Reacciones químicas
Éstas son cambios en los cuales una o más sustancias, a las cuales se las denomina reactivos, se transforman en otra u otras sustancias, llamadas productos.
Al conjunto de los reactivos, se lo denomina sistema inicial, y al conjunto de los productos, se lo denomina sistema final.
¿Podemos ver a simple vista si se ha producido una reacción química?
Sí, por ejemplo, cuando vemos efervescencia en algún líquido, o un cambio de color o presencia de precipitados, o la formación de una llama. También se producen reacciones químicas que no podemos ver.
Hay reacciones que se producen de forma natural (respiración, digestión), y otras que son provocadas para obtener algún beneficio (cocción de alimentos, o encender un fuego para calefaccionar).
Tipos de reacciones químicas
A las reacciones químicas se las puede clasificar de acuerdo a diferentes criterios.
Uno de los más amplios, las clasifica en dos grandes grupos:
· Reacciones de combinación: dos o más reactivos se combinan para formar uno, dos o más productos.
· Reacciones de descomposición: un solo reactivo origina dos o más productos de composición química más sencilla.
· Reacciones de óxido-reducción o reacciones redox: pueden ser de combinación o descomposición.
Reacciones de combinación
En estas dos o más reactivos se combinan para formar uno, dos o más productos.
Hay muchas reacciones de combinación. Dentro de este grupo se distinguen:
· Reacciones de combustión
· Reacciones ácido-base
· Reacciones de síntesis (en estas los reactivos son sustancias simples que se combinan para formar una sustancia compuesta).
Representación de reacciones químicas
| Sistema inicial Sistema final Reactivo 1 + Reactivo 2 --à Producto 1 + Producto 2 |
| |
Representación de un reacción de combinación con dos reactivos y dos productos.
| Sustancia simple Sustancia simple Sustancia compuesta Reactivo 1 + Reactivo 2 -------à Producto |
Representación de una reacción de síntesis.
| Reactivo -----------à Producto 1 + Producto 2 Sustancia compuesta generalmente al menos uno es sustancia simple |
Representación de una reacción de descomposición.
Reacciones reversibles
A veces, suele pasar que parte de los productos que se formaron durante una reacción química vuelven a transformarse en los reactivos que le dieron origen; cuando esto ocurre, se dice que estamos ante una reacción reversible.
Podemos definir entonces que una reacción es reversible cuando: ocurren dos reacciones inversas y simultáneas, en las que parte de los productos de una constituyen los reactivos de la otra.
Modelo de los cambios químicos
Las moléculas de los distintos compuestos que pueden intervenir en una reacción química, tienen una forma definida en el espacio. A su vez, estas deben estar en movimiento para que puedan chocar unas contra otras para formar nuevos compuestos. Por esta razón, los reactivos deben estar en estado líquido o gaseoso, o en solución, disueltos en algún solvente apropiado para que se produzca la reacción.
Para que estos cambios resulten, los choques tienen que ser eficientes para que se produzcan el rompimiento de los enlaces químicos existentes en los reactivos y que se reagrupen formando nuevos enlaces y dando por resultado los productos.
Ley de conservación de la masa o Ley de Lavoisier
Lavoisier, era un químico muy metódico cuando realizaba sus experimentos. Él utilizaba una balanza para medir las cantidades de sustancias que utilizaba; pudo observar que manteniendo ciertas condiciones de trabajo (realizaba las reacciones en frascos cerrados, donde no intervenían factores externos), cuando realizaba una reacción química, las masas de los productos era igual a la masa de los reactivos. O sea, que la masa del sistema final era igual a la masa del sistema inicial. A esto se lo llamo Principio de conservación de la masa o Ley de Lavoisier.
Ecuaciones químicas
Estas son las representaciones de lo que ocurre en una reacción química.
La forma correcta o general de escribir una ecuación de una reacción (independientemente del tipo de reacción que esta sea), es la siguiente:
| Reactivo 1 + Reactivo 2 ------à Producto 1 + Producto 2 |
En el caso que tengamos que representar una reacción reversible, en el lugar de la flecha que indica el sentido de la reacción, colocamos una flecha doble, indicando hacia un lado y hacia el otro.
