Representación de reacciones químicas

Tipos de reacciones químicas

Las reaccionesquímicas ocurren a nuestro alrededor en todo momento. Son tan comunes, que a menudo ni siquiera nos damos cuenta de cuándo ocurren.

Puesto que las reacciones químicas son tan comunes, es importante distinguirlas de las reacciones físicas. Un cambio físico es simplemente una sustancia que experimenta un cambio de estado. Como el hielo que se derrite, o el agua gaseosa que se condensa, estos cambios son agua que sigue siendo agua. Aunque siguen siendo importantes y muy frecuentes, no deben confundirse con un cambio químico.

Interacciones de la materia

La interacción de todas las cosas, ya sean átomos, moléculas, seres vivos o incluso estrellas, provoca reacciones. Centrémonos en la interacción de átomos y moléculas. Si evacuaras todo el aire de una caja y crearas el vacío, tendrías una caja sin nada de materia. Estaría completamente vacía. Ahora bien, supongamos que liberas en su interior gas _H2 puro, seguido de gas _O2 puro. ¿Ocurriría algo?

Pues bien, por razones termodinámicas y cinéticas, reaccionarían. Más concretamente, reaccionarían para formar agua según la siguiente reacción:

$$ 2H_2(g) + O_2(g) \rightarrow 2H_2O(g) $$

Cuando las moléculas están en fase gaseosa, están llenas de energía. Estas moléculas vibran muy deprisa, lo que hace que se difundan rápidamente. Cuando chocan con otra molécula, transfieren su energía vibratoria a otra molécula. Esto ocurre miles de veces por segundo, lo que hace que estos dos gases se mezclen muy rápidamente.

Cuando dos moléculas chocan entre sí, a veces se transfieren suficiente energía para reaccionar. Si una reacción está permitida tanto termodinámica como cinéticamente, entonces una colisión puede producir suficiente energía para provocar una reacción.

En estado gaseoso, las moléculas tienen más energía y se mueven más rápidamente. Las reacciones químicas suelen producirse en este estado, pero también pueden producirse en estado líquido o sólido. Que se produzca algo depende de la energía y de la proximidad. Vamos a echar un breve vistazo a:

• Reacciones de Combinación y Descomposición
• Reacciones de sustitución simple y doble
• Reacciones de combustión
• Reacciones ácido-base
• Reacciones redox

Reacciones de combinación y descomposición

Las reacciones de combinación y descomposición pueden considerarse reacciones que se mueven en sentido contrario.

• En lasreacciones de combinación , varios reactantes se combinan para formar un único producto.

$$ 2Na(s) + Cl_2 (g) \rightarrow 1NaCl (s) $$

En este ejemplo, dos moléculas reactantes separadas, sodio y cloro, se combinan para formar una molécula producto, la sal de mesa.

• Las reacciones dedescomposición son lo contrario a las reacciones de combinación. Un reactivo se descompone para formar varios productos.

Esto puede observarse cuando cualquier sal se disuelve en agua:

$$ NaCl (s) \rightarrow Na^+(aq) + Cl^-(aq) $$

Las sales se disociarán en el agua para formar los iones que constituyen la forma sólida. En esta reacción, una sola molécula se descompondrá en varios iones, formando una solución acuosa.

Reacciones de Reemplazo Simple y de Reemplazo Doble

• Tanto las reacciones de Reemplazo Simple como las de Reemplazo Doble implican la sustitución de un reactivo formado por diferentes componentes.

Para visualizarlo, destacaremos un ejemplo de reacción de sustitución simple.

$$ HCl(aq) + H_2O(l) + H_3O^+(aq) + Cl^-(aq) $$

En este ejemplo, el hidrógeno se transfiere del cloruro de hidrógeno al agua. El hidrógeno es el único átomo que se transfiere.

