CAMBIOS QUÍMICOS DE LA MATERIA
En la naturaleza y en la vida diaria, nos encontramos
constantemente con fenómenos
físicos y con fenómenos químicos.
Fenómeno físico es aquel que ocurre sin
que haya transformación de la materia involucrada. En otras palabras, cuando se
conserva la sustancia original. Ejemplos: cualquiera de los cambios de estado de la materia y
también acciones como patear una pelota, romper una hoja de papel. En todos los
casos, encontraremos que hasta podría cambiar la forma, como cuando rompemos el
papel, pero la sustancia se conserva, seguimos teniendo papel.
Fenómeno químico es aquél que, al ocurrir, tiene como resultado una
transformación de materia. En otras palabras, cuando no se conserva la
sustancia original. Ejemplos: cuando quemamos un papel, cuando respiramos. En
todos los casos, encontraremos que las sustancias originales han cambiado,
puesto que en estos fenómenos es imposible conservarlas. Para entender
claramente la diferencia entre fenómeno físico y fenómeno químico veremos lo
que ocurre en un proceso natural como la fotosíntesis.
El origen de una nueva sustancia, como el óxido de hierro en
nuestro ejemplo, significa que ha ocurrido un reordenamiento de los
electrones dentro de los átomos, y se han creado nuevos enlaces químicos.
La mayoría de los cambios químicos son irreversibles. Al quemar un
trozo de madera ya no podremos volver a obtenerlo a partir de las sustancias en
que se ha convertido: cenizas y gases.
Sin embargo, hay otros cambios químicos en que la adición de otra
sustancia provoca la obtención de la sustancia original y en ese caso se trata
de un cambio químico reversible. Así, pues, para producir un cambio químico
reversible hay que provocar otro cambio químico
¿QUE
ES UNA REACCION QUIMICA?
Una reacción química consiste en el cambio de una o mas sustancias en
otra(s). Los reactantes son las sustancias involucradas al inicio de
la reacción y los productos son las sustancias que resultan de la
transformación. En una ecuación química que describe una reacción,
los reactantes, representados por sus fórmulas o símbolos, se ubican a la
izquierda de una flecha; y posterior a la flecha, se escriben los
productos, igualmente simbolizados. En una ecuación se puede indicar los
estados físicos de las sustancias involucradas de la manera siguiente: (s) para
sólido, (l) para líquido, (g) para gaseoso y (ac) para soluciones
acuosas. Los catalizadores, temperaturas o condiciones especiales
deben especificarse encima de la flecha.
Ecuación
Química: representa la transformación de sustancias.
Reactante(s) Producto(s)
|
Una reacción
química se representa mediante una ecuación química. Para leer o
escribir una ecuación química, se deben seguir las siguientes reglas:
Las fórmulas
de los reactivos se escriben a la izquierda, y las de los productos a la
derecha, separadas ambas por una flecha que indica el sentido de la reacción.
A cada lado
de la reacción, es decir, a derecha y a izquierda de la flecha, debe existir el
mismo número de átomos de cada elemento.
Estequiometria
de la reacción química
Las transformaciones que ocurren en una reacción quimica se rigen
por la Ley de la conservación
de la masa: Los átomos no se crean ni se destruyen
durante una reacción química.
Por lo tanto una ecuación química ha de tener el mismo
número de átomos de cada elemento a ambos lados de la flecha. Se
dice entonces que la ecuación está balanceada.
2H2
|
+
|
O2
|
2H2O
|
|
Reactivos
|
Productos
|
|||
4H
|
y
|
2O
|
=
|
4H
+ 2O
|
Ejemplo 1: Consideremos la reacción de combustión del metano gaseoso (CH4)
en aire.
Paso 1: Sabemos que en esta
reacción se consume (O2) y produce agua (H2O) y dióxido
de carbono (CO2).
Luego: Los reactivos son CH4 y O2,
y los productos son H2O y CO2
Paso 2: la ecuación química
sin ajustar será:
Paso 3: Ahora contamos los
átomos de cada reactivo y de cada producto y los sumamos:
Entonces, una molécula de metano reacciona con dos moléculas de oxígeno para
producir dos moléculas agua y una molécula de dióxido de carbono.