Puede pasar que al escribir una ecuación, notemos que no se aplica la Ley de Lavoisier, por lo cual debemos balancearla o igualar. Para ello vamos a utilizar coeficientes que vamos a colocar por delante de los reactivos y los productos, hasta que nos indique la cantidad mínima de sustancia que es necesario para mantener la masa constante.
Ejemplo: en la ecuación siguiente vamos a representar la reacción química de los gases hidrógeno y oxígeno que se combinan para formar agua. Tenemos que tener en cuenta antes de escribir la ecuación, que la molécula de hidrógeno está formada por dos átomos y la de oxígeno, también.
H2 + O2 -----à H2O
Si observamos con atención, la ecuación no está balanceada. Entonces vamos a observar como balancearla. Podemos observar que por cada molécula de agua necesitamos 2 átomos de hidrógeno y 1 átomo de oxígeno, entonces para que la ecuación esté balanceada se necesitan 2 moléculas de hidrógeno.
2 H2 + O2 -----à 2 H2O
Ahora sí, podemos comprobar que esta balanceada.
Vamos a otro ejemplo, sabemos que la molécula de cloruro de hidrógeno es: HCl, entonces:
Cl2 + H2 ------à 2 HCl
La molécula de cloro está formada por dos átomos y la del hidrógeno, también está formado por dos átomos. Si observamos con detenimiento, vemos que esta ecuación está balanceada: 2 átomos de cloro por cada dos átomos de hidrógeno; tenemos la misma cantidad de átomos en los reactivos que en los productos, manteniendo así la masa que interviene, siempre y cuando la reacción se produzca en condiciones donde no intervenga ningún factor externo que pueda modificar esta relación.
Las reacciones químicas y la energía
Cuando hablamos de energía, hablamos de una magnitud física, por lo tanto podemos medirla. En cambio cuando hablamos de energía química, nos referimos a la energía que está contenida en las sustancias y que entran en juego durante una reacción.
Para que los enlaces de los reactivos se rompan y puedan formar nuevos compuestos combinándose de forma diferente y dar los productos, este sistema inicial debe absorber una determinada cantidad de energía para lograrlo; en forma simultánea se forman nuevas sustancias, productos, los cuales van a liberar esa energía para dar lugar a las nuevas uniones en el sistema final.
Entonces, como definición de energía química, vamos a decir que es:
El balance de la energía consumida y liberada durante la ruptura y formación de enlaces químicos.
Podemos clasificar a las reacciones de acuerdo a la energía.
Ahora dependiendo de la energía consumida y liberada, las reacciones pueden ser clasificadas de la siguiente forma:
· Endergónicas: es cuando la energía utilizada para romper los enlaces es mayor que la que se libera para la formación de los nuevos; absorbida > liberada.
· Exergónicas: es cuando la energía es mayor para la formación de los nuevos enlaces; absorbida < liberada.
También las podemos clasificar de acuerdo al intercambio de energía con el entorno, la cual se hace a través de la liberación de calor:
· Endotérmicas: cuando absorbe calor.
· Exotérmicas: cuando libera calor.
La unidad de medición para ésta es la Kcal o Kjoule (KJ).
1Kcal = 4,184 KJ
Se dice que: “la energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma”.
Cuando hablamos de “generar energía”, en realidad nos referimos de obtenerla a partir de la transformación de otra forma de energía.
Para entenderlo, veamos el siguiente ejemplo:
De una pila obtenemos energía eléctrica. En la pila hay sustancias que reaccionan y liberan energía química. A su vez cuando esa energía eléctrica atraviesa el filamento de una lámpara, se convierte en luz o sea energía lumínica, y otra parte pasa al ambiente en forma de calor o energía calórica.
O sea, partimos desde: energía química-à energía eléctrica -à energía lumínica -à energía calórica.
