Reacciones químicas

Química. Reacciones reversibles e irreversibles. Combustión. Descomposición. Reactivos. Electroquímica

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REACCIONES REVERSIBLES E IRREVERSIBLES

    La combustión de un trozo de papel es una reacción exotérmica que proporciona CO2 y vapor de H2O, como productos más significativos. A alguien se le podría ocurrir aprovechar la energía desprendida y regenerar el papel a partir de los productos obtenidos. Pero esto es imposible porque la energía desprendida se gasta en calentar el aire circundante, volviéndose inaprovechable. Por otro lado, los gases producidos (CO2 y vapor de H2O) se dispersan, imposibilitando las colisiones entre sus moléculas para formar de nuevo papel.

    Por otro lado, el carbonato cálcico, que se encuentra en la naturaleza como piedra caliza, yeso o marmol, se puede descomponer mediante el calor, a una temperatura de 1 200 0C, en óxido cálcico (cal) y dióxido de carbono, mediante la ecuacion:

CaCO3 CaO + CO2

    Pero si la reacción se efectúa en un recipiente cerrado y se deja despúes enfriar, el óxido cálcico y el dióxido de carbono formados se vuelven a combinar entre sí, regenerando el carbonato de calcio.

    De esta forma, podemos afirmar que hay reacciones químicas, como la descomposición del carbonato de calcio, que una vez formados los productos de reacción, éstos pueden combinarse entre sí para dar nuevamente los reactivos primitivos. La transformación química será, en estos casos, incompleta. denominan a este tipo de reacciones químicas reacciones reversibles y se presentan de la siguiente forma:

A±B C+D

que quiere decir que el reactivo A reacciona con el B para dar los productos más D.

 

REACCIONES QUÍMICAS

EN LA NATURALEZA ocurren continuamente cambios químicos que pueden pasar inadvertidos para los que no son especialistas en la disciplina. Difícilmente se puede estar consciente, por ejemplo, de las innumerables reacciones químicas que ocurren en nuestro cuerpo relacionadas con la respiración, el crecimiento, la alimentación, la reproducción, etcétera.

Las plantas verdes, por ejemplo, absorben dióxido de carbono (CO2) de la atmósfera y con la energía proveniente del Sol, el agua y la clorofila (pigmento que les da el color verde), son capaces de producir azúcares y oxígeno libre. Este complicado proceso químico de la naturaleza se llama fotosíntesis.

12 H2O + 6 CO2 → C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O

Metal + oxígeno = óxido metálico + absorción o desprendimiento de calor

El lenguaje simbólico de la química

En párrafos anteriores escribimos una reacción de oxidación de la siguiente manera:

Metal + oxígeno = óxido metálico + absorción o desprendimiento de calor

Para representar esta reacción de manera más económica y hacerla más explícita, se utilizan los símbolos de los elementos y las fórmulas químicas de los compuestos. Tomemos como ejemplo de un metal al mercurio, cuyo símbolo es Hg. La reacción química de oxidación del mercurio se expresaría en el lenguaje de la química:

Traduzcamos ahora, al lenguaje común, toda la información contenida en esta ecuación química. Primero veremos el significado de la ecuación y más adelante trataremos la información contenida en el recuadro.

Hg es el símbolo del mercurio y proviene del nombre original que se le dio en latín a este elemento: hydrargirium (que en español quiere decir plata líquida). Hg es, por lo tanto, una abreviatura del nombre.

(s) es una abreviatura de la palabra sólido.

(+) este signo, igual al de "suma" en las ecuaciones matemáticas, indica que el mercurio se unirá o combinará con el elemento que sigue a continuación.

(O2) O es el símbolo del oxígeno y el número 2 indica que se trata de una molécula de oxígeno formada por 2 átomos.

(g) indica que el oxígeno está en estado gaseoso.

La flecha sustituye al signo = de nuestra ecuación original simplemente porque la flecha puede hacerse del tamaño que se desea y a veces se puede poner información adicional sobre ella. En realidad no necesita mayor justificación: ¡los químicos la prefieren!