Las reacciones dedoble sustitución se comportan como otras reacciones de sustitución, pero se producen dos intercambios. Observa este ejemplo:

$$ AgNO_3 (s) + NaCl(s) + H_2O(l) \natural AgCl (s) + NaNO_3 (s) + H_2O(l) $$

En este ejemplo, la plata se intercambia con el sodio como cationes. Esto da lugar a 2 moléculas de reactivo que producen 2 moléculas de producto. Observa que el agua es un espectador y no participa en la reacción.

Reacciones de combustión

• Las reacciones decombustión se producen cuando se quema algún reactivo. Este proceso requiere oxígeno y da lugar a la liberación de energía (en forma de calor y luz) como subproducto.

Las reacciones de combustión alimentan vehículos, edificios y muchas otras facetas de la vida. La reacción de combustión más sencilla es la combustión del metano:

$$ CH_4 (g) + 2O_2 (g) + 2H_2O (g) $$

Las reacciones de combustión siempre quemarán materia orgánica y oxígeno para formar dióxido de carbono y agua como productos. Estas reacciones pueden ser muy complicadas, pero siempre producirán agua y dióxido de carbono^.1

Reacciones ácido-base

Otro conjunto de reacciones, conocidas como reacciones ácido-base -oreacciones de neutralización- suelen tener lugar en el agua.

• Las reacciones ácido-base implican que un ácido y una base reaccionan para formar agua y una sal.

$$ HCl (aq) + NaOH (s) H_2O (l) + NaCl (aq) $$

En esta reacción, el ácido clorhídrico -un ácido fuerte- reacciona con el hidróxido sódico -una base fuerte- para formar agua y una sal de cloruro sódico. El ácido cede su hidrógeno, también conocido como "protón", a la base, que toma el protón. Esta reacción se acaba de mostrar como la reacción completa, pero para ayudar a visualizar cómo son el ácido y la base, vamos a intentar escribirla de una forma un poco diferente.

$$H_3O^+(aq)+OH^-(aq) \N flecha recta H_2O\,(l) $$

El ion hidronio, ^H3O+, es la molécula ácida. La base de hidróxido, ^OH-, está cargada negativamente y le gusta interactuar con especies cargadas positivamente. Estas dos especies altamente reactivas se unen para formar agua. Se neutralizan mutuamente sus cargas y reactividad.

El ejemplo dado es un ejemplo de ácidos fuertes que reaccionan con bases fuertes. No siempre es así; piensa en la reacción entre el vinagre y el bicarbonato sódico, que es un ácido débil y una base débil.

Reacciones redox

Las reaccionesredox son el último tipo de reacciones que mencionaremos.

• Las reacciones redox, conocidas como reacciones de reducción-oxidación, son reacciones iónicas.
• Estas reacciones implican el intercambio de electrones entre dos átomos o moléculas diferentes.
• Una molécula cederá electrones, lo que se denomina oxidación.
• La otra molécula tomará los electrones, lo que se denomina reducción.

Considera:

$$ Zn (s) + Cu^ {2+} (aq) πrightarrow Zn^ {2+} (aq) + Cu (s) $$

En esta reacción, el zinc metal cede dos de sus electrones al catión cobre. El resultado es un catión de zinc y un metal de cobre.

Ecuaciones de las reacciones químicas

Es importante comprender cómo leer y escribir ecuaciones. Lo primero que debemos discutir son las flechas de reacción. Aunque las reacciones pueden avanzar en una sola dirección, no siempre es así.

$$ 2Na (s) + Cl_2 (g) \rightarrow 2NaCl (s) $$

En este ejemplo, el sodio y el cloro reaccionan irreversiblemente para formar una sal. La flecha completa significa que la reacción no se produce en sentido contrario. Cuando los reactivos reaccionan juntos, se convierten en otra cosa y no vuelven a su forma original.