Las reacciones de combustión
La combustión es una clase de combinación química, en ella, los reactivos son la sustancia que se quema, o sea el combustible, y el oxígeno, que es el comburente (es quien ayuda a que la combustión se produzca).
Estas reacciones son muy exotérmicas, o sea que liberan mucha energía. Justamente por esto se las utiliza para generar energía que se aprovecha en distintas formas.
Existen dos tipos de combustión:
· Combustión completa
· Combustión incompleta.
Combustión completa
En general, las reacciones de combustión cotidianas se caracterizan por la presencia de una llama; el color de esta permite predecir qué productos son lo que están presentes en la combustión.
Vamos a ver las características de este tipo de combustión:
· La llama que vamos a apreciar es azul.
· Los productos que esta va a dar como resultado, en general, son: dióxido de carbono gaseoso y vapor de agua. Estos productos no son tóxicos.
· Por consecuencia de los productos que se obtienen se dice que este tipo de combustión es limpia o segura.
Ejemplo:
Vamos a ver la ecuación de la reacción de combustión del gas natural:
CH4 + 2 O2 ---------à CO2 + 2 H2O + 213 Kcal/mol
metano oxígeno dióxido de agua energía liberada
carbono
Otro ejemplo de este tipo de combustión es la que se produce con un soplete de acetileno (C2H2), que es otro hidrocarburo en estado gaseoso; para que la combustión sea posible, se lo mezcla con oxígeno puro.
2 C2H2 + 5 O2 ----------à 4 CO2 + 2 H2O + 312 Kcal/mol
En la ecuación podemos apreciar en qué proporción se combina cada uno de los reactivos, en la mínima proporción posible, pero a su vez nos indica cuanta cantidad de energía (en este caso calórica) es la 4
Combustión incompleta
Vamos a ver cuáles son las características de esta:
· La llama que se obtiene, es una llama amarilla brillante.
· Los productos que va a dar como resultado son: dióxido de carbono, agua, carbón u hollín, y monóxido de carbono.
· Gran parte de la energía liberada es lumínica, por eso son usadas muchas veces para obtener luz. La luz intensa se debe a que las pequeñas partículas de carbón que se forman durante la reacción se encuentran incandescentes, a la temperatura de la llama.
· Libera menos calor que la anterior.
Una reacción entre los mismos elementos, pero en distintas proporciones, va a dar distintos productos. Por eso para representar la reacción entre metano y oxígeno de una combustión incompleta, pueden ser dos diferentes ecuaciones, dependiendo del producto que den.
Para el metano, las ecuaciones de combustión incompleta son:
CH4 + O2 -----------à C + 2 H2O
En esta se obtiene como producto además del agua, carbón.
2 CH4 + 3 O2 -----------à 2 CO + 4 H2O
En esta se obtiene como producto además del agua, monóxido de carbono.
Los combustibles
Hay muchos materiales diferentes que se pueden utilizar como combustibles, pero no todos sirven para generar energía. Hay solventes derivados del petróleo que son muy peligrosos, ya que son muy volátiles, lo que significa que se evaporan muy rápidamente, y por consecuencia no sirven. Hay otros, como en el caso del papel, que se queman demasiado rápido y que generan mucha cantidad de humo y hollín. También están los plásticos, que generan sustancias tóxicas para las personas, y no entregan demasiada energía. Todos estos, tienen muchos usos, pero no sirven como combustibles.
Ahora, vamos a ver los que son más utilizados para generar algún tipo de energía.
· Hidrocarburos: hay en distintos estados de agregación.
§ Gaseosos: a temperatura ambiente, y se emplean en la red de gas domiciliaria.
§ Licuados: en garrafas y encendedores.
§ Líquidos: cómo las naftas o el gasoil.
§ Sólidos: cómo la parafina.
¿Qué es el calor de combustión?
El calor de combustión es el aumento de la energía del medio que rodea al combustible cuando se quema.
