Las reacciones químicas

Conceptos e importancia

La materia puede sufrir cambios físicos, químicos y nucleares. Los cambios químicos suceden mediante las reacciones químicas, y estas se representan mediante las ecuaciones químicas.

Las reacciones químicas suceden a cada segundo y en todo el universo. Las mismas tienen di- versas importancias y pueden ser de diferentes tipos; estas reacciones suceden en el aire, en el suelo, en los vegetales, en los animales, en los humanos, en la cocina, en automóviles, etc. Son ejemplos de reacciones químicas la respiración, la fotosíntesis, el metabolismo, la reproducción, el crecimiento, la formación de óxidos, de hidróxidos, de ácidos, de sales, de rocas y suelo, etc.

Sin embargo, para que se realice una reacción química es necesaria la presencia de una o más sustancias, para que se descomponga o se combinen y así formar las o la nueva sustancia.

– Conceptos de reacción química.

* Son los cambios, reacomodos o reorganizaciones que sufren los átomos de las sustancias o elementos que se combinan para producir nuevas sustancias.

* Es el rompimiento de viejos enlaces químicos para formar nuevos enlaces, y así nuevas sustancias.

* Es el proceso mediante el cual una o más sustancias combinadas se transforman en otra u otras, con propiedades diferentes.

* Proceso en el que a partir de una o mas sustancias se originan otras nuevas.

– Importancia de las reacciones químicas.

Hablar de reacciones químicas es hablar de cambios, los cuales suceden a cada momento y en todas partes, por lo que su estudio es de vital importancia. Entre las importancias están:

* Mediante ellas se producen nuevos compuestos, como medicinas.

* Los seres se mantienen vivos gracias a ellas, es el caso de la digestión, la fotosíntesis y la respiración.

* En el medio ambiente ocurre la combustión (el fuego para diversos usos).

Representación de las reacciones químicas

En realidad, las reacciones químicas no se pueden ver a simple vista, es decir, el hombre no puede ver los cambios que suceden al momento de combinar dos o más sustancias, pero si sabe lo que sucede, y, por lo tanto, puede escribir tales cambios mediante una ecuación química.

Una ecuación química es " la representación gráfica (por escrito) de una reacción química", es decir, las reacciones químicas se representan por medio de las ecuaciones químicas, mismas que están formadas por varias partes, las que se agrupar de dos maneras:

a. Reactivos y productos. Las sustancias que se combinan se llaman reactivos, y se localizan a la izquierda de la ecuación; y a las sustancias que resultan de tal combinación se les nom –

bra productos(sustancias nuevas), localizadas a la derecha de la ecuación. Por ejemplo, cuando el Hidrogeno se combina con Oxigeno(reactivos) reaccionan y originan una nueva sustan

cia llamada agua (producto);esta reacción química se puede representar mediante una ecuación química denominada ecuación del agua, así:

Observe que los reactivos siempre se colocan a la izquierda de la flecha (que significa "se origina o produce"), y los productos a la derecha de la misma. Otro ejemplo de ecuación es la del óxido de magnesio:

b. Símbolos y números. Otra manera de dividir a las partes de una ecuación es en símbolos

y números. En una ecuación existen tres tipos de símbolos:

En cuanto a los números, existen dos tipos de ellos en una ecuación:

– Enteros y grandes, llamados coeficientes.

– Enteros y pequeños, llamados sub-índices.

El coeficiente es el número grande que va situado por delante de todos los símbolos de una formula, e indica la cantidad de moléculas de la sustancia de que se trate; cuando no aparece

un coeficiente en la fórmula es porque se supone que es uno (1), el cual no se escribe, lo que también se aplica para el sub-índice. Cuando el coeficiente se multiplica por el sub-índice resulta el total de átomos del elemento químico que lo lleva en la formula, esto es que, el coeficiente afecta a todos los sub-índices de una formula.

Respecto al sub-índice, este es un número pequeño que se localiza en la parte inferior derecha de cada símbolo químico e que indica la cantidad de átomos del elemento. Así mismo,

cuando en el símbolo químico no aparece el sub-índice es porque se supone que es uno(1), el cual no se escribe. Observe los símbolos y números en la siguiente ecuación del agua:

a. La o las nuevas sustancias que se forman (productos) suelen presentar un aspecto totalmente diferente del que tenían las sustancias originales (reactivos).

b. Durante las reacciones se desprende o se absorbe energía, por lo que estas pueden dividirse en exotérmicas (desprenden energía en el curso de la reacción), y endotérmicas (absorben e-

nergía durante el curso de la reacción).

c. Se cumple la ley de conservación de la masa: "la suma de las masas de los reactivos es igual a la suma de las masas de los productos". Esto es así porque durante la reacción los átomos ni aparecen ni desaparecen, sólo se reordenan para formar las nuevas sustancias.

d. Las reacciones alteran la estructura interna de los reactivos.

