FÓRMULAS Y ECUACIONES QUÍMICAS

Transcripción

1 reflexiona Imagina que tú y otros tres compañeros de clase tienen ingredientes suficientes para preparar una pizza de pepperoni. La receta puede incluir una bola de masa, una taza de salsa para pizza, una taza de queso y 20 rodajas de pepperoni. Aunque puedes cortarla en varias rebanadas después de hacer la pizza, sería imposible convertir una pizza en dos pizzas del mismo tamaño sin tener más masa, salsa, queso y pepperoni. Sería imposible poner una pizza de pepperoni en el horno y convertirla en una pizza de hongos mientras se cocina. Al igual que una receta, las reacciones químicas dependen de las sustancias de inicio. Cómo crees que podrías describir las moléculas involucradas en una reacción? La materia no se puede crear ni destruir; una pizza de hongos no se puede hacer con los ingredientes de una pizza de pepperoni. Las fórmulas químicas describen átomos que se mantienen unidos por enlaces químicos. Un compuesto es un grupo de átomos de elementos diferentes que se unen al transferir o compartir electrones. Los átomos se mantienen unidos mediante una atracción química llamada enlace. Un compuesto covalente se forma cuando dos o más átomos se combinan compartiendo electrones. La unidad más pequeña de un compuesto covalente se llama molécula. Tal vez estés familiarizado con una molécula de agua o dióxido de carbono. Un ejemplo de átomos unidos por la transferencia de electrones es el cloruro de sodio. Tal vez también hayas visto las fórmulas químicas de estos compuestos. Una fórmula química es una representación de la unidad más pequeña de un compuesto usando símbolos elementales para mostrar el tipo de elementos de la unidad. Los subíndices se usan en la fórmula química para mostrar el número de cada tipo de elemento. Cada elemento está representado en la fórmula química. El número de cada tipo de elemento está representado por un subíndice después del símbolo. Observemos cómo escribir las fórmulas químicas de algunas sustancias comunes. Algunas sustancias contienen solo dos tipos de átomos. Un ejemplo es el cloruro de sodio, también conocido como sal. Su fórmula química usa los símbolos del sodio (Na) y el cloruro (Cl): NaCl. El agua también contiene dos átomos diferentes. El agua está formada por hidrógeno (H) y oxígeno (O). Tiene la fórmula química H 2 O. El subíndice después de la H en la fórmula se escribe para identificar el número de átomos de hidrógeno en la molécula. Por lo tanto, la molécula de agua contiene dos átomos de hidrógeno. Cuando la unidad más pequeña de un compuesto contiene un solo átomo de un elemento, como el oxígeno en el agua, o el sodio y el cloruro en la sal, no es necesario un subíndice. Una molécula de agua contiene dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno. Por lo tanto, su fórmula química es H 2 O. 21

2 qué piensas? Algunos compuestos pueden contener pocos átomos, como el cloruro de sodio y el agua. Otros pueden contener números y tipos múltiples de átomos. En algunos casos, los átomos del mismo elemento se unen entre sí. Observa las fórmulas químicas de la glucosa (rojo), el oxígeno (azul) y el dióxido de carbono (verde). Cómo sabes qué elementos hay en cada compuesto? Identifica los tipos de elementos y el número de átomos de cada elemento en cada uno de los siguientes compuestos. C 6 H 12 O 6 O 2 CO 2 (Glucosa) (Oxígeno) (Dióxido de carbono) Las ecuaciones químicas describen reacciones químicas. En una reacción química, las moléculas sufren un cambio. Los átomos se reubican para formar nuevas sustancias. Las ecuaciones químicas se escriben para mostrar qué sucede con los átomos en una reacción química. Una ecuación química muestra los cambios en la ubicación de los átomos. Observemos las partes de una ecuación química. Reactivos: En una ecuación química, los reactivos, que son las sustancias iniciales, generalmente se escriben del lado izquierdo de la ecuación. Productos: Los productos de la reacción son las sustancias que se dan como resultado de la reacción. Los productos generalmente se escriben del lado derecho de la ecuación. Los reactivos están separados de los productos por una flecha. La dirección de la fecha apunta hacia los productos de la reacción. Un ejemplo de reacción química ocurre cuando el gas oxígeno y el gas hidrógeno se reubican para formar agua. El gas oxígeno (O 2 ) y el gas hidrógeno (H 2 ) son los reactivos. El agua (H 2 O) es el producto de la reacción. Durante la reacción, los átomos de los reactivos se reubican en una nueva sustancia, el producto. Esta es la reacción que muestra los reactivos en un círculo: 22