Se han podido tabular los calores de combustión de varios combustibles, los cuales fueron puestos en una tabla, y están consignados como una propiedad específica. Vamos a observar en la tabla siguiente, que algunos valores tienen signo negativo, esto indica que la reacción es exotérmica.
| Combustible | Calor de combustión (Kcal/kg) |
| Gas natural | -12.800 |
| Nafta | -11.000 |
| Etanol 96º | -6.740 |
| Hulla (carbón mineral) | -4.000 |
Reacciones ácido-base
Como bien podemos deducir por su nombre, una reacción ácido-base, es una reacción que se da entre reactivos, en los cuales uno tiene propiedades ácidas y el otro propiedades básicas.
A este tipo de reacciones, también son llamadas reacciones de neutralización, ya que las características ácidas de uno de los reactivos son neutralizadas con las características básicas del otro.
Vamos a ver un ejemplo:
Si hacemos reaccionar cal (CaO) y ácido clorhídrico (HCl (ac)), la cal tiene propiedades básicas y reacciona con el ácido, dando por resultado cloruro de calcio y agua.
Ahora veamos la ecuación que representa a esta reacción:
CaO + 2 HCl ----------à CaCl2 + H2O
Esta reacción es la que ocurre cuando se utiliza ácido muriático (ácido clorhídrico comercial), para limpiar manchas de cal, cuando hay trabajos de albañilería en una casa.
El cloruro de calcio que es el resultado de la reacción, es soluble en agua, es mucho más seguro limpiarlo.
Los antiácidos y el balance de pH en el estómago
En la página 28 ya hemos visto el concepto de pH, y que elementos podemos utilizar para determinarlo.
El ser humano dentro de su cuerpo, más específicamente dentro de su estómago, produce jugo gástrico, el cuál entre otras sustancias contiene ácido clorhídrico. El pH de este jugo es de aproximadamente 1.5; si observamos la escala, vemos que está dentro de los más ácidos.
Cuando se produce un exceso de ácido dentro del estómago, lo que en otras cosas puede dar dolor, inflamación, una forma de reducir temporalmente la concentración de ácido, es tomando un antiácido. Es un producto que contiene sustancias con características básicas, neutralizando así el excedente de ácido.
En la imagen anterior, podemos observar el rango completo de pH, y los valores de este para ciertas sustancias conocidas y habituales en una casa.
Reacciones de óxido-reducción o redox
Se las clasifica así a todas las reacciones en las que alguno de los elementos modifica su número de oxidación.
Cuando vimos que las sustancias se podían clasificar según el enlace entre sus moléculas, vimos el enlace iónico, en donde ocurre una síntesis de sustancias iónicas; en el caso de las sustancias covalentes, también son reacciones redox, aunque no se formen iones.
Vamos a ver ejemplos de éstas:
· Síntesis del amoníaco.
N2 + 3 H2 ------------à 2 NH3
0 0 -3 +1
- Descomposición del cloruro de sodio. El cloro y el sodio, no existen como sustancias simples en la naturaleza, sino que se las obtiene por descomposición del cloruro de sodio. La ecuación de esta reacción es la siguiente.
2 NaCl ------------à 2 Na + Cl2
+1 -1 0 0
Agentes oxidantes y reductores
Los procesos redox son simultáneos, quiere decir, que el elemento que se reduce, provoca que el otro elemento se oxide, lo que implica que la especie química que lo contiene se la denomine agente oxidante; de la misma manera, el elemento que se oxida, provoca que el otro se reduzca, y por eso a la especie química que lo contiene se lo llama agente reductor.
Aprovechamiento de las reacciones redox
Aunque no parezca, las reacciones redox, son más comunes de lo que podemos pensar. Algunos de ellos son espontáneos, y el ser humano está involucrado, por ejemplo en la respiración o en la digestión; en las plantas, es el caso de la fotosíntesis. También se pueden observar en procesos provocados, como es el caso de las pilas y las baterías. También en procesos para minimizar la corrosión del hierro.
Las pilas y las baterías
Se puede generar corriente eléctrica, poniendo en contacto sustancias que producen una reacción redox espontánea, la que provoca movimiento de electrones.