Esto no siempre ocurre en las reacciones. De hecho, a menudo, las reacciones forman un equilibrio dinámico. Esencialmente, hay un movimiento de los reactantes a los productos, y de los productos a los reactantes.

$$ H_3O^+ (aq) + OH^ - (aq) \rightleftharpoons H_2O (l) $$

El ácido y la base reaccionarán juntos para formar agua, neutralizándose mutuamente. Sin embargo, el agua también se separará y volverá a los reactantes. Las flechas de esta reacción se llaman flechas de equilibrio porque esta reacción se nivelará hasta alcanzar un estado estacionario. Ahora bien, eso no significa que los reactantes y los productos estén en cantidades iguales. El agua está presente en cantidades millones de veces superiores a sus reactantes. Sin embargo, siempre habrá algo de hidronio, y algo de hidróxido, en una disolución. Como esta reacción es reversible, también puede escribirse en el otro sentido.

$$ H_2O (l) \rightleftharpoons H_3O^+ (aq) + OH^ - (aq) $$

Otra cosa importante que hay que tener en cuenta al estudiar las ecuaciones químicas son los estados físicos de las sustancias. Probablemente te hayas fijado en los siguientes estados

• Sólido, (s)
• Líquido, (l)
• Gas, (g)
• Acuoso, (aq)

Acuoso sólo significa que la sustancia está disuelta en agua. Puede incluir iones, o moléculas completas, que están contenidas en el agua. Si se añade un líquido al agua, pero no se mezcla, entonces no sería acuoso.

Breve representación de una reacción química

En el laboratorio, se te pide que prepares una disolución madre de hidróxido de sodio concentrado, NaOH. Más tarde la utilizarás para neutralizar una disolución ácida de ácido sulfúrico concentrado, _H2SO4. Observa que el hidróxido sódico es una base fuerte y que el ácido sulfúrico es un ácido fuerte. Luego anotas todo lo que haces y registras la ecuación de la reacción. Cuando termines, tu diario de laboratorio tendrá este aspecto

• Añadiste 40 g de hidróxido de sodio, NaOH, a una solución de 1 L de agua y agitaste hasta que se disolvió todo.
• Preparaste una reacción con ácido sulfúrico concentrado, _H2SO4.
• Neutraliza la solución de _H2SO4 con NaOH. Añadiste NaOH gota a gota. La reacción de neutralización fue muy exotérmica.
• Comprobó el pH de la solución cada pocas decenas de gotas hasta que la solución tuvo un pH neutro (pH = 7).
• \(NaOH (aq) + H_2SO_4 (aq) en lugar de H_2O (l) + NaHSO_4 (aq) \)

Esto puede representar algo que harías en un laboratorio real. Saber lo que estás haciendo es esencial si quieres evitar hacer algo potencialmente catastrófico. Por ejemplo, en esta reacción, la neutralización del ácido sulfúrico produce mucho calor. Si lo haces demasiado deprisa, podría producirse un accidente grave. Conocer la ecuación de la reacción y las propiedades tanto de los reactantes como de los productos es absolutamente necesario cuando se llevan a cabo reacciones químicas.

Representación visual de una reacción química

Las reacciones químicas pueden verse cada vez que enciendes una llama, horneas un pastel o creas un volcán con bicarbonato y vinagre. Algunas no pueden verse, pero sigue siendo importante reconocer que están ocurriendo y su aspecto a escala molecular.

Cuando el metano, un gas inflamable, se enciende en presencia de oxígeno, se descompone en sus átomos. Los enlaces del _CH4 se romperán y el carbono reaccionará con un equivalente de oxígeno para formar_CO2. Los cuatro hidrógenos reaccionarán con otro equivalente de oxígeno para formar dos equivalentes de agua.

A escala microscópica, los enlaces se rompen y los enlaces se forman. A escala macroscópica, el metano se enciende con una gran bola de llamas. Es fácil saber que se ha producido una reacción química porque se ha producido un cambio visual. Los cambios visuales son un gran indicador de que se ha producido una reacción química.

Representación de una reacción química que utiliza símbolos

Hemos visto muchos ejemplos diferentes de reacciones químicas. Una representación de una reacción química que utilice símbolos es aquella que combina todas las herramientas que hemos aprendido hasta ahora. Combinando los estados de las moléculas, las flechas de reacción y las especies iónicas, podemos construir correctamente ecuaciones químicas.