TRANSFORMACIONES QUÍMICAS CAMBIOS FÍSICOS Y CAMBIOS QUÍMICOS Todas las sustancias pueden transformarse y pasar de un estado inicial a otro final si se las somete a determinadas condiciones. Por ejemplo, si se calienta suficientemente un cazo con agua, el agua se transforma en vapor de agua. Si dejamos destapada una botella con vino, al cabo de un tiempo el vino se transforma en vinagre. Las transformaciones que sufren las sustancias pueden ser de dos tipos: transformaciones físicas y transformaciones químicas. El agua líquida, al calentarse, cambia a vapor de agua pero sigue siendo agua, aunque en diferente estado. Si disolvemos sal en agua, la sal está disuelta pero sigue conservando sus propiedades y su identidad química. En las transformaciones físicas, las sustancias siguen manteniendo su identidad. El alcohol y el oxígeno del aire reaccionan cuando arden y se transforman en dióxido de carbono y agua. Si el gas cloro y el metal sodio se unen, reaccionan transformándose en sal común (cloruro sódico). Las transformaciones químicas se llaman también reacciones químicas. Es muy importante el estudio de las reacciones químicas; en ellas se basa gran parte del avance técnico e industrial de nuestra sociedad. En las transformaciones químicas, las sustancias iniciales se transforman en otras sustancias finales diferentes. ACTIVIDAD Cuál es el estado inicial y final en las siguientes transformaciones? Cuáles son transformaciones físicas y cuáles químicas? Por qué? a) Disolvemos agua en azúcar y queda una disolución edulcorada. b) Calentamos azúcar hasta que se funde. c) Seguimos calentando el azúcar y se transforma en una masa negruzca (carbón de azúcar) con sabor amargo. CÓMO SE PRODUCE UNA REACCIÓN QUÍMICA Una reacción química es el proceso por el cual se forman sustancias nuevas a partir de otras sustancias iniciales que se ponen en contacto. Puesto que las sustancias están formadas por átomos o moléculas, lo que sucede en una reacción es que las moléculas de las sustancias iniciales chocan unas con otras. Si estos choques tienen suficiente energía, los átomos de estas
moléculas se separan para reagruparse de nuevo en otras combinaciones más estables, formando así nuevas sustancias. Una mezcla de cloro e hidrógeno a temperatura ambiente y en la oscuridad se mantiene sin ningún tipo de transformación. Pero si se ilumina fuertemente, las moléculas diatómicas de los dos gases chocan con más energía y sus átomos se separan y se reordenan. Un átomo de cloro se une con un átomo de hidrógeno, formando así moléculas nuevas de cloruro de hidrógeno. A las sustancias iniciales que intervienen en una reacción se les llama reactivos, y a las sustancias finales que resultan se les llama productos. En la reacción anterior los reactivos son el cloro y el hidrógeno, y el producto es el cloruro de hidrógeno. Para que se inicie una reacción, generalmente es necesario aportar una energía inicial mediante calor, luz, una chispa eléctrica, etc. Esto hace que los choques entre las moléculas sean suficientemente intensos para romper enlaces e iniciar la reacción. Los choques moleculares son los responsables de la ruptura de enlaces que producen el comienzo de las reacciones químicas. ACTIVIDADES Si se ponen en contacto hidrógeno y oxígeno, por qué es necesario hacer saltar una chispa eléctrica para que se forme agua? Describe cómo crees que se produce esta reacción química. Cuáles son los productos y los reactivos en ella? El hierro se oxida cuando se combina con el oxígeno del aire. Indica los reactivos y los productos. ASPECTOS GENERALES DE LAS REACCIONES QUÍMICAS Son fundamentalmente dos, los aspectos energéticos, relativos al intercambio de energía, y los aspectos cinéticos, relativos a la velocidad de la reacción. Intercambio de energía La rotura y la formación de enlaces entre los átomos de cualquier sustancia son procesos en los que se producen variaciones de energía. Las reacciones químicas que desprenden energía (luz, calor...) se llaman exotérmicas. Las reacciones químicas que absorben energía se llaman endotérmicas. Velocidad de reacción Cuantas más moléculas de productos se formen por unidad de tiempo, más rápida se dice que es una reacción. Los factores que influyen en la velocidad de una reacción son los siguientes:
