Reaccions Químiques: Tipus, Lleis i Factors

Què és un canvi químic?

Un canvi és la transformació d'un sistema al llarg del temps. Hi ha dos tipus principals:

• Canvi físic: No hi ha modificació de la matèria (mecànica, electricitat, magnetisme...).
• Canvi químic: Implica una modificació de la matèria. Tenen associats canvis energètics. Ho estudia la termodinàmica química o termoquímica.

Les matèries que es transformen les anomenem reactius i les que obtenim, productes. El procés o canvi és la reacció química. Per tant, un canvi químic implica una reordenació d'àtoms i una reestructuració d'enllaços.

Lleis fonamentals de la química

Les reaccions químiques segueixen unes lleis fonamentals:

• Llei de conservació de la massa o llei de Lavoisier (1785): Va establir la llei de la conservació de la massa: En qualsevol canvi químic la massa es conserva.
• Llei de les proporcions definides o llei de Proust (1801): Estudia l'anàlisi química, va enunciar la llei següent: Quan dos elements es combinen per donar un compost, ho fan en una relació de masses fixa. Generalització: Quan dues substàncies es combinen ho fan sempre en una proporció de masses fixa.
• Llei de les proporcions múltiples o llei de Dalton (1803): Si una o més substàncies químiques reaccionen amb una quantitat fixa d'una altra per donar substàncies diferents, ho fan amb una relació de nombres enters senzills.
• Llei de Gay-Lussac (1808) o llei dels volums de combinació: Els volums de substàncies gasoses que intervenen en una transformació química (mesurades en les mateixes condicions de pressió i temperatura) estan en una relació de nombres enters.
• Hipòtesi d'Avogadro i el nombre d'Avogadro: En les mateixes condicions de pressió i temperatura, volums iguals de qualsevol gas tenen el mateix nombre de molècules.

Tipus de reaccions químiques

• Reaccions de síntesi: És la combinació de diversos reactius per donar lloc a un producte.
• Reaccions de descomposició: A partir d'un sol reactiu i amb aportació energètica, aquest es transforma en dues o més substàncies.
• Reaccions de desplaçament o substitució: Reacció entre un compost i un element. L'element s'integra al compost i s'allibera un altre element que formava part del compost inicial.
• Reaccions de doble descomposició: Consisteix en la reacció entre dos compostos amb doble intercanvi entre cations i anions.
• Reaccions de reagrupament intern: Poc abundants, es basen en el canvi d'un compost a un altre que té els mateixos àtoms però diferent estructura.
• Reaccions de combustió de productes orgànics: Els productes orgànics que tenen només C i H (hidrocarburs) o bé C, H i O fan la combustió donant sempre diòxid de carboni i aigua.

Equació química

Un canvi químic o reacció química s'expressa mitjançant una equació química: Reactius → Productes. Els reactius es situen a l'esquerra i els productes de la reacció, a la dreta, separats per una fletxa.

• Si les substàncies de la reacció estan en dissolució aquosa, es simbolitza mitjançant el subíndex (aq).
• Si estan en estat líquid o en dissolució i com a conseqüència de la reacció es produeix un producte sòlid, es diu que precipita i es pot simbolitzar en l'equació química amb una fletxa cap avall (↓).
• Si els reactius estan en estat sòlid, líquid o en dissolució i com a producte s'obté un gas, es pot simbolitzar amb una fletxa cap amunt (↑).
• Si l'equació química s'escriu, totalment o parcialment, en forma iònica, s'ha d'indicar la càrrega de cada ió.

Com igualar equacions químiques?

Una equació química està igualada quan en els reactius hi ha el mateix nombre d'àtoms de cada un dels elements que en els productes.

Per igualar equacions químiques, és recomanable seguir els passos següents:

1. Igualar els àtoms que no siguin ni H ni O.
2. Igualar després els àtoms de H.
3. Igualar, finalment, els àtoms de O.

Davant de cada substància de la reacció es pot posar qualsevol nombre que creguem convenient d'acord amb la reacció. Els nombres han de ser els més petits possibles. Si no hi posem cap nombre davant de la substància, s'entén que hi ha l'1. Si ens referim al món macroscòpic (mols), poden ser fraccionaris, si ens referim al món microscòpic (molècules), només poden ser nombres enters.

Estequiometria

És l'estudi quantitatiu de les reaccions químiques.

Mètode general per a la resolució de problemes

Inicialment, la lectura de l'enunciat és la part més important en la resolució d'un problema. Aquesta lectura ens ha de permetre distingir dues parts bàsiques:

• Quines dades ens donen.
• Quines qüestions ens demanen.

