Reacciones químicas
Interpretación de reacciones químicas e iniciación a la estequiometría
Foto de Alex Kondratiev en Unsplash
Índice
Cambios físicos y cambios químicos
Cambios físicos
Cualquier cambio en el que la naturaleza de la sustancia no se modifica.
Ejemplos
Cambios de posición (movimientos), deformaciones, variaciones de temperatura, cambios de estado.
Cambios químicos
Cualquier cambio en el que la naturaleza de la sustancia sí se modifica.
Ejemplos
Digestión, combustión, fotosíntesis, cocción de alimentos, putrefacción.
La reacción química
Una reacción química es un proceso en el cual unas sustancias (reactivos) desaparecen, transformándose en otras sustancias (productos), de naturaleza diferente.
Teoría de colisiones
La teoría de colisiones nos ayuda a explicar el mecanismo de una reacción química:
- Se rompen los enlaces de los reactivos.
- Se reordenan los átomos.
- Se crean nuevos enlaces para formar los productos.
Para que se rompan los enlaces de los reactivos se han de producir choques eficaces, es decir, choques con la energía y orientación adecuadas.
Tipos de reacciones químicas
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Estequiometría
Ley de conservación de la masa
En un sistema aislado, durante toda reacción química ordinaria, la masa total en el sistema permanece constante, es decir, la masa consumida de los reactivos es igual a la masa de los productos obtenidos.
La ley de conservación de la masa implica dos principios:
- El número total de átomos antes y después de una reacción no cambia.
- El número de átomos de cada tipo es igual antes y después.
Ejemplo resuelto 1
12 g de carbono reaccionan con 32 g de oxígeno y como resultado de la reacción se obtiene dióxido de carbono:
$$ \ce{C + O2 -> CO2} $$¿Cuántos gramos de dióxido de carbono se obtienen?
Según la ley de Lavoisier:
$$ m_\text{reactivos} = m_\text{productos} $$Como conocemos la masa de los reactivos (carbono y oxígeno) podemos calcular la masa del único producto de la reacción:
\begin{align*} 12 + 32 &= m_\mathrm{CO_2} \\ m_\mathrm{CO_2} &= 44\thinspace\mathrm g \end{align*}
Ejemplo resuelto 2
El agua oxigenada, H2O2, se descompone en H2O y O2 en una reacción muy lenta.
$$ \ce{2H2O2(l) -> 2H2O(l) + O2(g)} $$A partir de 340 g de agua oxigenada obtenemos solo 180 g de agua. ¿Por qué?
La razón es porque hay dos productos en la reacción, uno es el agua y otro el oxígeno, que es un gas. La masa de este producto la podemos calcular aplicando la ley de Laviosier: \begin{align*} m_\text{reactivos} &= m_\text{productos} \\ 340 &= 180 + m_\mathrm{O_2} \\ 340-180 &= m_\mathrm{O_2} \\ m_\mathrm{O_2} &= 160\thinspace\mathrm g \end{align*}
Ajuste de ecuaciones químicas
En una ecuación química general:
$$ \ce{aA + bB -> cC + dD} $$- A, B, C y D representan los símbolos químicos de los átomos o la fórmula molecular de los compuestos que reaccionan (lado izquierdo) y los que se producen (lado derecho).
- $a$, $b$, $c$ y $d$ representan los coeficientes estequiométricos, que deben ser ajustados según la ley de conservación de la masa (comparando de izquierda a derecha átomo por átomo el número que hay de estos a cada lado de la flecha).
Los coeficientes estequiométricos indican el número de átomos/moléculas/moles que reaccionan/se producen de cada elemento/compuesto.
Ejemplo resuelto
Se desea ajustar la siguiente ecuación química, que describe la combustión del metano:
$$ \ce{CH4 + O2 -> CO2 + H2O} $$
Empezamos por el $\ce{C}$: vemos que a la izquierda hay 1 átomo de $\ce{C}$ y a la derecha hay también 1 átomo de $\ce{C}$, está ajustado.
Después miramos el $\ce{H}$: vemos que a la izquierda hay 4 átomos de $\ce{H}$ y a la derecha solo hay 2. Por tanto debemos poner un 2 en la molécula de agua:
$$ \ce{CH4 + O2 -> CO2 + 2H2O} $$Seguimos con el $\ce{O}$: a la izquierda hay 2 átomos mientras que a la derecha hay $2+2\times 1=4$ átomos. Por lo tanto debemos colocar un 2 en el $\ce{O2}$:
$$ \ce{CH4 + 2O2 -> CO2 + 2H2O} $$y la reacción queda ajustada.
Simulaciones
Puedes practicar más el ajuste de ecuaciones químicas con estas simulaciones:
Velocidad de una reacción química
Los factores que influyen en la velocidad de una reacción son:
Naturaleza de los reactivos
La naturaleza y la fuerza de los enlaces en las moléculas reactivas influyen en gran medida en la velocidad de su transformación en productos.
Estado de agregación de los reactivos
Cuando los reactivos están en estados distintos, la reacción sólo puede ocurrir en su área de contacto. Esto significa que cuanto más finamente dividido esté un reactivo sólido o líquido, mayor será su área de superficie por unidad de volumen y mayor será el contacto con el otro reactivo, por lo que la reacción será más rápida.
Concentración
La frecuencia con la que las moléculas colisionan depende de sus concentraciones. Cuanto más amontonadas estén las moléculas, más probable es que colisionen y reaccionen entre sí, dando lugar a un aumento de la velocidad de reacción.
Temperatura
A mayor temperatura, las moléculas tienen más energía térmica y son más susceptibles de chocar eficazmente, aumentando la velocidad de reacción.
Catalizadores
Un catalizador es una sustancia que altera la velocidad de una reacción química sin consumirse durante la misma. Las proteínas que actúan como catalizadores en las reacciones bioquímicas se llaman enzimas. Distinguimos entre catalizadores:
Positivos
Aumentan la velocidad de reacción al permitir nuevos mecanismos de reacción.
Negativos
Disminuyen la velocidad de reacción o directamente evitan que se produzca (inhibidores).
La Química en la sociedad y el medio ambiente
Los gases de efecto invernadero, como el $\ce{CO2}$, el $\ce{CH4}$, el $\ce{N2O}$ (gas de la risa) o los óxidos de azufre, son gases que absorben y emiten radiación infrarroja, provocando un calentamiento de la superficie de la Tierra. La actividad humana industrial ha provocado sobretodo un aumento de las emisiones de CO2, desestabilizando la atmósfera.
Aprende más sobre el efecto invernadero con esta estupenda simulación:
Rodrigo Alcaraz de la Osa
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Soy Doctor en Física y Profesor de Física y Química en el IES Peñacastillo de Cantabria (España).
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