Trabajo Práctico
Tema: “Las
reacciones Químicas”
Reacción química, proceso en el que una o más sustancias —los
reactivos— se transforman en otras sustancias diferentes —los productos de la
reacción. Un ejemplo de reacción química es la formación de óxido de hierro
producida al reaccionar el oxígeno del aire con el hierro.
Los productos obtenidos a partir de ciertos tipos de reactivos dependen
de las condiciones bajo las que se da la reacción química. No obstante, tras un
estudio cuidadoso se comprueba que, aunque los productos pueden variar según
cambien las condiciones, determinadas cantidades permanecen constantes en
cualquier reacción química. Estas cantidades constantes, las magnitudes
conservadas, incluyen el número de cada tipo de átomo presente, la carga
eléctrica y la masa total.
Ecuaciones químicas
Los símbolos y fórmulas químicas sirven para describir las reacciones
químicas, al identificar las sustancias que intervienen en ellas. Tomemos como
ejemplo la reacción química en la que el metano (CH4) o el gas
natural arde con oxígeno (O2) formando dióxido de carbono (CO2)
y agua (H2O). Si consideramos que sólo intervienen estas cuatro
sustancias, la fórmula (en general, formas abreviadas de sus nombres) sería:
Como los átomos se conservan en las reacciones químicas, a cada lado de
la ecuación debe aparecer el mismo número de ellos. Por lo tanto, la reacción
puede expresarse del siguiente modo:
Los químicos sustituyen ‘da’ por una flecha y borran todos los ‘1’, para
obtener la ecuación química ajustada:
Las cargas eléctricas y el número de cada clase de átomos se conserva.
Las ecuaciones se ajustan no sólo respecto a la carga y número de cada
clase de átomos, sino también respecto a su peso o, más correctamente, a su
masa. El sistema periódico recoge las masas atómicas siguientes:
C = 12,01; H = 1,01; O = 16,00, por lo que
Así, tenemos que 16,05 unidades de masa atómica (u) de CH4
reaccionan con 64,00 u de O2 para producir 44,01 u de CO2
y 36,04 u de H2O; o, lo que es lo mismo, un mol de metano
reacciona con dos moles de oxígeno para producir un mol de dióxido de carbono y
dos moles de agua. La masa total a cada lado de la ecuación se conserva:
De este modo, se conservan tanto la masa como la carga y los átomos.
Velocidad y mecanismos de las reacciones químicas
En algunos casos, como en la combustión, las reacciones se producen de
forma rápida. Otras reacciones, como la oxidación, tienen lugar con lentitud.
La cinética química, que estudia la velocidad de las reacciones, contempla tres
condiciones que deben darse a nivel molecular para que tenga lugar una reacción
química: las moléculas deben colisionar, han de estar situadas de modo que los
grupos que van a reaccionar se encuentren juntos en un estado de transición
entre los reactivos y los productos, y la colisión debe tener energía
suficiente (energía de activación) para que se alcance el estado de transición
y se formen los productos.
Las reacciones rápidas se dan cuando estas tres condiciones se cumplen
con facilidad. Sin embargo, si uno de los factores presenta cierta dificultad,
la reacción resulta especialmente lenta.
La velocidad de la reacción aumenta en presencia de un catalizador, una
sustancia que no resulta alterada o se regenera, por lo que el proceso
continúa. La mezcla de gases hidrógeno y oxígeno a temperatura ambiente no
explota, pero si se añade platino en polvo la mezcla explosiona al cubrirse la
superficie del platino con el oxígeno adsorbido. Los átomos de platino alargan
los enlaces de las moléculas de O2, debilitándolos y rebajando la
energía de activación. Los átomos de oxígeno reaccionan rápidamente con
moléculas de hidrógeno, colisionando contra ellas y formando agua y regenerando
el catalizador. Las fases por las que pasa una reacción constituyen el
‘mecanismo de reacción’.
La velocidad de la reacción puede modificarse no sólo con catalizadores,
sino también mediante cambios en la temperatura y en las concentraciones. Al
elevar la temperatura se incrementa la velocidad a causa del aumento de la
energía cinética de las moléculas de los reactivos, lo que provoca un mayor
número de colisiones por segundo y hace posible la formación de estados de
transición. Con el aumento de la concentración se consigue incrementar la
velocidad de la reacción, al aumentar el número y la velocidad de las
colisiones moleculares.
