Reacciones químicas

 

¿Qué es una reacción química?

Las reacciones químicas (también llamadas cambios quimicos o fenomenos quimicos) son procesos termodinámicos de transformación de la materia. En estas reacciones intervienen dos o más sustancias (reactivos o reactantes), que cambian significativamente en el proceso, y pueden consumir o liberar energia para generar dos o más sustancias llamadas productos.

Las reacciones quimicas son undamentales para la existencia y comprension del mundo tal como lo conocemos.

Estan representados por ecuaciones quimicas, que describen los reactivos y productos involucrados en la reaccion, asi como cualquier condicion que afecte la reaccion, como la temperatura, la presion o la presencia de un catalizador.

¿Cómo se representa una reacción química?

Las reacciones químicas se representan mediante ecuaciones químicas, es decir, formulasen las que se describen los reactivos participantes y los productos obtenidos, a menudo indicando determinadas condiciones propias de la reacción, como la presencia de calor, catalizadores, luz etc.

La primera ecuación química de la historia fue redactada en 1615 por Jean Beguin, en uno de los primeros tratados sobre quimica, el Tyrocinium Chymicum. Hoy son de enseñanza común y gracias a ellas podemos visualizar con mayor facilidad lo que está ocurriendo en una reacción determinada.

La forma general de representar una ecuación química es:

Figura 1

Donde:

• A y B son los reactivos.
• C y D son los productos.
• a, b, c y d son los coeficientes estequiométricos (son números que indican la cantidad de reactivos y productos) que deben ser ajustados de manera que haya la misma cantidad de cada elemento en los reactivos y en los productos. De esta forma se cumple la Ley de Conservación de la Masa  (que establece que la masa no se crea ni se destruye, solo se transforma).

¿Como se produce una reaccion quimica?

Continuamente los átomos están tratando de alcanzar el estado más estable posible, es decir, el que requiera menos energía. Para lograrlo interactúan con otros átomos, intercambiando o compartiendo electrones mediante enlaces químicos. Por esta razón, en una reacción química los átomos no cambian. Solo cambian los tipos de enlaces químicos que los unen.

También debes tener en cuenta que para que ocurra una reacción química los reactivos deben chocar ya que la energía es necesaria para romper los enlaces químicos entre átomos.

Evidencias de una Reacción Química

Entre las evidencias podemos mencionar las siguientes:

• Cambio de color, sabor, y olor
• Desprendimiento de un gas
• Cambio de temperatura
• Formación de precipitado al fondo del recipiente.

Tipos de Reacciones Químicas

Las reacciones químicas se clasifican atendiendo a diversos criterios, entre los principales tenemos:

• Reacción de composición, adición o síntesis: Aquí es donde se combinan 2 o más sustancias para formar un solo producto
• Reacción de descomposición: Cuando un solo compuesto se producen dos o más sustancias por acción del calor

Reacciones químicas de la vida cotidiana

Como ya te habrás dado cuenta, estamos rodeados de reacciones químicas. Por supuesto, estas tienen lugar en los laboratorios, pero también fuera de ellos. En las fábricas, en la atmósfera, en nuestras cocinas e incluso en el interior de nuestro cuerpo están constantemente llevándose a cabo reacciones químicas de todo tipo.

 

Figuara 2

¿Cómo se forma una ecuación química?

En una ecuación química las sustancias que se combinan entre sí son los reactivos y se escriben a la izquierda. A la derecha se escriben los productos , que son las sustancias que se forman. Los reactivos se separan de los productos por medio de una flecha, su dirección es de reactivos → productos.

Las leyes de las reacciones químicas

En las reacciones químicas se cumplen las leyes. La más importante es la ley de conservación de la masa o ley de Lavoisier, formulada por este químico en 1774, que postula que en toda reacción química la masa de los reactivos es igual a la masa de los productos.

Fue Dalton quien completó la explicación a esta ley algunos años después, al indicar que en una reacción química el número de átomos no varía al comparar los reactivos con los productos, solo cambia su organización, por lo que la masa de se conserva.

Otro parámetro importante en las reacciones químicas es su velocidad de reacción ya que no todas tardan el mismo tiempo en producirse. La velocidad de reacción se define como la cantidad de producto que aparece por unidad de tiempo o la cantidad de reactivo que desaparece por unidad de tiempo.

