/mol en polvo de diamantes diminutos (Butenko y otros, 2000) y unos 730 kJ/mol en una cara de un diamante natural (Davies y Evans, 1972). Cada cifra sale de un solo trabajo. Con la de 188, a 1600 °C la frontera entre diamante y grafito avanza 1,5 nanómetros por hora. A 25 °C tardaría más de 10²⁰ años en avanzar uno (cálculo propio, alargando su fórmula muy lejos de lo que midieron). El universo tiene unos 10¹⁰ años.
El diamante es termodinámicamente inestable pero cinéticamente estable: se dice que es metaestable (OpenStax). Y aquí también hay catalizadores: con una capa de níquel, una película de diamantes diminutos empieza a volverse grafito hacia los 500 °C, y la superficie de un cristal de diamante, por encima de 800 °C (Sedelnikova y otros, 2025, que lo recogen de otros trabajos).
Técnico
| En ♦ decíamos | En ♠ se escribe |
|---|---|
| energía de Gibbs | G = H − TS; a T y p constantes, ΔG = ΔH − TΔS |
| el desorden | entropía S, en J/(K·mol) |
| Si la energía de Gibbs baja, la reacción puede ir sola | ΔᵣG < 0: proceso espontáneo |
| baja 2,9 kJ/mol | ΔᵣG° = −2,90 kJ/mol (estado estándar, 298,15 K) |
| el calor que suelta | ΔᵣH° = −1,89 kJ/mol: |ΔᵣH°| < |ΔᵣG°| porque ΔᵣS° > 0 |
| polvo de diamantes diminutos | diamante ultradisperso (UDD): nanodiamante |
| una cara | caras {110} y {111}: planos del cristal (índices de Miller) |
| la frontera entre diamante y grafito avanza | velocidad de la interfase v = A·e^(−E/RT) (Butenko y otros) |
| termodinámicamente inestable pero cinéticamente estable | ΔᵣG° < 0, pero k ≈ 0 a 298 K |
| metaestable | mínimo local de G separado del mínimo global por una barrera |
Con el apéndice G de OpenStax, diamante → grafito tiene ΔᵣH° = −1,89 kJ/mol y ΔᵣS° = 5,740 − 2,38 = +3,36 J/(K·mol). Entonces ΔᵣG° = ΔᵣH° − TΔᵣS° = −1,89 − 298,15 × 0,00336 = −2,89 kJ/mol, que cuadra con los −2,90 de la tabla. Ojo: el calor que se suelta es ΔᵣH, −1,89; lo que decide el sentido es ΔᵣG.
La cinética la midieron Davies y Evans (Proc. R. Soc. Lond. A 328, 413, 1972) entre 1850 y 2000 °C, sin presión: Eₐ = 728 ± 50 kJ/mol en las caras 110. Para las 111, su resumen da dos cifras que no cuadran entre sí: 253 kcal/mol y 1159 kJ/mol, cuando 253 kcal son 1059 kJ. Proponen que el paso lento es arrancar un solo átomo de la superficie: con dos enlaces en las caras 110 y con tres en las 111.
Butenko y otros (J. Appl. Phys. 88, 4380, 2000), con nanodiamante entre 1370 y 1870 K, ajustan v = A·e^(−E/RT) con E = 45 ± 4 kcal/mol (188 kJ/mol) y A = 74 nm/s. Dicen que su fórmula vale «en el intervalo indicado y cerca de él» (traducción propia) y atribuyen la diferencia con Davies y Evans a otro mecanismo a temperaturas más bajas.
Si se extrapola su fórmula, v(298 K) ≈ 8×10⁻³² nm/s: un nanómetro en unos 4×10²³ años, entre 5×10²⁰ y 4×10²⁶ con su ±4 kcal/mol. Con la Eₐ de Davies y Evans, el factor exponencial a 25 °C es 10¹¹⁰ veces menor que a 1900 °C. Son extrapolaciones muy lejos de lo medido: valen por el orden de magnitud. A presión ambiente, el diamante es un mínimo local de G separado del grafito por una barrera; a presiones muy altas, el estable pasa a ser el diamante (OpenStax, 16.1).
Oxidar y reducir: el agua como pila
Novato
Un clavo que se oxida y un tronco que arde hacen lo mismo: algo se junta con el oxígeno. La diferencia es la velocidad: el óxido tarda meses y la llama, segundos. Por eso a estas reacciones se las llama de oxidación.
Con el agua se puede hacer una pila. Con electricidad, el agua se rompe en hidrógeno y oxígeno: es subir la cuesta, y cuesta energía. Romper un litro de agua cuesta como mínimo 4,4 kWh, lo que gasta un hervidor encendido más de dos horas.
Si después quemas ese hidrógeno, baja la cuesta y devuelve la misma energía, como calor. Ni un julio más: el hidrógeno no es una fuente de energía, sino una forma de guardarla, como una pila.
Intermedio
En química, oxidarse es perder electrones y reducirse, ganarlos (OpenStax). Siempre van juntos, porque los electrones que pierde uno los gana otro. Al quemar hidrógeno, el hidrógeno se oxida y el oxígeno se reduce.
