Fundamentos de las Transformaciones Químicas: Del Mol a las Reacciones Evidentes
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Diferencias entre Cambios Físicos y Químicos
Un cambio físico es una transformación en la que no varía la naturaleza de la materia. Antes y después del cambio, la materia se representa por la misma fórmula química.
Un cambio químico es una transformación en la que sí varía la naturaleza de la materia. Antes del cambio, la materia se representa por una fórmula química y, después, por otra fórmula diferente. Los cambios químicos también se denominan reacciones químicas.
Teoría de las Colisiones
La Teoría de las Colisiones explica cómo ocurren las reacciones químicas a nivel molecular. Según esta teoría, las reacciones químicas se producen cuando las moléculas de los reactivos chocan entre sí con la energía y orientación adecuadas, provocando la ruptura de enlaces existentes y la formación de nuevos enlaces. Los átomos que se han liberado se reorganizan, formando nuevas moléculas (productos).
El Mol y la Medida de la Masa
Concepto de Mol
Un mol de átomos es la cantidad de un elemento químico cuya masa en gramos es numéricamente equivalente a su masa atómica expresada en unidades de masa atómica (uma).
En el Sistema Internacional de Unidades (SI), el mol es la unidad fundamental de la magnitud denominada cantidad de sustancia.
Un mol de una sustancia: La fórmula de un compuesto nos indica los átomos de cada elemento que forman su molécula (o la unidad fórmula en el caso de compuestos iónicos o cristales).
Masa Molecular y Mol de Sustancia
La masa molecular (o masa fórmula para compuestos iónicos) de un compuesto se obtiene sumando las masas atómicas relativas de todos los átomos presentes en su fórmula química.
Un mol de sustancia es una cantidad de dicha sustancia cuya masa en gramos es numéricamente equivalente a su masa molecular (o masa fórmula) expresada en uma. Esta masa en gramos se conoce como masa molar (expresada en g/mol).
En un mol de cualquier sustancia hay 6,022 x 1023 partículas (ya sean átomos, moléculas, iones, etc.). Este valor se conoce como el Número de Avogadro (NA).
La Ecuación Química
La ecuación química es una representación simbólica y abreviada de una reacción química. Utiliza fórmulas químicas para mostrar los reactivos (las sustancias que reaccionan, escritas a la izquierda) y los productos (las sustancias que se forman, escritas a la derecha), separados por una flecha que indica la dirección de la reacción.
Reacciones de Combustión
La combustión es un tipo de reacción química exotérmica rápida en la que un reactivo, denominado combustible, se combina con un comburente (generalmente oxígeno molecular, O2). En la combustión completa de compuestos orgánicos (que contienen carbono e hidrógeno), los productos principales son dióxido de carbono (CO2) y agua (H2O), liberándose una cantidad significativa de energía en forma de calor y luz. Son reacciones exotérmicas porque desprenden calor.
Evidencias de las Reacciones Químicas
Existen diversas manifestaciones observables que pueden indicar que se ha producido una reacción química:
Desprendimiento de Luz y Calor
Muchas reacciones químicas liberan energía en forma de luz y calor. Por ejemplo, cuando la cinta de magnesio (Mg) arde, reacciona vigorosamente con el oxígeno (O2) del aire. Esta reacción produce una luz blanca brillante y calor intenso, transformando el magnesio metálico en un polvo blanco, el óxido de magnesio (MgO).
Cambio de Temperatura
Si se añade una disolución de ácido clorhídrico (HCl) a una disolución de hidróxido de sodio (NaOH), se produce una reacción de neutralización. La temperatura de la mezcla aumenta notablemente, lo que indica que se trata de una reacción exotérmica (que desprende calor). Otras reacciones pueden ser endotérmicas, absorbiendo calor y enfriando el entorno.
Formación de Gases (Efervescencia)
La producción de un gas es una clara señal de una reacción química. Por ejemplo, cuando se añade un ácido fuerte (como el ácido clorhídrico) a algunos metales (como el zinc, Zn), se observa la formación de burbujas. Este fenómeno, conocido como efervescencia, se debe a la liberación de gas hidrógeno (H2).
Formación de Humo (Aerosol Sólido)
Al acercar una botella abierta que contiene una disolución concentrada de amoníaco (NH3) a otra botella abierta con una disolución concentrada de ácido clorhídrico (HCl), los vapores de ambas sustancias reaccionan en el aire. Se observa la formación de un humo blanco denso, que está compuesto por diminutas partículas sólidas de cloruro de amonio (NH4Cl).
Formación de un Sólido Insoluble (Precipitado)
Cuando se mezclan dos disoluciones transparentes y se forma un sólido insoluble, se dice que ha ocurrido una reacción de precipitación. Por ejemplo, si a una disolución transparente de nitrato de plomo(II) (Pb(NO3)2) se le añade otra disolución transparente de yoduro de potasio (KI), se forma instantáneamente un sólido amarillo brillante. Este sólido, que con el tiempo se sedimenta en el fondo del recipiente, es el yoduro de plomo(II) (PbI2), un precipitado.
Disolución de un Sólido con Reacción Química
A veces, un sólido puede disolverse no solo por un proceso físico, sino como resultado de una reacción química. El mármol, que es principalmente carbonato de calcio (CaCO3), es un sólido insoluble en agua. Sin embargo, si se vierte un ácido (como el ácido clorhídrico) sobre el mármol, se observa efervescencia (formación de burbujas) y, con el tiempo, el sólido desaparece o disminuye su tamaño. En esta reacción, el carbonato de calcio reacciona con el ácido, transformándose en sales solubles y desprendiendo dióxido de carbono (CO2) gaseoso.