Aunque cada reacción tiene diferente velocidad, ciertos factores pueden hacer que tienda a aumentar o a disminuir: la superficie de contacto entre las partículas que reaccionan y la temperatura son algunos de ellos.

Los catalizadores son sustancias que aumentan la velocidad de una reacción, sin modificar su estructura. A menudo cumplen este papel algunos metales.

Ejemplo de reacciones quimicas

Figuara 3

En el siguiente video se muestra mas sobre las reacciones quimicas

Balanceo de las reacciones quimicas

¿Que es una ecuacion quimica balanceada?

Una ecuación química balanceada es una ecuación algebraica que proporciona los números relativos de reactantes y productos en la reacción y tiene el mismo número de átomos de cada tipo tanto del lado izquierdo como del lado derecho de la ecuación, es decir, aquí se aplica la ley de la conservación de la materia.

¿Por qué una ecuación química debe estar balanceada?

Una ecuación química debe estar balanceada para ser correcta, de otra forma no presenta lo que sucede en la realidad.

Por ejemplo, el óxido de azufre SO₃ da lugar al dióxido de azufre SO₂ y al oxígeno molecular O₂, como se muestra en la figura abajo:

Del lado izquierdo de la flecha se muestran los reactantes, tres átomos de oxígeno y un átomo de azufre. Del lado derecho de los productos hay cuatro átomos de oxígeno y uno de azufre. Esta ecuación no está balanceada pues tenemos un exceso de un oxígeno en los productos que va en contra de las leyes de la química y la física.

¿Cómo resolvemos este desequilibrio? Para balancear la ecuación química nos valemos de los coeficientes, unos números que colocamos delante de la fórmula química que nos indican cuantas moléculas participan en la reacción. El coeficiente delante de una fórmula multiplica al subíndice de cada átomo.

¿Por qué es necesario balancear una ecuación química?

La ley de conservación de la materia, también conocida como ley de conservación de la masa o ley de Lavoisier nos dice que:

" En una reacción química la masa inicial es igual a la masa final independientemente de los cambios que se produzcan".

En consecuencia, de acuerdo a la ley anterior la cantidad de átomos antes y después de un cambio químico debe permanecer constante, por lo que, para hacer cumplir dicha ley debemos ajustar la ecuación química colocando coeficientes numéricos delante de cada término de la ecuación, tanto en los reactivos como en los productos cuando sea necesario hacerlo. Debido a que existen diferentes tipos de reacciones químicas, también existen diversos métodos de balanceo o ajuste, los métodos de balanceo de ecuaciones son:

• Método de balanceo por tanteo (simple inspección / ensayo-error)
• Método algebraico
• Método REDOX (reacciones de intercambio de electrones)

Métodos de balanceo de ecuaciones químicas

Existen varios métodos para balancear una ecuación química dependiendo de si son ecuaciones simples, ecuaciones redox o ecuaciones con muchos participantes.

Método de balanceo por inspección o tanteo

El método de balanceo por inspección o tanteo consiste en revisar elemento por elemento cuantos hay de cada lado de la flecha, y tratar de adivinar el coeficiente delante de las fórmulas hasta conseguir la igualdad. Algunas personas llaman a este método de ensayo y error.

Por ejemplo, en la ecuación de formación del amoníaco a partir de nitrógeno e hidrógeno es la siguiente:

Esta ecuación no está balanceada porque hay dos átomos de nitrógeno y dos átomos de hidrógeno del lado izquierdo y un nitrógeno con tres hidrógenos del lado derecho.

Paso 1. Vamos a balancear al nitrógeno colocando un 2 delante del amoniaco NH₃:

Paso 2. Vamos a balancear el hidrógeno. Tenemos dos H del lado izquierdo y 6 H del lado derecho (el coeficiente 2 multiplica al subíndice 3 del H; 2x3=6). Si colocamos un coeficiente 3 delante del H₂ del lado izquierdo, habremos balanceado la ecuación:

Método algebraico de balanceo de ecuaciones químicas

El método algebraico utiliza la matemática para determinar los coeficientes delante de cada compuesto. Es útil cuando la ecuación química presenta muchos compuestos. Se hace de la siguiente forma:

Paso 1. Delante de cada fórmula química se coloca un coeficiente desconocido con las letras a, b, c, d, hasta cubrir todas las sustancias:

