Cambios químicos y reacciones: conceptos básicos, teoría atómica, velocidad, catalizadores, cantidad de sustancia, concentración molar, cálculos de reacciones, energía

Cambios químicos

1.1 Conceptos básicos

En una reacción química se parte de unas sustancias denominadas reactivos, presentes antes del cambio, y se obtienen otras nuevas como consecuencia del cambio, denominadas productos de la reacción.

Para que se produzca el cambio químico, los reactivos han de estar en contacto entre sí. Durante el proceso también se producen cambios físicos que los evidencian, como se muestra a continuación.

Evidencias físicas de un cambio químico: ejemplos:

• Intercambio de energía
• Cambio de color
• Cambio de estado

1.2 Teoría atómica de las reacciones químicas

Durante un cambio químico, la masa se conserva, es decir la suma de las masas de los reactivos es igual a la suma de las masas de los productos. Este enunciado se conoce como ley de la conservación de la masa.

1.3 Expresión de una reacción química: la ecuación química

Las ecuaciones químicas expresan la relación entre los reactivos y los productos durante una reacción química, y la proporción que guardan entre sí sus unidades elementales mediante coeficientes estequiométricos.

Velocidad de reacción

La velocidad a la que transcurre una reacción química se define en función del tiempo que tarda en desaparecer un reactivo o en aparecer un producto.

En ocasiones, también se puede determinar por la variación de otra propiedad en el lugar donde ocurre la reacción química.

Teoría de colisiones

Como hemos visto, en una reacción química se rompen y se forman enlaces como resultado de las colisiones que tienen lugar entre las unidades elementales de los reactivos.

No todas las colisiones dan lugar a la ruptura o formación de enlaces; no todas las colisiones son efectivas. Solo lo son las que tienen energía suficiente y en las que las moléculas tienen una orientación adecuada.

Factores que influyen en la velocidad de reacción

Existen diversos factores que pueden alterar la velocidad de reacción.

Dependiendo del estado de agregación de los reactivos, tendrán mayor o menor importancia. Estos son:

• Temperatura:

En las reacciones en las que intervienen sustancias en estado líquido o gaseoso, un aumento de la temperatura hace que aumente la velocidad de las unidades elementales de los reactivos. Esto causa un mayor número de colisiones con suficiente energía para que la reacción progrese.

Concentración de reactivos:

En reacciones que ocurren en disolución acuosa, un aumento de la concentración de los reactivos implica una mayor probabilidad de que se produzcan colisiones, aumentando así la velocidad de reacción.

Grado de división de los reactivos:

En el caso de que uno de los reactivos se encuentre en estado sólido, el tamaño de las porciones de este es determinante en la velocidad del cambio químico.

Catalizadores

Los catalizadores son sustancias químicas que modifican la velocidad de una reacción química sin alterar la naturaleza ni de los reactivos ni de los productos.

Cantidad de sustancia

La cantidad de sustancia, n, es una medida del número de unidades elementales que contiene una determinada porción de una sustancia. Su unidad en el Si es el mol.

Número de Avogadro: (mol) 6,022•10²³ unidades elementales.

n= N/N(sub a)

Masa y volumen molares

La cantidad de sustancia se cuantifica de forma indirecta midiendo la masa o el volumen de una sustancia. Por eso, se establece una relación entre estas magnitudes y la cantidad de sustancia. Así:

La masa molar, M, de una sustancia es la masa, m, expresada en gramos, de un mol de sustancia. Su unidad es g mol, y su valor numérico coincide con la masa molecular o la masa de la unidad fórmula de una sustancia. La relación matemática entre estas magnitudes y la magnitud cantidad de sustancia es:

n(mol)= m(g) / M(g•mol^-¹)

El volumen molar es el que ocupa un mol medido en determinadas condiciones de presión y temperatura. En condiciones normales, c.n. (273 K y 1 atm), el volumen molar de cualquier gas es, aproximadamente, de 22,4 L/mol.

Concentración molar o molaridad

La molaridad, M, de una disolución es la cantidad de sustancia de soluto que contiene un litro de disolución. Su unidad en el si es mol/L.

M= n(soluto) (mol) / V(disol)(L)

Cálculos de reacciones entre gases

La cantidad de sustancia de un gas se puede relacionar con el volumen que ocupa si conocemos sus condiciones de presión y temperatura. La ecuación que relaciona estas magnitudes, considerando el gas ideal, es:

P•V = n•R•T

donde p es la presión; V, el volumen: n, la cantidad de sustancia: 7, la temperatura, y R, la constante de los gases ideales, cuyo valor depende de las unidades en que esté expresada. Habitualmente utilizamos este valor.

R=0,082 (espacio)atm • L / K•mol

Según la ley de Avogadro, dos sustancias gaseosas en las mismas condiciones de presión y temperatura ocupan el mismo volumen. Por tanto:

Las relaciones entre los coeficientes estequiométricos, en reacciones entre gases, son las mismas que entre los volúmenes de gas, medidos en las mismas condiciones de presión y temperatura.

Reacciones endotérmicas y exotérmicas

La energía química es la que está asociada con los enlaces químicos y las atracciones intermoleculares.

Podemos cuantificar la energía química de un cambio químico a partir de la variación de la energía de los reactivos y de los productos:

(ΔE = E(sub)(productos) - E(sub)reactivos).

Tipos de reacciones:

• Exotérmicas: la energía de los reactivos es mayor que la de los productos.
• Endotérmicas: La energía de los reactivos es menor que la de los productos.

Intercambio de energía. Calores de reacción

Llamamos calor de reacción, Q,, a la energía intercambiada en forma de calor entre un sistema en el que ocurre una reacción química y sus alrededores.