Fundamentos de la Química: Reacciones, Estequiometría y Transformaciones de la Materia

Cambios de la Materia y Reacciones Químicas

Tipos de Cambios

La materia puede sufrir dos tipos de cambios:

• Cambios Físicos: Son aquellos cambios que sufre la materia sin que se modifique su naturaleza. Ej.: Cambios de estado.
• Cambios Químicos: Son aquellos cambios que sufren los cuerpos en los que se modifica su naturaleza. Ej.: Las reacciones químicas.

Una Reacción Química es un cambio químico, un proceso en el que se rompen unos enlaces, se forman otros nuevos, hay una reestructuración de los átomos; en definitiva, la materia cambia de identidad.

La Ecuación Química y su Ajuste

Toda reacción química se representa mediante una ecuación química que consta de dos miembros. En el primer miembro se escriben las sustancias iniciales, los reactivos, y en el segundo miembro las sustancias finales, los productos.

Toda ecuación química tiene que estar ajustada (o balanceada), es decir, debe haber el mismo número de átomos de todos y cada uno de los elementos que intervienen en la reacción en ambos miembros. El ajuste se realiza poniendo un número delante de las fórmulas de los compuestos, llamado coeficiente estequiométrico. Toda ecuación química ajustada permite realizar cálculos estequiométricos, es decir, calcular en qué proporciones se encuentran las sustancias que intervienen en la reacción.

Clasificación de las Reacciones Químicas

1. Reacción de Formación (o Síntesis)

   Cuando dos o más sustancias se combinan para formar un compuesto.

2. Reacción de Descomposición

   Es la inversa de la anterior.

   Ejemplo: $2H_2O \longrightarrow 2H_2 + O_2$

   Dos moléculas de agua se descomponen para dar dos moléculas de hidrógeno y una de oxígeno.

3. Reacción de Combustión

   Generalmente de sustancias orgánicas.

   Ejemplo: $CH_4 + 2O_2 \longrightarrow CO_2 + 2H_2O + Energía$

   Una molécula de metano se quema con dos moléculas de oxígeno para dar una molécula de dióxido de carbono más dos moléculas de agua y energía.

4. Reacción de Desplazamiento (o Sustitución Simple)

   Tiene lugar cuando un metal desplaza a un elemento de un compuesto para formar otro diferente.

   Ejemplo: $Zn + 2HCl \longrightarrow ZnCl_2 + H_2$

   Un átomo de zinc reacciona con dos moléculas de ácido clorhídrico para dar una molécula de cloruro de zinc más una molécula de hidrógeno.

Estequiometría: Cálculo de Proporciones

La estequiometría de las reacciones químicas estudia las proporciones en que se combinan las sustancias en una reacción. Una ecuación química ajustada nos permite realizar cálculos estequiométricos, es decir, determinar qué cantidad (ya sea en masa o en volumen) de reactivos se necesita para obtener una determinada cantidad de productos.

Pasos para Cálculos Estequiométricos

1. Se escribe la ecuación química ajustada.
2. Se establece la estequiometría de la reacción.
3. Se identifica para cada sustancia la cantidad que se conoce y la que hay que determinar.
4. Se establece la proporción correspondiente y se resuelve.

Leyes Fundamentales

En los cálculos estequiométricos se utilizan las leyes ponderales de las reacciones químicas:

• Ley de Conservación de la Materia.
• Ley de Proust (o de las Proporciones Definidas).

Estas leyes se aplican sobre todo cuando las sustancias implicadas son sólidos.

El Comportamiento de los Gases

Cuando intervienen gases, debemos utilizar la Hipótesis de Avogadro, que nos dice que volúmenes iguales de gases diferentes contienen el mismo número de moléculas. No debemos olvidar que el volumen de 1 mol de cualquier gas en condiciones normales (es decir, 1 atm de presión y 0 ºC) es de 22.4 L.

Es muy útil utilizar en los cálculos estequiométricos de sustancias gaseosas la Ecuación del Gas Ideal:

$$P \times V = N \times R \times T$$

Donde:

• P es la presión a la que se encuentra sometido el gas, medida en atmósferas (atm).
• V es el volumen en litros (L) que ocupa el gas.
• N es el número de moles de gas, que se calcula dividiendo su masa (en gramos) entre su masa molecular.
• R es la constante universal de los gases, y su valor es de $0.082 \frac{atm \cdot L}{mol \cdot K}$.
• T es la temperatura a la que se encuentra el gas, medida en grados Kelvin (K).

Reacciones Químicas y Energía

Desde el punto de vista de la energía, las reacciones químicas se clasifican en dos tipos:

• Reacciones Exotérmicas: Son aquellas en las que se desprende energía (por ejemplo, en las combustiones).
• Reacciones Endotérmicas: Son aquellas en las que se absorbe energía (por ejemplo, la reacción de descomposición del carbonato de calcio).

Conceptos Adicionales

La cantidad de energía que se desprende o se absorbe se llama calor de reacción.

Cuando en una ecuación química se pone de manifiesto el calor absorbido o desprendido, se la denomina ecuación termoquímica.

Volumen Molar

Es el volumen que ocupa un mol de cualquier gas en condiciones normales de presión y temperatura.