Reacciones Químicas
Una reacción química es un proceso en el que una o más sustancias, llamadas reactivos, se transforman en otras sustancias diferentes llamadas productos. En una reacción química, los átomos que conformaban los reactivos son los mismos que constituyen los productos, pero reorganizados de distinta forma. Es importante representar el estado físico de las sustancias involucradas utilizando las siguientes abreviaturas: (g) para gaseoso, (l) para líquido, (aq) para disolución acuosa y (s) para sólido.
Ajuste de Ecuaciones Químicas
Para representar una reacción química de manera precisa, se utiliza una ecuación química. Para que la ecuación química sea válida, debe cumplir con la ley de conservación de la masa de Lavoisier, es decir, debe haber el mismo número de átomos de cada elemento en los reactivos y en los productos. Si esto no se cumple, debemos equilibrar o ajustar la ecuación utilizando coeficientes estequiométricos, que pueden ser números enteros o fraccionarios, hasta que se cumpla la ley de conservación de la masa.
Cálculos en las Reacciones Químicas
Una vez que tenemos la ecuación química ajustada, podemos realizar cálculos estequiométricos para determinar las cantidades de reactivos y productos que participan en la reacción. Estos cálculos son fundamentales en química para:
- Determinar la cantidad de producto que se puede obtener a partir de una cantidad dada de reactivos.
- Calcular la cantidad de reactivos necesarios para obtener una cantidad deseada de producto.
Método para Realizar Cálculos en Reacciones Químicas:
- Escribe la ecuación química ajustada.
- Coloca debajo de la fórmula de cada compuesto las relaciones estequiométricas adecuadas, que se obtienen de los coeficientes de la ecuación ajustada.
- Sitúa debajo de las relaciones estequiométricas los datos ofrecidos en el enunciado del problema y la incógnita, representada generalmente por la letra ‘x’.
- Establece la correspondiente proporción entre los datos y la incógnita utilizando las relaciones estequiométricas y resuelve la proporción para encontrar el valor de la incógnita.
Reactivo Limitante
En una reacción química, el reactivo limitante es aquel que se consume completamente primero, limitando así la cantidad de producto que se puede formar. Los cálculos estequiométricos siempre se realizan con base en el reactivo limitante, ya que una vez que este se agota, la reacción se detiene.
Reactivos Impuros
En la realidad, los reactivos químicos no siempre se encuentran puros al 100%. Para realizar cálculos estequiométricos con reactivos impuros, necesitamos conocer la riqueza o el porcentaje de sustancia pura que contienen. La riqueza se define como la masa de sustancia pura presente en 100 gramos de reactivo impuro.
Clasificación de las Reacciones Químicas
Las reacciones químicas se pueden clasificar de diferentes maneras. A continuación, se presentan dos clasificaciones comunes:
1. En Función de la Transformación que Tiene Lugar:
1.1 Reacciones de Combinación:
Son aquellas en las que dos o más sustancias (elementos o compuestos) se combinan para formar un único compuesto.
1.2 Reacciones de Descomposición:
Son aquellas en las que a partir de una sustancia compuesta se obtienen dos o más sustancias más simples (elementos o compuestos).
1.3 Reacciones de Sustitución:
Son aquellas en las que un elemento o grupo de elementos sustituye a otro en un compuesto. Se pueden clasificar en:
- Sustitución Simple: Un elemento desplaza a otro en un compuesto.
- Sustitución Doble: Dos elementos desplazan a otros dos en dos compuestos diferentes.
2. En Función de la Partícula Transferida:
2.1 Reacciones de Transferencia de Protones (Ácido-Base):
- Ácido: Sustancia que en disolución acuosa se disocia liberando protones (H+).
- Base: Sustancia que en disolución acuosa se disocia liberando iones hidróxido (OH-).
Cuando un ácido y una base reaccionan completamente, se neutralizan, dando lugar a una sal y agua.