Clasificación de las reacciones químicas (tipos)

Todas las reacciones químicas existentes se pueden clasificar de diversas maneras, por ejemplo, algunos autores las clasifican en dos grandes grupos: reacciones de neutralización (acido -base) y reacciones de oxidación-reducción (redox); otros autores las clasifican en un solo grupo como reacciones generales, y así existen otras clasificaciones. He aquí todos estos grupos de re –acciones:

a. Reacciones de energía. Estas son de dos tipos:

– Reacciones exotérmicas. Son aquellas que liberan o pierden calor, por ejemplo las reacciones de combustión, que por desprender energía se utilizan como fuente de esta. En la combustión los reactivos son el combustible y el oxígeno del aire, y los productos suelen ser, aunque no siempre, dióxido de carbono y vapor de agua. Ejemplos:

Otros ejemplos de reacciones que desprenden energía o calor son: el paso de gas a líquido (condensación) y el paso de líquido a solido (solidificación).

– Reacciones endotérmicas. Estas reacciones necesitan calor para que se lleven a cabo. En ellas los productos tienen más energía que los reactivos. Un ejemplo de reacción endotérmica es la producción del ozono (O3). Esta reacción ocurre en las capas altas de la atmósfera, en donde las radiaciones ultravioleta proveen la energía del Sol. También ocurre cerca de descargas eléctricas (cuando se producen tormentas eléctricas). Hornear pan, calentar una tortilla y hervir agua requieren de energía (calor).

b. Reacciones de proceso. Que pueden ser de dos tipos:

– Reacciones reversibles. Son aquellas en donde los productos que se forman pueden regresar a sus estados o sustancias originales (reactivos). Este concepto está plasmado en aquellas ecuaciones que presentan dos flechas en sentido opuesto.

– Reacciones irreversibles. Los productos que se forman no pueden volver a sus estados o sustancias originales.

c. Reacciones de velocidad. Se clasifican en:

– Reacciones rápidas. En estas se forma una elevada cantidad de producto, en relación al tiempo en que se realizó la reacción.

– Reacciones lentas. La cantidad de producto formado es muy pequeña, siempre en relación al tiempo.

d. Reacciones REDOX. Son aquellas en las que algunos elementos químicos cambian su número de oxidación. Dicho de otro modo, una de las sustancias a combinar perderá o cederá electrones y la otra sustancia a combinar los ganara o aceptara tales electrones. Por lo tanto, estas reacciones son de dos tipos:

e. Reacciones de enlace.

– Reacciones iónicas. En la combinación de sustancias hay ganancia y pérdida de electrones.

– Reacciones covalentes. Las sustancias combinadas comparten sus electrones.

f. Reacciones generales. Es la clasificación más utilizada, y pueden ser:

– Reacciones de síntesis o combinación. Es cuando dos o más elementos y/o sustancias se

combinan para formar una nueva sustancia y más compleja.

– Reacciones de descomposición. Una sustancia compleja se descompone en las sustancias simples que la forman.

– Reacciones de desplazamiento sencillo. Una sustancia simple reacciona con una sustantancia compleja, provocando en esta la separación de uno de sus componentes. En otras palabras, un elemento químico libre sustituye a otro que está formando parte de un compuesto.

– Reacciones de doble desplazamiento. Dos sustancias compuestas o complejas reaccionan entre si, provocándose la separación e intercambio de alguno de sus componentes. Es decir,

dos sustancias complejas intercambian elementos químicos.

Cuadro resumen de las reacciones químicas generales.

La energía de las reacciones

El hombre ha utilizado las reacciones químicas para producir energía; por ejemplo, utiliza la combustión de madera o de carbón, invento los motores de explosión de los coches, llegando hasta las más sofisticadas, que tienen lugar en los motores de propulsión de las naves espaciales.

Figura 1

   Se sabe que las reacciones químicas van acompañadas en unos casos de un desprendimiento de energía, y en otros de una absorción de la misma. En el primer caso se denominan reacciones exotérmicas y en el segundo caso reacciones endotérmicas; así, las reacciones implican un intercambio de energía con su medio. La energía de cualquier sustancia química está formada por su energía cinética y potencial, y es – tas están localizadas en sus partículas constituyentes: átomos, electrones y núcleos. Por tanto, se puede afirmar que los reactivos de una re acción química poseen cierta cantidad de energía propia (energía in – terna), y que los productos poseen otra cantidad diferente.