Las pilas es un ejemplo de esto. En ellas hay una especie química que se oxida, perdiendo de esta forma electrones y otra que se reduce, tomando esos electrones. Cuando las pilas son utilizadas en algún artefacto, como por ejemplo una linterna, lo que se provoca es que esos electrones circulen por un circuito. Cuando la linterna se apaga, se abre el circuito y la reacción se detiene, y los electrones dejan de circular.
Las baterías son un grupo de pilas conectadas entre sí, que generan más energía eléctrica.
Velocidad de una reacción
¿Qué es la velocidad de una reacción?
Es el tiempo que tarda en producirse una reacción química.
Hay una parte de la química que estudia la velocidad de las reacciones químicas, se llama cinética química.
La velocidad de una reacción, se puede cuantificar midiendo el tiempo que tardan en aparecer los productos o en desaparecer los reactivos.
La velocidad de una reacción no permanece constante, sino que disminuye con el tiempo, a medida que los reactivos se van consumiendo.
Hay factores que pueden afectar la velocidad:
· Tamaño de las moléculas: cuanto más grandes son las moléculas, tiene más probabilidad de chocar entre sí, pero al ser más grandes son más pesadas, lo que implica que su desplazamiento en las mismas condiciones es menor.
· Intensidad de las uniones químicas: cuanto más fuertes sean las uniones entre los átomos, más estable es la sustancia lo que implica que es menos reactiva.
· Forma y orientación de las moléculas: algunas moléculas tienen una forma que favorece que un mayor porcentaje de los choques sean efectivos. En el caso de moléculas complejas, la manera en que están orientadas en el momento del choque puede determinar la eficacia de esa colisión, es decir, la ruptura de los enlaces.
· Efecto de la temperatura: la velocidad de una reacción aumenta al aumentar la temperatura y viceversa.
Cuando entregamos calor a un sistema, la energía cinética y velocidad de sus partículas aumentan, por consecuencia aumentará la temperatura de ese sistema. Al aumentar la energía cinética de las moléculas es mayor la probabilidad de que se produzcan de los enlaces químicos, lo suficientemente energéticos para provocar la ruptura de los enlaces.
§ La energía térmica: es la energía cinética (relacionada con el movimiento) media de un conjunto muy grande de átomos o moléculas. Esta energía cinética media depende de la temperatura, que se relaciona con el movimiento de partículas (átomos y moléculas) que constituyen las sustancias.
§ La temperatura: es la medida de la energía térmica de una sustancia. Se mide con un termómetro. Las escalas más empleadas para medir esta magnitud son la escala Celsius (o centígrado) y la escala Kelvin. 1ºC es lo mismo que 1K, la única diferencia es que el 0 en la escala Kelvin está a -273 ºC.
En la escala Celsius se asigna el valor 0 (0ºC) a la temperatura de congelación del agua y el valor 100 (100ºC) a la temperatura de ebullición del agua. El intervalo entre estas dos temperaturas se divide en 100 partes iguales, cada una de las cuales corresponde a 1 grado.
En la escala Kelvin se asignó el 0 a aquella temperatura a la cual las partículas no se mueven (temperatura más baja posible). Esta temperatura equivale a -273ºC de la escala Celsius.
§ El calor: es la transferencia de energía desde un cuerpo que se encuentra a mayor temperatura hasta otro que se encuentra a menor temperatura. Cuando ambos cuerpos igualan sus temperaturas se detiene la transmisión de energía.
· Efecto del estado de los reactivos: estos deben poder desplazarse fácilmente; en general las reacciones se producen en soluciones acuosas o en fases gaseosas. Ahora, si tenemos reactivos que se encuentran en estado sólido o son líquidos inmiscibles se puede lograr la reacción achicando el tamaño de las partículas o agitando la muestra. En estos casos debemos aumentar la superficie de contacto para lograr que se produzca la reacción.