2.2 Reacciones de Transferencia de Electrones (Oxidación-Reducción):
- Oxidación: Semirreacción en la que una especie química pierde electrones.
- Reducción: Semirreacción en la que una especie química gana electrones.
Reacción Química y la Energía, Calor de Reacción
Las reacciones químicas implican cambios de energía. La energía desprendida o absorbida en una reacción química se denomina calor de reacción. La unidad del calor de reacción en el Sistema Internacional es el julio por mol (J/mol).
Desde un punto de vista energético, las reacciones químicas se pueden clasificar en dos grupos:
- Reacciones Endotérmicas: Aquellas que requieren el aporte de energía para producirse. El signo del calor de reacción es positivo (+).
- Reacciones Exotérmicas: Aquellas que suceden con desprendimiento de energía. El signo del calor de reacción es negativo (-).
Las ecuaciones químicas en las que se especifica el cambio energético se denominan ecuaciones termoquímicas. El calor de reacción se escribe en el lado de los productos y se expresa en kilojulios (kJ).
Entalpía de Reacción
Cuando una reacción química se lleva a cabo a presión constante, el calor de reacción se denomina variación de entalpía (ΔH). La entalpía de formación de un compuesto es el calor que se absorbe o se desprende cuando se forma un mol de compuesto a partir de los elementos que lo constituyen, en condiciones estándar (1 atm de presión y 25 °C de temperatura). La entalpía de formación está tabulada para muchos compuestos.
Cómo se Producen las Reacciones Químicas
Para que una reacción química se lleve a cabo, las moléculas de los reactivos deben colisionar entre sí con la energía y la orientación adecuadas. La energía cinética mínima que deben tener las moléculas para que la colisión sea efectiva se denomina energía cinética crítica. La diferencia de energía entre la energía cinética crítica y la energía de los reactivos se conoce como energía de activación (Ea). La energía de activación se puede considerar como la energía necesaria para debilitar los enlaces de los reactivos y permitir la formación de nuevas sustancias.
Durante la colisión efectiva, se forma un estado intermedio inestable llamado complejo activado, que tiene una energía potencial mayor que los reactivos y los productos. El complejo activado se descompone rápidamente para formar los productos.
Requisitos para que se Produzca una Reacción:
- Una disposición geométrica favorable de las moléculas durante la colisión.
- Una colisión con una energía cinética igual o superior a la energía de activación.
Velocidad de Reacción
La velocidad de reacción indica la rapidez con la que se consumen los reactivos o se forman los productos en una reacción química. Se define como la variación de la concentración de los reactivos o de los productos en un intervalo de tiempo determinado. La unidad de velocidad de reacción en el Sistema Internacional es el mol por litro por segundo (mol/L·s).
Factores que Influyen en la Velocidad de Reacción
Existen varios factores que pueden afectar la velocidad de una reacción química:
- Naturaleza de los Reactivos: Las reacciones entre iones son generalmente muy rápidas, ya que los enlaces ya están rotos. Las reacciones exotérmicas también suelen ser rápidas, una vez que se alcanza la energía de activación.
- Concentración de los Reactivos: A mayor concentración de los reactivos, mayor será la frecuencia de colisiones entre las moléculas y, por lo tanto, mayor será la velocidad de reacción.
- Superficie de Contacto: En las reacciones heterogéneas, donde los reactivos están en fases diferentes, la velocidad de reacción depende de la superficie de contacto entre las fases. A mayor superficie de contacto, mayor será la velocidad de reacción.
- Temperatura: Al aumentar la temperatura, aumenta la energía cinética de las moléculas, lo que incrementa la frecuencia de colisiones efectivas y, por ende, la velocidad de reacción.
- Catalizadores: Los catalizadores son sustancias que aumentan la velocidad de una reacción química sin consumirse en ella. Lo hacen proporcionando una ruta alternativa de reacción con una menor energía de activación. Los biocatalizadores, como las enzimas, son catalizadores biológicos que regulan las reacciones químicas en los seres vivos.