Reactiu limitant

És la substància reaccionant que s'acaba primer, determina la fi de la reacció. El combustible és quasi sempre el reactiu limitant, ja que l'oxigen està en abundància a l'atmosfera.

Puresa dels reactius

La majoria dels reactius comercials no són purs, no són del 100% en el producte.

Rendiment de la reacció

En una experimentació en un laboratori o indústria es realitzen uns càlculs teòrics respecte a la quantitat de producte que s'espera en la reacció.

Fórmules empíriques i moleculars

• Empíriques: És la relació més senzilla entre els àtoms d'un compost.
• Moleculars: És l'expressió del nombre real d'àtoms que formen un compost.
  • Simple: Només indica el nombre d'àtoms.
  • Semidesenvolupada: Expressa l'organització dels àtoms linealment.
  • Desenvolupada: Simbolitza els àtoms de la fórmula molecular distribuïts en l'espai tal com és la realitat.

Composició centesimal d'un compost

És el nombre de grams de cada element o grup d'elements per cada 100 grams del compost.

Fórmula empírica d'un compost

És imprescindible saber la proporció en mols de cadascun dels elements dins el compost.

Fórmula molecular d'un compost

És igual que l'empírica o un múltiple d'aquesta. Per conèixer la fórmula molecular ens cal saber:

• La fórmula empírica.
• La massa molecular.

El mètode per calcular-la té tres etapes:

1. Conèixer la fórmula empírica.
2. Obtenir la massa molecular.
3. Calcular la fórmula molecular.

Isomeria

Fenomen pel qual, malgrat que els compostos químics tinguin la mateixa fórmula molecular, són diferents entre ells i tenen propietats diferents.

Tipus d'isomeria

• Plana o estructural: Compostos que tenen fórmules moleculars idèntiques, però difereixen en l'ordre en què els àtoms estan enllaçats en les molècules.
• De cadena: Compostos que tenen la mateixa fórmula, però presenten diferents maneres d'agrupar-se, és a dir, cadenes diferents.
• De posició: Compostos que tenen la mateixa fórmula, però difereixen en la posició dels grups funcionals.

Termodinàmica química

Estudia els canvis de la matèria des d'un punt de vista energètic. Separa la reacció en estudi de tot allò que l'envolta. Apareix el concepte de sistema: Una certa quantitat de matèria aïllada de la resta de l'Univers amb la finalitat d'estudiar-la. Els canvis que s'esdevenen en un sistema s'anomenen procés.

Tipus de sistemes

• Sistema obert: Permeten el bescanvi de matèria i energia amb els voltants.
• Sistema tancat: No permeten el bescanvi de matèria, però sí d'energia.
• Sistema aïllat: No bescanvien matèria ni energia amb l'entorn.

Variables termodinàmiques

Si volem estudiar qualsevol procés termodinàmic, on intervenen canvis de matèria i energia, necessitem unes magnituds que ens defineixin les condicions d'aquell procés en un instant donat. Tipus de variables:

• La massa
• L'índex de refracció
• La densitat
• La viscositat
• El volum
• La temperatura
• La pressió
• La concentració

Les variables d'estat permeten situar exactament l'estat termodinàmic del sistema. Les funcions d'estat són les variables que estudien les transformacions termodinàmiques (químiques o físiques). La variació d'una funció d'estat en un procés termodinàmic només depèn dels valors d'aquesta funció d'estat a l'inici i al final del procés, no del camí seguit.

Les principals funcions d'estat termodinàmiques són: el volum, V; la pressió, P; la temperatura, T; l'energia interna, U; l'entalpia, H; l'entropia, S, i l'energia lliure de Gibbs, G.

Calor i treball

En tot procés químic, en un sistema no aïllat, es produeix un intercanvi d'energia amb el medi exterior. Aquesta energia es pot presentar de diferents maneres: mecànica, calorífica, elèctrica..., totes relacionades entre elles.

En l'estudi de les relacions entre l'energia i les reaccions químiques, interessen la calorífica i la mecànica. La diferència entre elles s'evidencia en les condicions de la transferència:

• Si hi ha una diferència de temperatura entre el sistema i l'entorn, l'energia pot transferir-se en forma de calor (Q).
• Si hi ha diferència en l'estat del moviment, la transferència pot ser en forma de treball (w).

Calor

Depèn de la variació de temperatura i de la massa.