A los elementos a la izquierda de la flecha, en nuestro caso el Hg y el O2, se les suele llamar reactivos, y a los que están en el lado derecho de la flecha, productos. Quizá con esto hemos encontrado una justificación al uso de la flecha; los químicos dicen: "El mercurio al reaccionar con el oxígeno produce óxido de mercurio." Así pues, la flecha está en lugar de la palabra produce, el uso del signo = sería incorrecto, ya que de ninguna manera el mercurio y el oxígeno como elementos son "iguales" al óxido de mercurio, que es un compuesto.

Es importante saber si en una reacción química los productos pueden volver a reaccionar para formar los reactivos originales. Cuando esto sucede, se coloca en la ecuación una segunda flecha en sentido contrario:

A + B C + D

En este caso se dice que la reacción es reversible: puede ocurrir de derecha a izquierda y viceversa. Un ejemplo de una reacción reversible es la del hierro (Fe) con vapor de agua para producir el óxido de hierro 11-111 (Fe3O4) e hidrógeno (H2):

3 Fe + 4 H2O Fe3 O4 + 4 H2

Si se hace pasar vapor de agua sobre hierro caliente, la reacción procede de izquierda a derecha. Pero si se hace reaccionar hidrógeno con Fe3O4, la reacción procede de derecha a izquierda. Por cierto, al Fe3O4 le llamamos magnetita o, más comúnmente, piedra imán. Generalizando, para una reacción del tipo:

A + B C + D,

cuando ambas reacciones llegan a un estado en el cual se están formando C y D por reacción de A con B, con la misma rapidez que se combinan C y D para formar nuevamente A y B, se dice que se ha alcanzado un estado de equilibrio dinámico. Este equilibrio es función de la temperatura, de la presión y de las cantidades en exceso de reactivos o productos que puedan estar presentes.

Energía y rapidez de reacción

En todas las reacciones químicas ocurren cambios de energía, es decii; se puede absorber o liberar energía en forma de calor, luz, energía eléctrica, etcétera.

Si en una reacción se libera energía en forma de calor; decimos que la reacción es exotérmica; si la energía es absorbida, entonces la reacción es endotérmica.

La manera de expresar esto en el lenguaje de las reacciones químicas es mediante el símbolo H (cambio de entalpía), que precedido de un signo negativo (-H) indica que la energía es liberada; otra forma de expresar lo mismo es H < O, esto es, que H es menor que cero. Si en la reacción se absorbe energía, se antepone un signo + (+H) o bien en su forma equivalente H> O (H es mayor que cero).

Ejemplos:

Mg (s) + O2 (g) MgO (s); H < 0

Hg (s) + O2 (g) HgO (s); H < 0

 

Lo anterior lo podemos resumir en este cuadro:

El símbolo H representa la entalpía del sistema y es una función con propiedades semejantes a la energía interna (U). Cuando los procesos se llevan a cabo a presión constante, es más conveniente utilizar la función entalpía.3

Un ejemplo de una reacción exotérmica común es la combustión del gas natural:

CH4(g) + 2 O2(g) → CO2(g) + 2H2O(l); H < 0

Se obtienen unas 13 300 calorías por cada gramo de metano (CH4) quemado.

Un ejemplo de reacción endotérmica es la producción del ozono (O3). Esta reacción ocurre en las capas altas de la atmósfera, donde las radiaciones ultravioleta proveen la energía del Sol. También ocurre cerca de descargas eléctricas (cuando se producen tormentas eléctricas):

3 O2 + ENERGÍA→ 2 O3 ; H < 0

El olor del ozono puede usted reconocerlo aun en pequeñas cantidades, por ejemplo: cuando un tren eléctrico de juguete está en operación y saltan chispas. Es un olor irritante.

 

 

Figura 34. Foto de un día muy contaminado.

informes que la Secretaría de Medio Ambiente, Recursos Naturales y Pesca (SEMARNAP) presenta al respecto. ¿Qué reacciones químicas están ocurriendo en la atmósfera de esta ciudad que causan una excesiva cantidad de ozono, tan perjudicial para la salud?