Romper agua con electricidad se llama electrólisis: 2 H₂O → 2 H₂ + O₂, la combustión al revés. Hay que poner al menos 1,23 voltios entre los dos electrodos (OpenStax). La energía es la del bloque 1, pero con agua líquida: 285,8 kJ por mol (NIST-JANAF; OpenStax). Con 1,23 voltios, unos 237 kJ entran como electricidad y el resto, como calor del entorno. Un litro de agua son 55,5 moles: 15,9 MJ, o 4,4 kWh (cálculo propio).
Al quemar el hidrógeno vuelve esa energía, como calor. Una pila de combustible hace la misma reacción sin llama y da electricidad, a unos 1,2 voltios. Su eficiencia es de un 50–75 %, frente al 20–25 % de un motor (OpenStax).
Técnico
| En ♦ decíamos | En ♠ se escribe |
|---|---|
| oxidarse | perder e⁻: el número de oxidación sube |
| reducirse | ganar e⁻: el número de oxidación baja |
| electrólisis | celda electrolítica: se impone |E| > |E°celda| para forzar una reacción con ΔᵣG > 0 |
| al menos 1,23 voltios | E° = ΔᵣG°/(nF) = 1,229 V, con n = 2 e⁻ por H₂O y F = 96 485 C/mol (constante de Faraday) |
| 285,8 kJ por mol | ΔfH°(H₂O, l) = −285,83 kJ/mol; ΔᵣH/(nF) = 1,481 V, el voltaje termoneutro |
| el resto, como calor del entorno | TΔᵣS° = ΔᵣH° − ΔᵣG° = 285,8 − 237,1 = 48,7 kJ/mol |
| pila de combustible | celda galvánica: ánodo 2 H₂ → 4 H⁺ + 4 e⁻; cátodo O₂ + 4 H⁺ + 4 e⁻ → 2 H₂O |
| eficiencia | trabajo eléctrico máximo −ΔᵣG; el resto, TΔᵣS, sale como calor |
En la electrólisis (OpenStax, 17.7), el ánodo oxida el agua, 2 H₂O(l) → O₂ + 4 H⁺ + 4 e⁻, y el oxígeno pasa de −2 a 0. El cátodo reduce, 2 H⁺ + 2 e⁻ → H₂, y el hidrógeno pasa de +1 a 0. E°celda = −1,229 V: hay que imponer más que eso.
Comprobación con ΔᵣG° = −nFE°: ΔfG°(H₂O, l) = −237,141 kJ/mol (NIST-JANAF) y n = 2, así que E° = 237 141 / (2 × 96 485,332) = 1,2289 V. Con ΔᵣH en lugar de ΔᵣG sale 1,481 V, el voltaje termoneutro: por encima, la celda no necesita calor de fuera. La diferencia entre los dos voltajes es el calor que la celda puede tomar del entorno, TΔᵣS = 48,7 kJ/mol, que cuadra con ΔᵣS° = 163,3 J/(K·mol) del apéndice G.
Al revés, en una pila de combustible, el trabajo eléctrico máximo es −ΔᵣG = 237,1 kJ/mol, el 83 % de lo que daría quemar el hidrógeno (cálculo propio). OpenStax da unos 1,2 V por celda y una eficiencia real del 50–75 %. La energía que sale nunca supera la que costó romper el agua: es una pila química, no una fuente.
El hidrógeno no es una mina de energía: es una pila. Lo que sacas al quemarlo lo metiste antes al romper el agua.
Reto final
En tres frases
- Una reacción rompe enlaces, que cuesta energía, y forma otros, que la devuelven: si sobra, sale calor (exotérmica) y, si falta, hay que ponerla (endotérmica).
- Casi ninguna reacción empieza sola, porque antes hay que subir una colina, la energía de activación: el calor y los catalizadores ayudan a pasarla.
- Por eso el diamante dura aunque el grafito sea más estable, y por eso romper agua y quemar el hidrógeno es cargar y descargar una pila, nunca ganar energía.
Fuentes
- Energía de enlace y estimación de ΔH: OpenStax, Chemistry 2e, 7.5. Entalpía, exotérmica y endotérmica, ley de Hess y entalpías de formación: 5.3 y apéndice G. Tablas NIST-JANAF a 298,15 K: H, O, agua gas y agua líquida.
- Temperatura y velocidad (la nevera): OpenStax, 12.2. Energía de activación y Arrhenius: 12.5. Catalizadores: 12.7. Constantes de los gases y de Faraday (CODATA 2022): NIST, R y F.
- Espontaneidad y energía de Gibbs: OpenStax, 16.1 y 16.4. Diamante metaestable: UW–Madison, Chem 109, D26.1.
- Cinética del diamante: G. Davies y T. Evans, Proc. R. Soc. Lond. A 328, 413 (1972), doi:10.1098/rspa.1972.0086; Yu. V. Butenko y otros, J. Appl. Phys. 88, 4380 (2000), doi:10.1063/1.1289791; O. V. Sedelnikova y otros, Beilstein J. Nanotechnol. 16, 887 (2025), doi:10.3762/bjnano.16.67.
- Oxidación y reducción: OpenStax, 4.2. Electrólisis del agua: 17.7. Pilas de combustible: 17.5.
Cómo está hecha esta lección: investigada y redactada con ayuda de Claude a partir de las fuentes de arriba, comprobadas y contrastadas con una segunda fuente el 16 de octubre de 2026 y revisadas de nuevo el 17 de octubre de 2026. Las cifras sin enlace propio son cálculos a partir de ellas y de las lecciones de átomos y de energía. Los dibujos son propios.