Paso 2. Ahora se elaboran sistemas de ecuaciones para cada elemento, de la siguiente forma:

El carbono del lado izquierdo tiene un subíndice 2 y el coeficiente a, y del lado derecho tiene un subíndice 1 y el coeficiente c

El hidrógeno del lado izquierdo está multiplicado por un subíndice 5 + 1 y por el coeficiente a, y esto debe ser igual al coeficiente d por el subíndice 2 del lado derecho:

El oxígeno del lado izquierdo es igual al coeficiente a por el subíndice 1 más el coeficiente b por el subíndice 2, mientras del lado derecho es igual a coeficiente c por el subíndice 2 más el coeficiente d:

Paso 3. Resolvemos el sistema de ecuaciones:

Paso 4. Le damos un valor a uno de los coeficientes y hacemos las sustituciones correspondientes. Si le damos al coeficiente a el valor de 1, tendremos que b=3, c= 2 y d=3. Sustituimos por los coeficientes numéricos y corroboramos el número de átomos:

Método de balanceo redox

Existen ecuaciones químicas que involucran el intercambio de electrones entre átomos. Estas reacciones se llaman de oxidación-reducción o reacciones redox. Como cualquier ecuación, el número de electrones tiene que ser igual del lado de los reactantes como del lado de los productos, es decir, los electrones no se crean ni se destruyen.

Paso 1. Revisar si la ecuación iónica está balanceada:

Parece que está balanceada pues hay un cobre Cu y un átomo de plata Ag de cada lado de la ecuación. Si nos fijamos bien, del lado de los reactantes hay un ion Ag⁺ con una carga positiva mientras que del lado de los productos hay un ion Cu²⁺ con dos cargas positivas. Esto significa que se perdió un electrón en el paso de reactantes a productos, lo que no está permitido en las reacciones químicas.

Paso 2. Igualar las cargas eléctricas colocando coeficientes en las fórmulas correspondientes de la siguiente manera:

De esta forma, del lado izquierdo hay 2 cargas positivas porque hay dos iones Ag⁺ mientras que del lado derecho hay dos átomos de Ag.

Velocidad de las reacciones químicas

¿Qué es la velocidad de reacción?

La velocidad de reacción es la rapidez con la que una reacción química ocurre; es decir, la cantidad de reactivos que se consumen o productos que se forman por unidad de tiempo. También, se puede expresar como la disminución de la concentración de un reactivo o el aumento de la concentración de un producto en función del tiempo.

¿Como se mide?

La determinación de la velocidad de una reacción se puede hacer por medición de color, medición de presión de gases, cambios de temperatura o directamente cambios de concentración, entre otros.

La velocidad de una reacción se puede expresar como el producto de tres factores:

1. Frecuencia de Colisiones: Es el número de colisiones que ocurren por unidad de tiempo. 

Depende de: 

• Cuan aglomeradas están las moléculas (concentración o presión). 
• Cuán rápidamente se mueven las moléculas. 
• Cuán grandes son las moléculas ( Por lo general las moléculas más grandes, también son más pesadas y se mueven más lento). 
• Qué cantidad de partículas pueden interactuar.  

2. Factor Energía: Es la fracción de colisiones suficientemente energéticas.

El factor energético es el más importante en determinar la velocidad de reacción. Depende de:  

• La energía de activación (es característica de cada reacción) 
• La temperatura (se puede controlar)

3. Orientación Apropiada: Expresa la probabilidad de que una colisión tenga la orientación adecuada.

Depende de: 

• La geometría de las moléculas. 
• La dirección del choque. 
• Tipo de reacción que se está realizando. 

Unidades de la velocidad de reacción

Las unidades de la velocidad de reacción dependerán de la forma en la que se exprese la concentración de los reactivos y productos. La unidad más común para la velocidad de reacción en solución es moles por litro por segundo o $���{�}^{-1}{�}^{-1}$ (indica los moles de reactante consumido o productos formados por unidad de tiempo.)

Gráfica de la velocidad de reacción

Una vez hechas las mediciones, puedes dibujar una gráfica y utilizarla para averiguar la velocidad de la reacción en un periodo determinado. Este tipo de gráficas suelen tener la forma de una curva.

Gráfico que muestra cómo cambia el volumen desprendido de gas con el tiempo en una reacción.