· Efecto de la concentración de los reactivos: cuando los reactivos a utilizar se encuentran en forma concentrada (o sea que el reactivo se presenta en mayor proporción con respecto al producto listo para usar). En estos casos lo que se hace es realizar una disolución en agua, y la velocidad de que estos reaccionen va a depender de la cantidad de partículas disueltas en esta.
· Efecto de la presión en reacciones en fase gaseosa: para lograr que reactivos en este estado reaccionen a mayor velocidad, se aumenta la presión logrando una disminución de su volumen, y por ende la concentración de ellos.
· Efecto de los catalizadores: estos son sustancias que intervienen en las reacciones, logrando acelerarlas o retardándolas dependiendo de la necesidad de éstas. El uso de catalizadores, en muchos casos es importante, ya que sin estos algunas reacciones no son posibles. Las características principales son:
· Actúan encontrándose en una pequeña proporción, comparada con la cantidad de reactivos.
· No se consumen durante el proceso, lo que implica que se los recupera al final de la reacción.
· Son muy específicos, es decir, funcionan en un pequeño número de reacciones, en ocasiones, en una única reacción.
Tipos de catalizadores:
§ Catalizadores homogéneos: tienen el mismo grado de agregación de los reactivos. En este tipo de reacciones, los catalizadores intervienen como reactivos en alguna de estas etapas, pero se regeneran, es decir son productos, en alguna otra etapa del proceso.
§ Catalizadores heterogéneas: también llamados de contacto, son sólidos que catalizan reacciones en medio líquido o gaseoso. No reaccionan químicamente con los reactivos, sino que absorben las moléculas de esas sustancias en su superficie. Al adherirse una sustancia a la superficie de otra, parece que haría que los enlaces se debilitaran y así permitirían su rompimiento.
§ Enzimas: son sustancias presentes en los seres vivos que permiten que se produzcan los procesos vitales.
§ Fermentaciones: también son procesos por el cual a través del agregado de enzimas se permiten las reacciones.
Equilibrio químico
Estudiemos una reacción genérica como la siguiente:
A + B ----à C + D
A medida que la reacción progresa, disminuye el número de moléculas de los reactivos y aumenta el número de las de los productos. Como los productos no reaccionan entre sí, la reacción continúa hasta que las moléculas de reactivos se consuman. Este tipo de reacción se denomina irreversible.
Si en cambio las moléculas de productos pueden reaccionar entre sí, la reacción avanzará hacia la derecha mientras la concentración de las moléculas de reactivos sea importante, a medida que comiencen a formarse moléculas de productos, la velocidad de reacción disminuirá hasta que la concentración de productos sea tal que la reacción comenzará a desplazarse hacia la izquierda, hasta que se establezca un punto de equilibrio, donde ambas velocidades se equilibran, y en el cual coexistirán moléculas tanto de los reactivos como de los productos. Este tipo de reacciones se denominan reversibles, y se representan con flecha de ida y vuelta.
A + B ß-à C + D
Un ejemplo de este caso es el siguiente:
CH3-COOH + CH3OH ß--à CH3-CO-O-CH3 + H2O
Ác. Etanoico + metanol ß--à etanoato de metilo + agua
Principio de Le Châtelier
Si sobre un sistema en equilibrio, una acción exterior produce una modificación, el sistema reacciona en forma tal de contrarrestar u oponerse a esa modificación.
Analicemos este principio con la reacción:
A + B ß--à C + D
· Los efectos de la concentración: el aumento de las concentraciones de A y B, produce más C y D para contrarrestar el aumento de A y B. Ocurre en el caso inverso.
· Los efectos de la presión: en el caso de que A o B sean gases, el aumento de presión, el sistema reaccionará disminuyendo su volumen para contrarrestar el aumento de presión, con lo cual la reacción se desplazará hacia la derecha.
Los efectos de la temperatura: si la reacción entre A y B libera calor (exotérmica), y retiramos las calorías producidas, el sistema reaccionará produciendo más calor para contrarrestar la pérdida, con lo cual la reacción se desplazará hacia la derecha. Si por el contrario, le entregamos calorías, el sistema contrarrestará la modificación desplazándose hacia la izquierda.
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