La naturaleza de los reactivos. Hay sustancias que inmediatamente después de ponerlas en contacto se transforman en otras nuevas, como ocurre con las limaduras de cinc y el ácido clorhídrico; sin embargo, otras son más lentas en reaccionar, como el oxígeno y el hierro. El grado de división de las sustancias reaccionantes, pues cuanto más divididas estén, más superficie de contacto presentan y se pueden producir más choques de unas moléculas con otras. La concentración. Cuanto más concentrados estén los reactivos, mayor probabilidad existe de que choquen las moléculas. La temperatura. Cuando aumenta la temperatura, las moléculas poseen mayor grado de agitación. Esto hace que cuando chocan, se rompan (y se formen) más enlaces (los choques son más eficaces). La presencia de catalizadores. Estas sustancias aumentan la velocidad de algunas reacciones. Llamamos velocidad de una reacción a la cantidad de productos que se forman por unidad de tiempo. ACTIVIDADES Cuando echamos vinagre sobre bicarbonato sódico, el recipiente se calienta un poco. Qué clase de reacción es, endotérmica o exotérmica? Como sabes, la oxidación del hierro (oxígeno + hierro) es muy lenta. Qué podríamos hacer para que fuera más rápida? CONSERVACIÓN DE LA MASA En toda reacción química hay rotura de moléculas pero no de átomos, los cuales se reagrupan de manera diferente y forman nuevas moléculas. En consecuencia, los mismos átomos que formaban parte de los reactivos son los que, combinados de forma diferente, forman parte de las moléculas de los productos. Esta es la explicación de la ley de conservación de la masa que enunció Lavoisier en el año 1785: «En todas las reacciones químicas, la suma de las masas de los reactivos es igual a la suma de las masas de los productos». Experiencia Coloca 10 mi de disolución de nitrato de plomo (II) y viértelo en un vaso de precipitados. En un tubo de ensayo, pon 10 ml de disolución de yoduro de potasio. Pesa estos dos recipientes a la vez con una balanza. Mezcla estas disoluciones. Aparece un sólido amarillo (precipitado) que es yoduro de plomo y queda nitrato de potasio en disolución. La reacción química que se produce es: nitrato + yoduro yoduro de plomo + nitrato d plomo (II) de potasio = (precipitado) de potasio Mide la masa final de los productos resultantes, sin olvidar el tubo de ensayo vacío. Podrás comprobar que la masa del conjunto no ha variado.
ACTIVIDADES Si 50 g de una sustancia reaccionan exactamente con 30 g de otra, qué masa tendrán los productos de esa reacción? Por qué? Al poner 1 mol de moléculas de cloro (Cl 2 ) en contacto con 1 mol de moléculas de hidrógeno (H 2 ) se transforman totalmente en cloruro de hidrógeno (HCl): a) Cuántos moles de átomos (hidrógeno y cloro) se ponen en contacto? b) Cuántos átomos? c) Cuántos átomos existen al final de la reacción? d) Cuántas moléculas de HCl se han formado? Y cuántos moles? ECUACIONES QUÍMICAS Las reacciones químicas se representan mediante expresiones simbólicas llamadas ecuaciones químicas. Experiencia Pon media espátula de cloruro de sodio (NaCI) en un vaso de precipitados. Añade agua y agita hasta conseguir disolver la sal. Vierte unas gotas de nitrato de plata (AgN0 3 ) sobre la disolución. Aparece una sustancia blanca insoluble, cloruro de plata (AgCI), y disuelto, nitrato de sodio (NaN0 3 ). La ecuación química de esta reacción se representa así: NaCI + AgN0 3 = AgCI j + NaN0 3 La ecuación química anterior se lee: Una molécula de cloruro sódico reacciona con una molécula de nitrato de plata y se forma una molécula de cloruro de plata más una molécula de nitrato de sodio. La flecha () que hemos puesto al lado del AgCI quiere decir que esta sustancia es un sólido y forma un precipitado. Si señalara hacia arriba () indicaría que es un gas que se desprende. Otras veces, a la derecha de alguna fórmula se pone (s), (I) o (g) para indicar que el estado de la sustancia en esta reacción es sólido, líquido o gaseoso. Una ecuación química consta de dos miembros separados por una flecha ( >) que indica el sentido en que transcurre la reacción. En el primer miembro se escriben las fórmulas de los reactivos, y en el segundo las de los productos. EJEMPLO Cómo se leen las ecuaciones químicas siguientes? a) 2H 2 (g) + 0 2 (g) = 2 H 2 0 (I)
b) C0 3 Ca (s) +CALOR = CaO (s) + C0 2 (g) carbonato óxido de calcio dióxido (caliza) (cal viva) de carbono a) Dos moléculas de hidrógeno gaseoso reaccionan con una molécula de oxígeno dando dos moléculas de agua líquida. b) Una molécula de carbonato de calcio se calienta y se descompone en una de óxido de calcio y otra de dióxido de carbono, que se desprende como gas. Cómo se leen las ecuaciones químicas siguientes? a) 2 Cu (s) + 0 2 (g) -> 2 CuO (s) (óxido de cobre (II)) b) Iz (9) + H 2 (9) = 2 HI (g) (yoduro de hidrógeno) Escribe la ecuación de las siguientes reacciones químicas: a) Una molécula de carbono reacciona con una molécula de oxígeno y se forma una molécula de dióxido de carbono (C0 2 ). b) Dos moléculas de agua se descomponen por electrólisis en dos moléculas de hidrógeno y una molécula de oxígeno.