3 Esta es la misma reacción con un círculo alrededor de los productos: En la reacción anterior, una molécula de O 2 reacciona con dos moléculas de H 2 para formar dos moléculas de agua. Sabes esto a partir del número escrito antes de cada sustancia de la reacción. Este número se llama coeficiente. Se usa un coeficiente en una ecuación química para mostrar cuántas moléculas participan en la reacción. El H 2 y el H 2 O tienen un coeficiente de dos cada uno. Esto significa que se necesitan dos moléculas de gas hidrógeno para formar dos moléculas de agua. Un coeficiente de 1 nunca está escrito delante de una sustancia. Es por eso que no existe ningún coeficiente delante de la molécula de O 2. Solo se necesita una molécula de oxígeno para formar dos moléculas de agua. Las ecuaciones químicas cumplen con la ley de conservación de la masa. La ley de conservación de la masa expresa que, en una reacción química, no se crea ni se destruye masa. Debes cumplir esta ley cuando escribes una ecuación química. De la misma manera en que no puedes hacer una pizza de hongos a partir de de una pizza de pepperoni, se deben incluir los mismos átomos en los reactivos y los productos de una ecuación química. Cada lado de la ecuación química, es decir, reactivos y productos, deben estar balanceados. Esto significa que el número y el tipo de elementos del lado de los reactivos debe ser el mismo que del lado de los productos, o iguales a estos. Observa la ecuación en el diagrama superior a la derecha ( no balanceado ). Esta ecuación muestra la reacción del metano (CH4) con el gas oxígeno (O2). El producto es dióxido de carbono (CO2) y agua (H2O). Esta ecuación no está balanceada. Hay un átomo de carbono en cada lado de la ecuación, por lo tanto el átomo de carbono está balanceado. Sin embargo, hay cuatro átomos de hidrógeno en el lado de los reactivos y solo dos átomos de hidrógeno en el lado de los productos. Hay también dos átomos de oxígeno en el lado de los reactivos y tres átomos de oxígeno en el lado de los productos de la ecuación. 23

4 Para balancear una ecuación, se pueden agregar o quitar coeficientes de una fórmula en una reacción. En la ecuación anterior, los átomos de hidrógeno pueden estar balanceados agregando un coeficiente de 2 al H 2 O. Luego, los átomos de oxígeno pueden estar balanceados agregando un coeficiente de 2 al O 2. El diagrama inferior de la izquierda muestra una ecuación balanceada para esta reacción. En este punto, hay números iguales de átomos de carbono, hidrógeno y oxígeno en el lado de los reactivos y de los productos de la ecuación. Hay 4 átomos de hidrógeno, 1 átomo de carbono y 4 átomos de oxígeno en ambos lados de la ecuación. Para balancear una reacción, debes confirmar que todos los átomos están balanceados. De esta manera, la ecuación se escribe para cumplir la ley de conservación de la masa. atención! Cuando balancees ecuaciones, no confundas el coeficiente con el subíndice de una fórmula. Recuerda que el coeficiente describe el número de moléculas de cada sustancia que están presentes durante una reacción. Puedes cambiar este número para balancear una reacción química. El índice en una fórmula química determina el número de átomos que están presentes durante la reacción química. El número no se puede cambiar para balancear la reacción química. En la ecuación balanceada de la derecha, puedes agregar coeficientes para balancear la ecuación, pero los índices no cambian en ninguna reacción. Completa los espacios en blanco en el diagrama para que las ecuaciones balanceadas y no balanceadas muestren de qué manera agregar coeficientes balancea el número de cada tipo de átomo. Puedes verificar tus respuestas en la parte inferior de la página siguiente. Perspectiva técnica: Las ecuaciones químicas de los vehículos Una medida de seguridad ante un accidente de tránsito son las bolsas de aire inflables. Ante el impacto, las bolsas de aire se inflan rápidamente y proporcionan protección al pasajero para evitar lesiones. La siguiente ecuación química representa la reacción primaria que permite que la bolsa de aire se infle: 2NaN 3 2Na + 3N 2 24

