Fundamentos de Química: Reacciones, Catálisis y Tipos de Cambios Químicos

Conceptos Fundamentales de Transformación Química

Diferencia entre Cambio Físico y Químico

Se conoce como cambio físico cualquier alteración que se produce sin que varíe la naturaleza de las sustancias, es decir, sin que se formen sustancias nuevas.

• Ejemplos de cambios físicos: Los cambios de estado (fusión, ebullición) o las disoluciones.

Se conocen como cambios químicos (o reacciones químicas) las transformaciones de una, dos o más sustancias en otras diferentes con propiedades características distintas.

• Ejemplo de cambio químico: La oxidación de un metal.

Efecto de la Superficie de Contacto en la Combustión

¿Por qué el hierro pulverizado arde fácilmente y una barra de hierro no lo hace?

La velocidad de reacción está directamente relacionada con la superficie de contacto. En el caso del hierro:

1. Hierro pulverizado: Posee una gran superficie de contacto. El calor generado no se disipa (no se evacua) lo suficientemente rápido, provocando que la temperatura suba drásticamente y se produzca la combustión de manera espontánea.
2. Barra de hierro: Hay poca superficie de contacto en relación con la masa total del metal. El hierro es un excelente conductor del calor, por lo que disipa la energía térmica con rapidez, impidiendo que la temperatura alcance el punto de ignición necesario para la combustión.

El Papel del Catalizador en la Cinética Química

Definición y Mecanismo de Acción

Un catalizador es una sustancia que acelera o retarda una reacción química sin participar directamente en ella ni consumirse durante el proceso. Su función es modificar la energía de activación de la reacción.

Ejemplo: Síntesis del Amoníaco (Proceso Haber-Bosch)

La reacción es:

$$N_{2} + 3 H_{2} \rightarrow 2 NH_{3}$$

En esta reacción, las partículas de hierro actúan como catalizador. El mecanismo implica la adsorción del nitrógeno al metal, lo que debilita sus triples enlaces y facilita la unión con el hidrógeno, acelerando significativamente la formación del amoníaco.

Aplicación de la Química en la Conservación de Alimentos

¿Por qué se guardan los alimentos en la nevera?

El frío es un factor clave en la conservación de alimentos porque disminuye la velocidad de las reacciones químicas y biológicas. Las bajas temperaturas:

• Ayudan a conservar los alimentos al reducir drásticamente la tasa de reproducción de la mayoría de los microorganismos (bacterias y hongos).
• Retardan las reacciones de degradación enzimática, sin modificar las características organolépticas de los alimentos a corto plazo.

Nomenclatura Química de Compuestos Binarios

Hidruros y Halogenuros de Hidrógeno

A continuación, se presentan ejemplos de hidruros no metálicos y halogenuros de hidrógeno, utilizando la nomenclatura sistemática y tradicional:

Hidruros de Elementos de los Grupos 13, 14 y 15

Fórmula	Nombre
BH3	Borano
CH4	Metano
SiH4	Silano
PH3	Fosfano
NH3	Amoniaco
AsH3	Arsano
SbH3	Estibano
BiH3	Bismutano

Ácidos Hidrácidos (Halogenuros y Calcogenuros de Hidrógeno)

Fórmula	Nombre
HF	Ácido fluorhídrico
HCl	Ácido clorhídrico
HBr	Ácido bromhídrico
HI	Ácido yodhídrico
H2S	Ácido sulfhídrico
H2Se	Ácido selenhídrico
H2Te	Ácido telurhídrico

Teoría de Colisiones y Balance Energético

Mecanismo de las Reacciones Químicas

En una reacción química, la transformación ocurre mediante choques entre las moléculas de los reactivos. Para que una reacción sea exitosa, el choque debe ser eficaz, lo que implica que las moléculas deben:

1. Poseer la orientación adecuada.
2. Tener la energía cinética suficiente (energía de activación).

Cuando el choque es eficaz, los enlaces de los reactivos se rompen y los átomos pueden unirse de otra forma, formando los productos (nuevas moléculas con enlaces diferentes).

Balance Energético (Termodinámica)

Para romper los enlaces de los reactivos, normalmente hay que aportar energía. Para formar los enlaces de los productos, normalmente se desprende energía.

El balance final de energía determina el tipo de reacción térmica:

• Reacción Endotérmica: Energía aportada > Energía desprendida. El sistema absorbe calor del entorno.
• Reacción Exotérmica: Energía aportada < Energía desprendida. El sistema desprende calor al entorno.

Clasificación de las Reacciones Químicas

Las reacciones químicas se pueden clasificar según el tipo de transformación que experimentan las sustancias:

Reacciones de Formación (Síntesis)

Se obtienen compuestos a partir de los elementos que los forman. Ejemplo: Formación del agua: $$2H_{2} + O_{2} \rightarrow 2H_{2}O$$

Reacciones de Descomposición

Un compuesto se descompone en sustancias más simples (elementos o compuestos). Ejemplo: Descomposición del óxido de mercurio (II): $$2HgO \rightarrow O_{2} + 2Hg$$

Reacciones de Oxidación

Implican la combinación con oxígeno (o la pérdida de electrones). Son reacciones que pueden ser lentas y desprenden energía. Ejemplo: Formación de óxido férrico: $$4Fe + 3O_{2} \rightarrow 2Fe_{2}O_{3}$$

Reacciones de Combustión

Químicamente son oxidaciones que transcurren muy rápido y con gran desprendimiento de energía (luz y calor). Ejemplo: Combustión del carbono: $$C + O_{2} \rightarrow CO_{2} + Energía$$

Reacciones de Neutralización

Se dan entre un ácido y una base, produciendo una sal y agua. Ejemplo: $$Ácido + Base \rightarrow Sal + H_{2}O$$