CÁLCULO DE
LA MASA Y EL VOLUMEN A PARTIR DE ECUACIONES QUÍMICAS
Las
ecuaciones químicas permiten calcular, a partir de una cantidad determinada de
alguno de los reactivos y productos que intervienen en una reacción, la
cantidad necesaria del resto de los componentes de la misma.
Cálculos
masa - masa
En este
caso aprovechamos de la relación que hay
entre cantidad de sustancia (en mol), masa de sustancia y masa molar, tal
como indica la relación:
cantidad
de sustancia =
|
masa en
gramos
|
;
n (mol) =
|
m(g)
|
masa molar
|
M (g/mol)
|
Cálculos
volumen - volumen
La ley de Avogadro dice lo siguiente:
Volúmenes iguales de diferentes gases en las mismas
condiciones de presión y temperatura, contienen el mismo número de partículas
|
Esta ley
implica que números iguales (por ejemplo, un mol) de partículas, átomos o
moléculas, ocupan el mismo volumen, lo cual es muy útil para realizar
cálculos de volúmenes en aquellas reacciones en las que intervengan gases.
Tipos de reacciones químicas
Es necesario reconocer, que una reacción química sólo puede
corresponder a un fenómeno químico que se verifique en condiciones adecuadas;
es decir, no se debe proponer una reacción química inventada o que no sea
una reacción real
Las reacciones
químicas se pueden clasificar
en los siguientes tipos:
·
Reacciones
de Síntesis o Composición
En estas reacciones, dos o más elementos o compuestos se combinan,
resultando en un solo producto.
Síntesis
Química: la combinación de dos o mas sustancias para formar un solo
compuesto.
A + B C
(donde A y B pueden ser elementos o compuestos)
|
Ejemplo:
Escribir la reacción de síntesis
entre el aluminio y el oxígeno.Dos elementos se combinarán para formar el
compuesto binario correspondiente. En este caso, el aluminio y el
oxígeno formarán el óxido de aluminio.
4 Al (s) + 3 O2 (g) 2 Al2O3 (s)
·
Reacciones de Descomposición o Análisis
Estas reacciones son inversas a la síntesis y son aquellas en la cuales se
forman dos o más productos a partir de un solo reactante, usualmente con la
ayuda del calor o la electricidad.
Descomposición
Química: la formación de dos o mas sustancias a partir de un solo compuesto.
A B + C
(donde B y C pueden ser elementos o compuestos)
|
Ejemplo:
Escribir la ecuación que representa
la descomposición del óxido de mercurio (II).
Un compuesto binario se descompone en los elementos que lo
conforman. En este caso, el óxido de mercurio (II) se descompone
para formar los elementos mercurio y oxígeno.
2 HgO (s) 2 Hg (l) + O2 (g)
·
Reacciones de Desplazamiento o Sustitución Sencilla
Estas reacciones son aquellas en las cuales un átomo toma el lugar de otro
similar pero menos activo en un compuesto. En general, los metales
reemplazan metales (o al hidrógeno de un ácido) y los no metales reemplazan no
metales. La actividad de los metales es la siguiente, en orden de
mayor actividad a menor actividad: Li, K, Na, Ba, Ca, Mg, Al, Zn, Fe, Cd, Ni,
Sn, Pb, (H), Cu, Hg, Ag, Au. El orden de actividad de los no metales
mas comunes es el siguiente: F, O, Cl, Br, I, siendo el flúor el más
activo.
Desplazamiento
Químico: un elemento reemplaza a otro similar y menos activo en un compuesto.
AB +
C CB
+ A ó AB + C AC + B
(dónde C es un elemento más activo que un metal A o
un no metal B)
|
Ejemplo 1:
Escribir la reacción entre el magnesio y una solución de sulfato de cobre (II).
El magnesio es un metal más activo que el cobre y por tanto, lo reemplazará
en el compuesto, formando sulfato de magnesio. A la vez, el cobre
queda en su estado libre como otro producto de la reacción.
Mg (s) + CuSO4 (ac) MgSO4 (ac) + Cu
(s)
·
Reacciones de Doble Desplazamiento o Intercambio
Estas reacciones son aquellas en las cuales el ión positivo (catión) de un
compuesto se combina con el ión negativo (anión) del otro y viceversa, habiendo
así un intercambio de átomos entre los reactantes. En general, estas
reacciones ocurren en solución, es decir, que al menos uno de los reactantes
debe estar en solución acuosa.