¿Cuáles son los factores que influyen en la velocidad de reacción?

Los factores que influyen en la velocidad de reacción son:

• La temperatura.
• La concentración.
• La presión.
• La naturaleza de los reactivos y área superficial.
• La presencia de un catalizador.

Los factores que afectan la velocidad de la reacción son los que afectan la frecuencia o la velocidad de las colisiones y la energía de las partículas. Cualquier factor que afecte a estas dos variables afectará a la velocidad de reacción.

Para reaccionar, las partículas tienen que colisionar con la orientación correcta y con la energía suficiente. Como están en constante movimiento, no podemos controlar realmente su orientación, pero hay algunos factores que si pueden afectar la velocidad de la reacción.

Video de velocidad de reacciones quimicas

 

Equilibrio químico

 ¿Que es el equilibrio quimico?

El equilibrio químico es un estado de una reacción química en el que las velocidades de las reacciones hacia adelante y hacia atrás son iguales y las concentraciones de los reactivos y los productos no cambian. También se conoce como equilibrio dinámico.

El equilibrio se da cuando la velocidad de la reacción hacia adelante es igual a la velocidad de la reacción en sentido inverso. Las concentraciones de reactivos y productos se mantienen constantes en el equilibrio.

¿Para qué sirve el equilibrio químico?

El equilibrio químico desempeña un papel importante en el mantenimiento de los sistemas biológicos. Por ejemplo: La sangre mantiene un PH estable gracias a un proceso constante de equilibrio dinámico. También, podemos utilizar el equilibrio químico con fines industriales.

Tipos de equilibrio químico

Hay dos tipos diferentes de equilibrio químico que debes conocer:

Equilibrio homogéneo

La palabra homogéneo proviene de las palabras griegas homos (que significa "lo mismo") y genos (que significa "raza" o "tipo"). En un equilibrio homogéneo, todas las especies presentes se encuentran en el mismo estado. Por ejemplo, pueden ser todas líquidas, acuosas o gaseosas.

Equilibrio heterogéneo

La palabra heterogéneo también tiene una raíz griega, pero esta vez proviene de la palabra heteros, que significa "otro". En un equilibrio heterogéneo, las especies presentes se encuentran en varios estados diferentes.

¿Qué nos dice la magnitud de ${�}_{\text{c}}$K, start subscript, start text, c, end text, end subscript acerca de la reacción en el equilibrio?

La magnitud de ${�}_{\text{c}}$K, start subscript, start text, c, end text, end subscript puede proporcionarnos información acerca de las concentraciones de reactivos y productos en el equilibrio.

• Si ${�}_{\text{c}}$K, start subscript, start text, c, end text, end subscript es muy grande, ~1000 o más, tendremos mayormente especies de producto presentes en el equilibrio.
• Si ${�}_{\text{c}}$K, start subscript, start text, c, end text, end subscript es muy pequeña, ~0.001 o menos, tendremos mayormente especies de reactivo presentes en el equilibrio.
• Si ${�}_{\text{c}}$K, start subscript, start text, c, end text, end subscript está entre 0.001 y 1000, tendremos una concentración significativa tanto de las especies de productos como de reactivos en el equilibrio.

Mediante el uso de estas pautas, podemos rápidamente estimar si una reacción favorecerá considerablemente la reacción hacia adelante y generar productos —${�}_{\text{c}}$K, start subscript, start text, c, end text, end subscript muy grande—o favorecer fuertemente la dirección inversa hacia la formación de reactivos—${�}_{\text{c}}$K, start subscript, start text, c, end text, end subscript muy pequeña—o algún punto intermedio.

¿Por qué se da el equilibrio?

La existencia de las reacciones reversibles es la causa del Equilibrio Químico, no es posible entender este concepto sin comprender el fenómeno de reversibilidad.

¿Qué es una reacción reversible? 

Son dos reacciones en las que intervienen los mismos compuestos. Los reactivos de una reacción son los productos de la segunda.

¿Por qué hay reacciones reversibles?

Para que existan reacciones químicas, las moléculas deben chocar unas con otras, estos choques pueden unir a más de una molécula o pueden "desunirla" para dar lugar a la molécula original. Esta explicación es un acercamiento a la teoría de las colisiones, que es la que mejor describe la causa del por qué de las reacciones reversibles.