Desde luego no es la reacción natural, que hemos descrito y que ocurre en las capas altas de la atmósfera (estratosfera) ya que las radiaciones (fotones) no alcanzan la superficie terrestre. Los científicos no tienen todavía respuestas absolutas con respecto a este proceso de contaminación pero piensan que, al menos de manera parcial, puede ocurrir lo siguiente:

El dióxido de nitrógeno (NO2) es un componente normal del aire, y se disocia por la acción del Sol en la siguiente reacción:

NO2 → NO +O

El oxígeno atómico (O) formado, reacciona a su vez con el oxígeno molecular (O2) presente en el aire.

O + O2 → O3

El ozono producido vuelve a reaccionar con el NO de la primera reacción:

O3 +NO → NO2 + O2

en un ciclo natural que evita la producción excesiva de ozono en la superficie.

Sin embargo, pruebas realizadas en el laboratorio demuestran que ciertos tipos de hidrocarburos producidos con los gases de combustión de los motores (sobre todo de la gasolina de los autotransportes) parecen alterar este ciclo natural del NO2. Estos hidrocarburos reaccionan con el oxígeno y los productos formados reaccionan a su vez con el NO para formar NO2. En esta forma, se aumentan las proporciones de O3 y O2 al ser eliminado el NO.

Tanto el exceso de O3 como el de NO2 son peligrosos para plantas y animales. El NO2 es un gas picante, de olor dulzón, de color café amarillento (¿usted recuerda el color del llamado smog?). Otro efecto peligroso es que cuando este exceso de NO2 reacciona con vapor de agua se forma el ácido nítrico (HN03), compuesto muy conocido, que forma parte de la llamada lluvia ácida, otro de los desastres de las ciudades muy contaminadas. Otro componente de la lluvia ácida, el más importante, es el ácido sulfúrico (H2SO4) que se forma debido a un exceso del elemento azufre (S) también presente en el petróleo. El azufre, durante la combustión, forma SO2 y SO3, que se combinan con las moléculas de H2O:

SO3+ H2O → H2SO4

La energía asociada con las reacciones químicas está relacionada con las energías de unión entre los átomos que forman las moléculas. Este proceso es complejo, ya que durante una reacción algunas uniones químicas se rompen y otras se forman. Por ejemplo, en la formación del ozono a partir de oxígeno:

 

O2 + O

O3

 

En el caso de la reacción de combustión del gas natural (metano):

 

CH4 + 2O2

CO2 + 2H2O

Se rompen uniones CH

Se rompen uniones O2

(Se absorbe menos energía)

 

Se forman uniones CO

Se forman uniones OH

(Se libera más energía)

Resultado neto: se libera energía.

 

ELECTROQUÍMICA

En la sección anterior hemos visto cómo están asociadas las reacciones químicas con los cambios de energía, principalmente en su forma de calor.

El ingenio del hombre ha permitido construir sistemas en los que se utilizan otras reacciones químicas que liberan energía, pero no en forma de calor sino como una corriente eléctrica. Son las conocidas pilas, una de cuyas versiones utilizamos diario para proveer de energía diversos aparatos portátiles como radios de transistores, grabadoras, linternas, etc. Esta pila común es la "pila seca" o pila de Leclanché.

Así como algunas reacciones químicas nos proporcionan energía eléctrica, en ocasiones podemos utilizar el proceso inverso: si aplicamos corriente eléctrica a un sistema químico, podemos producir reacciones químicas y lograr que la energía quede acumulada como energía interna en los productos de la reacción. Un caso interesante es el acumulador que utilizan los automóviles, ya que en él se presenta la interconversión de energía eléctrica y química. Para que el motor arranque se requiere de energía eléctrica, la cual es proporcionada por una reacción química que se produce en el acumulador. Una vez puesto el motor en marcha, un dispositivo genera corriente eléctrica que es suministrada al acumulador para recargarlo". Si cuidamos el acumulador, el ciclo de carga-descarga se puede llevar a cabo miles de veces.

 

Reacción química en el acumulador (A + B→ C + D )

Energía eléctrica

Energía eléctrica

Reacción química inversa en el acumulador (C+ D → A+ B)