Fundamentos de las Reacciones Químicas: Procesos, Leyes y Cálculos Estequiométricos

Cómo se produce una reacción química

Cuando se produce una reacción química, unas sustancias, los reactivos, se transforman en otras diferentes, los productos. Pero ¿cómo se producen las reacciones químicas? Según la teoría de colisiones, las partículas de los reactivos chocan entre sí y se rompen. Los átomos que se han liberado se reorganizan y forman nuevas sustancias. Observa cómo se produce la reacción en la que los gases cloro e hidrógeno se transforman en cloruro de hidrógeno.

Las moléculas de los reactivos están en continuo movimiento, chocando entre sí. Si chocan con la energía y la orientación adecuadas, el choque es eficaz.

• En un choque eficaz se rompen los enlaces entre los átomos de los reactivos.
• Cuantos más choques eficaces haya, más rápida es la reacción.

Factores que influyen en la velocidad de una reacción

Conocer cómo se produce una reacción nos permite controlarla, es decir, facilitar o dificultar que se produzca. Estos son los factores que influyen en la velocidad de una reacción:

• Temperatura: Cuanto mayor sea la temperatura, mayor será la energía que tienen las moléculas de los reactivos para producir un choque eficaz.
• El tamaño de las partículas: Cuanto más pequeñas sean las partículas, más fácil resultará su contacto con otros reactivos para que se produzca un choque eficaz.
• La concentración: Aumentar la proporción de algún reactivo en la reacción facilita que se produzcan choques eficaces. Por el contrario, disminuirla lo dificulta.
• Los catalizadores: Son sustancias que se añaden a una reacción para aumentar su velocidad. Son muy específicos, es decir, cada reacción necesita su propio catalizador.

¿Qué cambia y qué se conserva en una reacción?

Cuando una sustancia interviene en una reacción química, sus átomos, que estaban unidos de un modo, pasan a estarlo de otro. Esto hace que se conserven algunas características de la materia y otras cambien.

En 1772, el químico francés Antoine-Laurent Lavoisier, tras realizar con su esposa Marie-Anne Pierrette Paulze muchas experiencias, estableció la ley de la conservación de la masa.

Ley de la conservación de la masa

En una reacción química la materia no se crea ni se destruye, solo se transforma. En consecuencia, en una reacción química la masa permanece constante. Por ello, en las reacciones químicas la masa total de los reactivos es igual a la masa total de los productos.

Ecuación química

Para estudiar una reacción química se utiliza una representación llamada ecuación química.

• Átomos: En las sustancias simples sólidas, el coeficiente estequiométrico se refiere al número de átomos que intervienen en la reacción de esa sustancia.
• Sustancias moleculares: En las sustancias formadas por moléculas, como el H₂O y el O₂, los coeficientes estequiométricos se refieren al número de moléculas que intervienen.
• Cristales (iónicos y covalentes): La fórmula del cristal indica la proporción en que se combinan sus átomos expresada con los números más sencillos. Se considera equivalente a una molécula. Su coeficiente estequiométrico se refiere al número de equivalentes a moléculas que intervienen.

El ajuste de las ecuaciones químicas

Ajustar una ecuación química es encontrar los coeficientes estequiométricos adecuados para que el número de átomos de cada elemento sea el mismo antes y después de producirse la reacción química.

Cálculos estequiométricos

Los coeficientes estequiométricos de una ecuación química ajustada nos permiten deducir las cantidades de reactivos y productos que intervienen en la reacción química. Estos cálculos se llaman cálculos estequiométricos.

Para expresar esas proporciones en unidades de masa, debemos conocer la masa molar (M) de cada sustancia. Se obtiene sumando la masa atómica de todos los elementos de su fórmula y expresando el resultado en gramos.

Ley de las proporciones definidas de Proust

Cuando los átomos de los elementos químicos reaccionan para formar compuestos, siempre lo hacen en proporciones fijas.

Ley de los volúmenes de combinación

A comienzos del siglo XIX, el químico francés Joseph Louis Gay-Lussac estudió el comportamiento de los gases en las reacciones químicas y dedujo la siguiente ley: cuando en una reacción química intervienen gases que se encuentran en las mismas condiciones de presión y temperatura, la proporción en la que se combinan sus volúmenes guarda una proporción de números enteros.

El mol y la constante de Avogadro

En el SI, la unidad de masa es el kilogramo. Pero en química, para medir la cantidad de materia, el SI establece otra unidad: el mol.

• La masa de un mol se llama masa molar (M) y se expresa en gramos.
• Un mol de átomos de un elemento químico es la cantidad equivalente a la que indica su masa atómica en u, pero expresada en gramos.
• Un mol de una sustancia es la cantidad equivalente a la que indica la suma de la masa de todos los átomos de su fórmula en u, pero expresada en gramos.

En 1811, para intentar justificar la ley de volúmenes de combinación, el científico italiano Amedeo Avogadro formuló la siguiente hipótesis: «En las mismas condiciones de presión y temperatura, volúmenes iguales de diferentes gases contienen el mismo número de partículas».

Más adelante, el científico francés Jean B. Perrin determinó esa constante. Midió el número de partículas en 1 mol de cualquier gas y resultó ser 6,02 · 10²³. Le llamó número de Avogadro (Nₐ), en honor al físico italiano.