Figura 2

La energía desprendida o absorbida puede ser en forma de energía luminosa, eléctrica, etc., pero habitualmente se manifiesta en forma de calor, por lo que el calor desprendido o absorbido en una reacción química se llama calor de reacción y tiene un valor característico para cada reacción, en unas determinadas condiciones de presión y temperatura.

Para llevarse a cabo, muchas reacciones químicas absorben energía de la luz solar como es el caso de la fotosíntesis, que es catalogada como una reacción endotérmica. En general, si el lugar donde se lleva a cabo una reacción química esta frio, luego esta reacción absorbió la energía del medio; si por el contra rio el lugar está caliente, entonces la reacción desprendió calor.

Figura 3

Velocidad de reacción

En la mayoría de los casos interesa acelerar las reacciones químicas, como por ejemplo en la fabricación de productos, en la curación de heridas o enfermedades, en la maduración de los frutos, en el crecimiento de las plantas, etc. Pero existen casos en que interesa retardar las reacciones químicas, para el caso,

la corrosión de los materiales de hierro y otros metales, en la descomposición de alimentos, en el retraso de la caída del cabello y de la vejez, etc.

Las industrias se interesan grandemente en que las reacciones químicas se lleven a cabo rápidamente, para así ahorrar tiempo y dinero. La Química estudia este aspecto, el de la velocidad de las reacciones, mediante una de sus ramas llamada cinética química.

Una reacción química necesita tiempo para que se lleve a cabo. Cuando se combinan 2 o más sustancias, estas pueden reaccionar en forma rápida o lenta para formar los productos o las sustancias nuevas, por lo cual las reacciones se dividen también en reacciones rápidas y reacciones lentas. En base a lo anterior, surge el término de tiempo de reacción, que se define como el tiempo en el que transcurre una reacción química.

La velocidad de una misma reacción química varia conforme avanza el tiempo, es decir, la ve locidad no es constante, no es la misma durante se lleva a cabo la reacción. Ahora bien, si relacionamos el tiempo de la reacción con las cantidades de los reactivos y productos, entonces resulta un nuevo concepto: el de velocidad de reacción, el que se define de las maneras siguientes:

– Es la velocidad a la que se forman los productos en una reacción química.

– Es la velocidad a la que se gastan los reactivos en una reacción química.

– Es la cantidad de una sustancia que se transforma en una reacción química en la unidad de tiempo.

Lo anterior significa que, en una reacción química una cierta cantidad de reactivos produce otra cierta cantidad de productos en menor o mayor tiempo, lo cual depende de la velocidad con que se lleve a cabo la reacción. La reacción se califica de rápida cuando los reactivos se gastan o consumen en menos tiempo, o bien cuando los productos se forman de prisa.

Son ejemplos de reacciones rápidas y lentas las siguientes:

– Un trozo de carne se descompone rápidamente a temperatura ambiente, y lentamente en la refrigeradora.

– Los materiales de hierro se oxidan más rápido que los materiales de aluminio.

– La formación de agua es más rápida que la del petróleo.

– Ocurre más rápido la formación de óxido de sodio (Na2O) que la de óxido de hierro (Fe2O3).

– La combustión de un pedazo de papel sucede más rápido que la digestión humana.

Científicamente se ha demostrado que una reacción, ya sea rápida o lenta (velocidad de reacción), se ve afectada o depende de cuatro situaciones: la naturaleza de los reactivos, concentración de los reactivos, la temperatura y de la presencia de catalizadores.

– Naturaleza de los reactivos.

Esto se refiere a la capacidad que tiene una sustancia para combinarse con otra y así formar nuevas sustancias, o bien, a la facilidad con que una sustancia se descompone en otras más simples. Las sustancias gaseosas reaccionan más rápido que los liquidos y los sólidos, en este orden. Así mismo, las sustancias que presentan enlaces iónicos reaccionan más rápido que aquellas que presentan enlaces covalentes.

Las reacciones iónicas se efectúan inmediatamente, debido a las frecuentes colisiones entre los iones con cargas opuestas.

– Concentración de los reactivos.

Se entiende por concentración a la cantidad de sustancia existente en un determinado volumen. Por ejemplo, en un litro de agua existen 2 gramos de azúcar de mesa, y en otro litro de agua existen 50 gramos de la misma sustancia; en este último caso la concentración de azúcar es mayor, pues hay una mayor cantidad de esta sustancia por litro de agua (volumen). En muchas reacciones, las distintas sustancias que intervienen (reactivos y productos) suelen formar una mezcla homogénea, cuya cantidad se puede medir en unidades de nominadas mol.