Equilibrio químico
A medida que la reacción tiene lugar, disminuye la concentración de los
reactivos según se van agotando. Del mismo modo, la velocidad de la reacción
también decrece. Al mismo tiempo aumentan las concentraciones de los productos,
tendiendo a colisionar unos con otros para volver a formar los reactivos. Por
último, la disminución de la velocidad de la reacción directa se equipara al
incremento de la velocidad de la reacción inversa, y cesa todo cambio. El
sistema está entonces en ‘equilibrio químico’, en el que las reacciones directa
e inversa tienen lugar a la misma velocidad.
Los cambios en sistemas en equilibrio químico se describen en el
principio de Le Châtelier, que debe su nombre al científico francés Henri Louis
Le Châtelier. Según este principio, cualquier intento de cambio en un sistema
en equilibrio provoca su reacción para compensar dicho cambio.
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Tipos de reacciones químicas
Para una buena comprensión de los mecanismos de las reacciones es
conveniente el estudio de los enlaces químicos iónicos y covalentes. La
reacción que se produce con emparejamiento de iones es fácil de comprender, si
se entiende el emparejamiento (o disociación) de iones para formar (o disociar)
sustancias neutras, como en
Ag+ + Cl- Á AgCl
o en
3Ca2+ + 2PO43- Á Ca3(PO4)2
donde la doble flecha indica los
dos posibles sentidos de la reacción. Los cambios de enlaces covalentes simples
en los que ambos electrones proceden de (o van a) un reactivo se denominan reacciones
ácido-base, como en
Un par de electrones de la base ocupa un orbital del ácido, formando el
enlace covalente. Los cambios de enlaces covalentes simples en los que un
electrón de enlace proviene de (o va a) cada reactivo reciben el nombre de reacciones
de radicales libres, como en
H·+ H ± H – H.
A veces los reactivos ganan y pierden electrones, como sucede en las
reacciones de oxidación-reducción o redox:
2Fe2+ + Br2 Á 2Fe3+ + 2Br-
Así, en una reacción de oxidación-reducción, un reactivo se oxida (pierde
uno o más electrones) y el otro se reduce (gana uno o más electrones). Como
ejemplos de reacciones redox en las que interviene el oxígeno pueden citarse la
oxidación de los metales como el hierro (el metal se oxida por la acción del oxígeno
de la atmósfera), la combustión y las reacciones metabólicas que se dan en la
respiración. Un caso de reacción redox en la que no interviene el oxígeno
atmosférico es la reacción que produce la electricidad en las baterías de
plomo:
Pb + PbO2 + 4H+ + 2SO42- Á
2PbSO4 + 2H2O.
La unión de dos grupos también se llama adición, y su separación,
descomposición. Una adición múltiple de moléculas idénticas se conoce como
polimerización .
Energética química
La energía se conserva durante las reacciones químicas. En una reacción
pueden considerarse dos fases diferenciadas: en primer lugar, los enlaces
químicos de los reactivos se rompen, y luego se reordenan constituyendo nuevos
enlaces. En esta operación se requiere cierta cantidad de energía, que será
liberada si el enlace roto vuelve a formarse. Los enlaces químicos con alta
energía se conocen como enlaces ‘fuertes’, pues precisan un esfuerzo mayor para
romperse. Si en el producto se forman enlaces más fuertes que los que se rompen
en el reactivo, se libera energía en forma de calor, constituyendo una reacción
exotérmica. En caso contrario, la energía es absorbida y se produce una
reacción endotérmica. Debido a que los enlaces fuertes se crean con más
facilidad que los débiles, son más frecuentes las reacciones exotérmicas
espontáneas; un ejemplo de ello es la combustión de los compuestos del carbono
en el aire para producir CO2 y H2O, que tienen enlaces
fuertes. Pero también se producen reacciones endotérmicas espontáneas, como la
disolución de sal en agua.
Las reacciones endotérmicas suelen estar asociadas a la disociación de
las moléculas. Esto último puede medirse por el incremento de la entropía del
sistema. El efecto neto de la tendencia a formar enlaces fuertes y la tendencia
de las moléculas e iones a disociarse se puede medir por el cambio en la
energía libre del sistema. Todo cambio espontáneo a temperatura y presión
constantes implica un incremento de la energía libre, acompañado de un aumento
de la fuerza del enlace.
