Fundamentos de Química: Reacciones, Estequiometría y Cinética Química

Fórmulas y Cálculos Estequiométricos

Ecuación de los gases ideales:

P × V = n × R × T

La constante R siempre es 0.082 (atm·L/mol·K).

Conversiones de unidades:

• 1 atm equivale a 760 mm de Hg.
• Si los datos se presentan en ºC, debemos pasarlos a Kelvin mediante la fórmula: 273 + X.

Masa Molar: Se obtiene a partir de la masa atómica de los elementos. Por ejemplo, para el CaCO₃: 40 + 12 + (3 × 16) = 40 + 12 + 48 = 100 g/mol.

Conceptos Teóricos Fundamentales

Masa y Cantidad de Sustancia

• Masa atómica: Se define en relación a la unidad de masa atómica (aproximadamente 1.66 × 10^-27 kg).
• Mol: Se define el mol como la cantidad de sustancia que contiene 6.02 × 10²³ unidades elementales (Número de Avogadro).
• Masa molar: Es la masa de un mol de una sustancia determinada.

Termoquímica y Energía

• Reacción endotérmica: Es aquella que, para producirse, necesita calor (absorbe energía del entorno). En este caso: E_reactivos < E_productos.
• Reacción exotérmica: Es aquella que, al producirse, desprende calor (cede energía al entorno). En este caso: E_reactivos > E_productos.
• Balance energético: Es la diferencia de energía entre los estados inicial y final de la reacción.
• Calor (Q): ΔE = E_final - E_inicial = E_productos – E_reactivos.
• ΔH (Incremento de entalpía): Diferencia entre la energía de los productos y la energía de los reactivos.

Leyes y Comportamiento de la Materia

Ley de Conservación de la Masa

Conocida como la Ley de Lavoisier: en una reacción química, la masa se conserva. Esto significa que la masa de los reactivos es igual a la masa de los productos.

Gases y Volúmenes

En el caso de que las sustancias sean gases, y siempre que se midan en las mismas condiciones de presión y temperatura, la relación en moles se puede establecer como una relación en volumen.

Teoría de las Colisiones

Para que dos sustancias reaccionen, sus unidades básicas han de colisionar de forma efectiva. Factores que influyen:

• a) Energía de colisión: Cuanta más energía tengan las moléculas al colisionar, mayor será la eficacia. La velocidad de una reacción química aumenta al elevar la temperatura y disminuye si la temperatura baja.
• b) Contacto entre unidades: Las reacciones se producen mejor si se favorece el contacto, por ejemplo, si se realizan con las sustancias disueltas o finamente divididas.
• c) Catalizadores positivos (+): Aumentan la velocidad de reacción. Son fundamentales en la industria para lograr que las reacciones químicas se produzcan con rapidez y así abaratar costes de producción.
• d) Catalizadores negativos (–): Disminuyen la velocidad de reacción. Son muy importantes en la industria alimentaria (conservantes) para evitar el rápido deterioro de los alimentos.

Estado de transición: Es el punto de mayor energía, denominado complejo activo, que ocurre en el momento en que se está produciendo la reacción.

Ácidos, Bases y pH

Teoría de Arrhenius

Los ácidos se disuelven en agua liberando iones de hidrógeno, mientras que las bases lo hacen liberando iones hidróxidos (OH^-).

El Potencial de Hidrógeno (pH)

El pH es una medida de la acidez o alcalinidad de una disolución. El pH indica la concentración de iones de hidrógeno presentes en determinadas disoluciones.

Reacciones de Neutralización

En una reacción de neutralización entre un ácido y una base, los productos resultantes son una sal y agua. La neutralización consiste en la combinación de los iones H⁺ y OH^-, procedentes del ácido y de la base respectivamente, para formar agua.

Cinética Química

Una reacción química es una reorganización de átomos que lleva aparejado un determinado intercambio energético. Los factores que afectan la velocidad de reacción son:

1. Naturaleza de los reactivos: Unas sustancias reaccionan más rápidamente que otras, ya que algunas tendrán una energía de activación mayor dependiendo de si sus enlaces son más o menos fuertes.
2. Temperatura: Al aumentar la temperatura, aumenta la velocidad de la reacción. A mayor temperatura, las partículas colisionan con más energía, produciendo más choques eficaces y permitiendo que más partículas superen la barrera de la energía de activación.
3. Concentración: Al aumentar la concentración, aumenta la velocidad de reacción. Al existir un mayor número de partículas, habrá más colisiones y más posibilidades de que suceda la reacción.
4. Grado de división: Un mayor grado de división aumenta la velocidad, ya que incrementa la superficie de contacto y, por tanto, el número de choques eficaces.
5. Catalizadores positivos (+): Por ejemplo, los catalizadores utilizados en los sistemas de escape de los coches.
6. Catalizadores negativos (–): Por ejemplo, los conservantes alimenticios que retrasan la degradación.