En la mayoría de los casos una reacción química aumenta su rapidez al incrementarse la concentración de uno o más de sus reactivos. Al aumentar la concentración de un reactivo aumenta también el número de sus partículas (moléculas) en el medio de la reacción. La velocidad es mayor al comienzo de la reacción, pues hay una mayor concentración de reactivos, pero cuando estos disminuyen con el tiempo entonces disminuye la velocidad de reacción; por lo tanto, a mayor concentración de los reactivos se mejora la rapidez de la reacción.

"La velocidad de una reacción química es proporcional a la concentración en moles por litro (moles/litro), de las sustancias reaccionantes". Esto significa que, si duplicamos la concentra – ción de los reactivos entonces la velocidad de la reacción se duplica. Así mismo, al aumentar la presión en dos sustancias gaseosas que van a reaccionar entonces se aumenta su concentración y por lo tanto se aumenta la velocidad de reacción.

– Temperatura.

Se dice que "la velocidad de una reacción crece, en general, con la temperatura y se duplica, aproximadamente, por cada 10 °C que aumenta la temperatura". En forma breve, al incrementarse la temperatura se aumenta la velocidad de las reacciones químicas.

Figura 4

Por ejemplo, el cloruro de sodio reacciona lentamente con el ácido sulfúrico; si se le proporciona calor aumenta la velocidad de reacción dando sulfato de sodio (Na2SO4) y ácido clorhídrico:

Otro ejemplo, el hidrógeno y el oxígeno pueden mantenerse durante años en el mismo recipien te sin reaccionar. Pero si la mezcla se calienta a 800 °C, o se introduce una llama o una chispa en el recipiente, el hidrógeno y el oxígeno reaccionan violentamente. Esto es que, la temperatura au menta el movimiento (velocidad) de las moléculas de estas dos sustancias, y por lo tanto aumen- ta el choque continuo entre ellas, o sea, aumentan las colisiones, lo que hace que los reactivos se rompan o se descompongan para luego recombinarse, y de esta manera formar las nuevas sustancias llamadas productos.

Ahora bien, el efecto de la temperatura sobre una reacción es mucho mayor a temperatura baja que a temperatura alta. Para el caso, si a las reacciones exotérmicas se les eleva su temperatura entonces se desmejora el equilibro químico de estas reacciones, hasta incluso se puede detener tal reacción. Sin embargo, en las reacciones endotérmicas aumentar la temperatura favorece a la reacción. En conclusión, el incremento en la temperatura favorece a las reacciones endotérmicas y no a las exotérmicas.

– Presencia de catalizadores.

Un catalizador es una sustancia que modifica la rapidez de una

reacción química sin que ella misma se consuma en el proceso o sufra algún cambio químico. Otra definición es: los catalizadores son sustancias que, añadidas en pequeña cantidad, modifican la velocidad de una reacción sin experimentar ningún cambio y sin que se modifique la cantidad de producto formado. En pocas palabras, un catalizador es una sustancia que acelera o retarda una reacción química.

Los catalizadores que aceleran las reacciones se denominan catalizadores positivos, y los que las retardan se llaman catalizadores negativos. En ninguno de los dos casos los catalizadores se modifican o sufren cambios, y el proceso se nombra como catálisis. Los catalizadores solo ayudan a que la reacción se lleve a cabo con mayor o menor rapidez; sin embargo, las reacciones químicas pueden ocurrir sin la presencia de catalizadores.

Los catalizadores pueden ser de origen orgánico e inorgánico; en el primer caso están las enzimas y los ribosomas (ácidos ribonucleicos), y en el segundo caso están el platino, níquel, cobalto, cobre, etc.

Bibliografía

1. www.rena.edu.ve/…/Química/ReaccionesQuimicas.html

2. Seese et al. Química. Octava edición. Editorial Pearson-Prentice Hall. México, 2005.

3. es.wikipedia.org/wiki/Cinética química –

4. www.ejemplode.com/…química/606-la_energia_y_las_reacciones_quimicas.html –

5. www.fisicanet.com.ar/quimica/…/ap01_reacciones_quimicas.php –

6- espanol.answers.yahoo.com/question/index?qid… –

7. www.fisicanet.com.ar/…/q1_cinetica_quimica.php.

IMÁGENES O FIGURAS

1. espacioreal.blogspot.com

2. santocaos.blogspot.com

3. lamochila.espectador.com

4. alienonstrike.blogspot.com

Enviado por:

Jorge A. Marconi

La Ceiba, Honduras, C.A

Agosto del 2013