5 El NaN3 es la azida de sodio. Es una sustancia sólida que es un reactivo en la reacción. Está almacenada en un espacio muy pequeño, como el volante del carro. Cuando ocurre un accidente, comienzan las reacciones. El N 2 se conoce como gas nitrógeno. La producción de este gas hace que la bolsa de aire se infle. El gas nitrógeno ocupa un volumen grande que infla la bolsa de aire. Es importante que los científicos comprendan la ecuación química de esta reacción. Deben saber cuánta azida de sodio es necesaria para producir una cantidad de gas nitrógeno que inflará la bolsa de aire adecuadamente. Las bolsas de aire se inflan por reacciones químicas que se pueden describir mediante ecuaciones químicas. Por qué los científicos necesitan entender estas ecuaciones? atención! Qué cantidad de cada tipo de átomo está presente en las ecuaciones químicas balanceadas y no balanceadas? Estas son las respuestas: Qué tanto sabes? Se pueden escribir ecuaciones químicas para describir reacciones químicas. Observa las ecuaciones químicas en la tabla de la página siguiente. Para cada ecuación, cuenta 25

6 el número de cada tipo de átomo en los reactivos y los productos. Luego, escribe Balanceada o No balanceada al lado de cada ecuación. Ecuación química H 2 + I 2 2HI (el hidrógeno reacciona con el yodo) 2Al + 3O 2 2Al 2 O 3 (el aluminio reacciona con el oxígeno) 2Zn + 2HCl ZnCl 2 + H 2 (el zinc reacciona con el cloruro de hidrógeno) Balanceada o No balanceada? En cada una de las siguientes ecuaciones, la línea en blanco muestra un término que falta. El término puede ser un símbolo del elemento, un coeficiente o un índice. Decide qué término balancearía la ecuación. Escribe el término que falta en la segunda columna. Luego, determina los reactivos (columna 3) y los productos (columna 4) de la reacción. Algunas reacciones tal vez tengan un solo reactivo o producto y otras reacciones tal vez tengan múltiples reactivos o productos. Escribe tus respuestas en los espacios de la tabla. (La primera reacción involucra cloruro de sodio, no involucra sodio, carbono ni yodo). Ecuación química Término faltante Reactivos Productos 2NaCl 2Na + Cl C 4 + 2O 2 CO 2 + 2H 2 O 6 O 2 + 6H 2 O C 6 H 12 O 6 + 6O 2 26

7 conéctese con su hijo Cocinar con fórmulas químicas y ecuaciones Para ayudar a los estudiantes a aprender más acerca de fórmulas químicas y ecuaciones, trabaje con su hijo para explicar de qué manera las ecuaciones son similares a una receta que se puede usar para cocinar. Curiosamente, existen muchas maneras diferentes de usar reacciones y ecuaciones químicas para cocinar. Por ejemplo, cuando hornea un pastel, una de las reacciones químicas que se producen consiste en la reacción del bicarbonato de sodio con el agua para producir gas dióxido de carbono. Este gas produce los orificios que le dan a la torta esa textura ligera y esponjosa. Un tipo de reacción similar se produce cuando se mezcla bicarbonato de sodio con vinagre. Trabaje con su hijo para investigar, ya sea en línea o en un libro de texto, la fórmula química del bicarbonato de sodio y el vinagre. (Pista: la sustancia que reacciona en el vinagre se llama ácido acético). Luego, trabaje con su hijo para tratar de balancear la reacción que ocurre cuando se mezclan bicarbonato de sodio y vinagre. Recuerde que el dióxido de carbono (CO 2 ) es un producto de la reacción. Después de su investigación, trabaje de cerca con su hijo para probar esta reacción. En el fregadero o al aire libre, use un embudo para colocar una cucharada de bicarbonato de sodio en un globo desinflado. Luego, vierta ¼ taza de agua y ¼ taza de vinagre en una botella de plástico transparente y vacía. Acomode cuidadosamente el cuello del globo sobre el cuello de la botella, teniendo cuidado de no permitir que el bicarbonato de sodio caiga dentro de la botella. Por último, sostenga la botella firmemente cuando levante el extremo del globo para que la levadura caiga dentro del agua y el vinagre. El globo se inflará con del dióxido de carbono que se produce en la reacción. Después de llevar a cabo la reacción, puede comentar con su hijo preguntas como estas: Por qué se usan fórmulas químicas para representar el vinagre y el bicarbonato de sodio? Qué elementos hay en los reactivos iniciales, el bicarbonato de sodio y el vinagre? Cómo se compara esto con los elementos de los productos? Cómo sabes que ocurrió una reacción química? Cómo sabes que se formó dióxido de carbono (un gas) en la reacción? Por qué se usa una ecuación química para representar la reacción? 27