Síntesis química
La síntesis química consiste en obtener compuestos químicos a partir de
sustancias más simples. Los objetivos principales de la síntesis química son la
creación de nuevas sustancias químicas, así como el desarrollo de métodos más
baratos y eficaces para sintetizar sustancias ya conocidas. Normalmente, basta
con la purificación de sustancias naturales para obtener un producto químico o
aprovechar el uso de ese producto como materia prima para otras síntesis. La
industria farmacéutica, por ejemplo, depende con frecuencia de complejos
compuestos químicos, que se encuentran en el petróleo crudo, para la síntesis
de medicinas. En algunas ocasiones, cuando se trata de sustancias escasas o muy
costosas, se hace preciso sintetizar dicha sustancia a partir de otras materias
primas más abundantes y más baratas.
Uno de los principales objetivos de la síntesis química es producir
cantidades adicionales de sustancias que ya se dan en la naturaleza. Ejemplos
de ello son la recuperación del cobre de sus menas y la síntesis de ciertas medicinas
que se encuentran de modo natural (como la aspirina) y de vitaminas (como el
ácido ascórbico o vitamina C). Otro de sus objetivos es la síntesis de
materiales que no se dan de modo natural, como el acero, los plásticos y los
adhesivos.
Alrededor de once millones de compuestos químicos han sido catalogados
por el Chemical
Abstracts Service de Columbus, Ohio (Estados Unidos). Se calcula que
cada día se sintetizan unos 2.000 nuevos compuestos. Se producen unos 6.000 con
fines comerciales y unos 300 más se incorporan al mercado cada año. Antes de su
comercialización, todo nuevo compuesto se comprueba, no sólo con fines
comerciales, sino también para descubrir posibles efectos dañinos en el ser
humano y el medio ambiente. El proceso para determinar la toxicidad de un
compuesto es difícil y costoso, debido a la gran variedad de niveles de dosis
tóxicas para el hombre, las plantas y los animales, y por lo complicado que
resulta medir los efectos de una exposición a largo plazo.
La síntesis química no se desarrolló como
ciencia rigurosa y sofisticada hasta bien entrado el siglo XX. Antaño, la
síntesis de una sustancia ocurría algunas veces por accidente, y la utilización
de esos materiales nuevos era muy limitada. Las teorías que predominaban hasta
este siglo contribuyeron a limitar la capacidad de los químicos para
desarrollar una aproximación sistemática a la síntesis. Hoy, en cambio, es
posible diseñar nuevas sustancias químicas para cubrir necesidades específicas
(medicinas, materiales estructurales, combustibles), sintetizar en el
laboratorio casi todas las sustancias que se encuentran en la naturaleza,
inventar y fabricar nuevos compuestos e incluso predecir, con la ayuda de
sofisticados ordenadores o computadoras, las propiedades de una molécula
‘objetivo’ y sus efectos a largo plazo en medicina y en el medio ambiente.
Gran parte de los progresos conseguidos en el campo de la síntesis se
debe a la capacidad de los científicos para determinar la estructura detallada
de una serie de sustancias, comprendiendo la correlación entre la estructura de
una molécula y sus propiedades (relaciones estructura-actividad). De hecho,
antes de su síntesis, se puede diseñar la estructura y propiedades de una serie
de moléculas, lo que proporciona a los científicos una mejor comprensión del
tipo de sustancias más necesarias para un fin concreto. Las modernas medicinas
de penicilina son modificaciones sintéticas de la sustancia que descubrió en la
naturaleza el bacteriólogo británico Alexander Fleming. Se han descubierto más
de mil enfermedades en el ser humano causadas por deficiencias moleculares,
muchas de las cuales pueden tratarse con medicinas sintéticas. Gran parte de la
investigación sobre nuevos combustibles y de métodos de utilización de la
energía solar se basan en el estudio de las propiedades moleculares de
productos sintéticos. Uno de los logros más recientes en este campo es la
fabricación de superconductores basados en la estructura de complicados
materiales inorgánicos cerámicos, como el YBa2Cu3O7
y otros de estructura similar.
Hoy es posible sintetizar hormonas, enzimas y material genético idéntico
al de los sistemas vivos, aumentando la posibilidad de tratar las causas que
originan enfermedades humanas a través de la ingeniería genética. Esto ha sido
posible en los últimos años gracias a los diseños que se obtienen con la ayuda
de modernos y potentes ordenadores.
Otro de los grandes logros recientes ha sido la utilización habitual de
sistemas vivos simples, como levaduras, bacterias y hongos, para producir
importantes sustancias. También es usual la síntesis bioquímica de materiales
biológicos. La bacteria Escherichia coli se utiliza para obtener
insulina humana, las levaduras para producir alcohol y los hongos para obtener
penicilina.
Monografías
