Fundamentos de la Química: Reacciones, Velocidad, Energía y Propiedades Ácido-Base

Fundamentos de las Reacciones Químicas

¿Qué son las Reacciones Químicas?

Las reacciones químicas son procesos mediante los cuales unas sustancias se transforman en otras diferentes, a través de la ruptura y formación de enlaces químicos.

Características de las reacciones químicas:

• Constan de reactivos (sustancias iniciales) y productos (sustancias resultantes).
• Los reactivos y productos pueden encontrarse en diferentes estados de agregación: gaseoso (g), sólido (s), líquido (l) o en disolución acuosa (ac).
• Deben estar ajustadas (balanceadas) para cumplir las leyes de conservación.

Leyes Fundamentales de la Química

Ley de Conservación de la Masa (Ley de Lavoisier)

La masa de las sustancias que reaccionan es igual a la masa de las sustancias resultantes. Es decir, la masa total se conserva en una reacción química.

Ley de los Volúmenes de Combinación (Ley de Gay-Lussac)

El volumen de gas que reacciona y el volumen de gas resultante guardan una proporción de números enteros sencillos, siempre y cuando se midan en las mismas condiciones de presión y temperatura.

Principios clave de Gay-Lussac:

• En las mismas condiciones de presión y temperatura, volúmenes iguales de gases diferentes contienen el mismo número de partículas.
• Las partículas de los elementos gaseosos no son átomos individuales, sino agregados de dos o más átomos denominados moléculas.
• En idénticas condiciones de presión y temperatura, un determinado número de moléculas de dos gases diferentes ocupan el mismo volumen.

Tipos de Reacciones Químicas

Las reacciones se pueden clasificar en varios tipos básicos:

• Síntesis o Combinación: Dos o más sustancias se combinan para formar una nueva sustancia.
  Ejemplo: A + B → AB
• Descomposición: Una sustancia se descompone en dos o más sustancias más simples.
  Ejemplo: AB → A + B
• Sustitución o Desplazamiento Simple: Un elemento sustituye a otro en un compuesto.
  Ejemplo: AB + X → AX + B

La Velocidad de Reacción

La velocidad de reacción es la cantidad de sustancia que se forma o que desaparece durante una reacción química en la unidad de tiempo. Varios factores influyen en esta velocidad:

Naturaleza de los Reactivos

Las propiedades intrínsecas de las sustancias que intervienen en la reacción química determinan su velocidad. Algunas sustancias reaccionan más rápido que otras por su estructura o tipo de enlace.

Superficie de Contacto

A mayor superficie de contacto entre los reactivos, mayor es la velocidad de reacción. Por ello, las reacciones se aceleran si los reactivos se pulverizan (aumentando su superficie) o si se disuelven uno en el otro.

Concentración de los Reactivos

La velocidad de una reacción es superior al aumentar la concentración de los reactivos, ya que un mayor número de partículas por unidad de volumen incrementa la frecuencia de los choques moleculares efectivos.

Temperatura

La velocidad de reacción generalmente crece con la temperatura. Se estima que, en general, un aumento de 10 ºC duplica la velocidad de reacción, debido a que las partículas tienen mayor energía cinética y, por tanto, más choques efectivos.

Utilización de Catalizadores

• Los catalizadores son sustancias que modifican la velocidad de una reacción química sin consumirse en el proceso.
• Pueden aumentarla, y se denominan catalizadores positivos.
• O bien pueden reducirla, y en ese caso se llaman inhibidores.
• Para intervenir en la reacción, solo es necesaria una pequeña cantidad de catalizador, que se recupera, por lo general, al final de dicha reacción.
• Los conservantes y antioxidantes alimenticios son ejemplos de inhibidores, cuya misión es retardar reacciones indeseadas (como la oxidación de los alimentos).

Energía en las Reacciones Químicas

Energía Intercambiada y Calor de Reacción

El calor intercambiado en las reacciones químicas se denomina calor de reacción. Según este intercambio, se distinguen dos tipos de reacciones:

• Reacción Exotérmica: Aquella que desprende calor al producirse, liberando energía al entorno.
• Reacción Endotérmica: Aquella que necesita absorber calor del entorno para poder producirse.

Intercambio de Calor y Energía de Activación

Tanto para romper un enlace como para formar otro, se requiere o se libera una cantidad de energía. El balance de energía total es el calor de reacción, es decir, la diferencia entre la energía necesaria para la ruptura de enlaces y la energía liberada en la formación de nuevos enlaces.

Además, para que una reacción se inicie, se debe vencer la inercia de los reactivos, por lo que se necesita una energía inicial mínima o energía de activación.

Reacciones de Combustión

La combustión es una reacción de oxidación rápida en la que se desprende calor y, con frecuencia, luz. Se realiza en presencia de oxígeno (comburente).

Ácidos y Bases: Propiedades y Conceptos

Propiedades de Ácidos y Bases

Ácidos:

• Tienen sabor agrio (ej. limón, vinagre).
• Cambian el color de muchos colorantes vegetales (ej. tornasol a rojo).
• Disuelven algunos metales, desprendiendo hidrógeno gaseoso.
• Pierden sus propiedades al reaccionar con las bases (neutralización).

Bases (o Álcalis):

• Tienen sabor amargo (ej. jabón).
• Cambian el color de muchos colorantes vegetales (ej. tornasol a azul).
• Tienen tacto jabonoso o resbaladizo.
• Pierden sus propiedades al reaccionar con los ácidos (neutralización).

Teoría de Arrhenius sobre Ácidos y Bases

• Un ácido es una sustancia que, en disolución acuosa, cede iones hidrógeno (H⁺).
• Una base es una sustancia que, en disolución acuosa, cede iones hidróxido (OH^-).

Concepto y Medida del pH

El pH es una medida de la acidez o alcalinidad de una disolución. Se define como el logaritmo negativo de la concentración de iones hidrógeno (H⁺):

pH = -log [H+]