Doble
Desplazamiento Químico: los reactantes intercambian átomos – el catión de uno
se combina con el anión del otro y viceversa.
AB + CD AD + CB
|
Ejemplo:
En esta reacción, la plata reemplaza al hidrógeno del ácido, formando
cloruro de plata. Al mismo tiempo, el hidrógeno reemplaza a la
plata, formando ácido nítrico con el nitrato. La ecuación que
representa la reacción es la siguiente:
AgNO3 (ac)
+ HCl (ac) HNO3 (ac) + AgCl
(s)
Combustión:
un hidrocarburo orgánico reacciona con el oxígeno para producir agua y
dióxido de carbono.
hidrocarburo + O2 H2O
+ CO2
|
Ejemplo:
Escriba la ecuación que representa la reacción de combustión de la glucosa,
el azúcar sanguíneo (C6H12O6).
En esta reacción, la glucosa es un hidrocarburo que reacciona con el
oxígeno, resultando en los productos de la combustión – el agua y el dióxido de
carbono.
C6H12O6 + O2 H2O + CO2
La combustión de la glucosa en el cuerpo humano. La glucosa, procedente de la digestión de ciertos alimentos o de la transformación de otras sustancias, reacciona con el oxígeno presente en las células, produciendo CO2, agua y liberando energía. Esta reacción es lo que se conoce como respiración, cuya importancia no es necesario recordar.
·
Neutralización
Cuando entran en reacción un ácido (por ejemplo, HCl) y una base (NaOH), el primero se disocia liberando H+ y Cl-, mientras que el segundo se disocia en Na+ y OH-. Los iones Cl- y Na+ se unen formando una nueva sustancia neutra (en este caso NaCl), llamada sal y los iones H+ y OH- se unen por su parte para forman H2O, es decir, agua.
acido + base → sal + agua
|
· La combustión
La combustión es el proceso químico por el cual una sustancia, llamada combustible, reacciona con el oxígeno. En general, esta reacción es fuertemente exotérmica, desprendiéndose energía en forma de calor, luz o sonido.
Reacciones de combustión particularmente importantes son:
La combustión del carbono. Su ecuación química es la siguiente: C(s) + O2(g) → CO2(g). El producto es dióxido de carbono y se desprende energía lumínica y calorífica.
La combustión de hidrocarburos (compuestos cuya base es carbono e hidrógeno). En esta reacción se forma CO2 y vapor de agua. Es la reacción que tiene lugar en la combustión de los combustibles fósiles (carbón y petróleo), fuente básica de obtención de energía en nuestra sociedad. Un ejemplo de esta reacción es la combustión del metano:
CH4(g) + 2O2(g) → CO2 (g) + 2 H2O (g)
|
IMPORTANCIA
DE LAS REACCIONES QUÍMICAS
Estamos
rodeados por reacciones químicas; tienen lugar en laboratorios, pero también en
fábricas, automóviles, centrales térmicas, cocinas, atmósfera, interior de la
Tierra... Incluso en nuestro cuerpo ocurren miles de reacciones químicas en
cada instante, que determinan lo que hacemos y pensamos.
De toda la
variedad de reacciones posibles, las
de neutralización y las de combustión son las más utilizadas. Pero antes de
verlas, es necesario conocer y dominar el concepto de ácido y base.
Ácidos y
bases: Las
características de los ácidos y las bases se resumen en el siguiente cuadro:
Ácidos
|
Bases
|
|
▪Tienen
sabor agrio (ácido).
|
▪Tienen
sabor amargo.
|
|
▪Reaccionan
con ciertos metales, como Zn, Mg o Fe, para dar hidrógeno
|
▪Reaccionan
con las grasas para dar jabones.
|
|
▪Reaccionan
con las bases para dar sales
|
▪Reaccionan
con los ácidos para dar sales.
|
|
Son
sustancias ácidas: el ácido clorhídrico (HCl); el ácido bromhídrico (HBr); el
ácido nítrico (HNO3); el ácido carbónico (H2CO3)
y el ácido sulfúrico (H2SO4), entre otros
|
Son sustancias
básicas el hidróxido de amonio o amoniaco disuelto en agua (NH4OH);
y los hidróxidos de los metales alcalinos (LiOH, NaOH, KOH,...) y
alcalinotérreos, como el Ca(OH)2, y Mg(OH)2, entre
otros
|
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