Treball

És la força aplicada a un cos per realitzar un cert desplaçament. En termodinàmica aquest treball és de compressió o d'expansió, i el definim com l'energia transmesa a un sistema en aplicar-hi una força exterior.

Energia interna. Primer principi de termodinàmica

En tota reacció química es compleix la llei de conservació de la massa. Junt amb aquesta llei s'acompleix el primer principi de termodinàmica, que és la llei de conservació de l'energia: l'energia d'un sistema es conserva.

L'energia d'un sistema és la suma de totes les energies (cinètica, potencial, vibratòria, etc.), que posseeixen les molècules que el conformen, i l'anomenada energia interna, U. Aquesta energia es transfereix en forma de calor i treball.

No és possible mesurar el valor absolut de l'energia interna. Només se'n pot mesurar la seva variació (joules (J) i quilojoules (KJ)).

Conveni de signes

• Tot terme energètic transferit al sistema és positiu.
• Tot terme energètic transferit pel sistema és negatiu.

D'acord amb el conveni IUPAC, trobem que:

• Si l'entorn realitza un treball sobre el sistema, aquest serà positiu, ja que l'energia és transferida al sistema.
• Si el sistema realitza un treball sobre l'entorn, aquest serà negatiu, ja que l'energia és transferida pel sistema.
• Si el sistema absorbeix calor de l'entorn, aquesta energia es transmet al sistema i, per tant, tindrà signe positiu.
• Si els sistema desprèn calor, aquest tindrà signe negatiu, ja que l'energia és transferida pel sistema.

Els processos que desprenen calor s'anomenen exotèrmics. Els processos que absorbeixen calor s'anomenen endotèrmics.

Entalpia

En tota reacció a volum constant el canvi d'energia interna només és causat per la calor transferida en el procés.

Totes les reaccions gasoses on no hi ha variació de nombre de mols entre els productes i reactius, els valors de calor a pressió constant (entalpia) i a volum constant (energia interna) coincideixen.

Entalpia de formació

La variació d'entalpia d'una reacció depèn de l'estat físic dels reactius i productes, així com de les condicions de pressió i temperatura a les quals es realitza la reacció. Per això, i amb la finalitat de poder comparar les variacions múltiples de diferents reaccions, s'han definit unes condicions de referència que anomenem condicions estàndard.

L'entalpia normal o estàndard dels elements en la seva forma habitual més estable es defineix com a zero.

El canvi d'entalpia que es produeix en la reacció de formació d'un mol de compost partint dels elements que el constitueixen en el seu estat habitual i estable a les condicions estàndard de pressió i temperatura s'anomena entalpia de formació estàndard.

La Llei de Hess de les entalpies de reacció fou enunciada per aquest químic rus a mitjans del segle passat i la deduí abans que fos enunciat el primer principi de termodinàmica.

Ens diu que si una reacció química es pot expressar com una suma algebraica (suma o diferència) d'altres reaccions químiques parcials, l'entalpia d'aquella reacció, com que és una funció d'estat, valdrà també la suma algebraica de les entalpies de les reaccions parcials.

L'entropia

A l'Univers tots els moviments dels cossos i tots els processos tendeixen a un estat d'energia mínima. Amb els processos químics també s'esdevé aquesta tendència: l'espontaneïtat d'una reacció química depèn en bona part de l'estat d'energia mínima del sistema format per reactius i productes de reacció. En tota reacció intervé una altra magnitud anomenada entropia, S, que ens mesura el grau de desordre d'un sistema.

Segon principi de termodinàmica

En els canvis espontanis l'Univers tendeix a l'estat de màxim desordre, és a dir, de màxima entropia.

Tercer principi de termodinàmica

Tot sòlid cristal·lí ordenat i a la temperatura de 0 K té una entropia, S, nul·la, S = 0.

Espontaneïtat de les reaccions: L'energia lliure de Gibbs

Hi ha reaccions que s'esdevenen espontàniament. Altres necessiten una aportació energètica perquè s'esdevinguin.

Gibbs va trobar l'equació matemàtica que lligava l'entropia amb l'entalpia. Així, per a tot procés a pressió constant, va definir el concepte d'entalpia lliure o energia lliure de Gibbs com: G = H - TS on S és l'entalpia del sistema, T, la temperatura en K i H l'entalpia del sistema.

Entalpia lliure de formació

El canvi d'energia lliure de Gibbs és necessari per formar un mol de compost a partir dels elements en estat fonamental en condicions estàndard de pressió i temperatura, és el que anomenem entalpia lliure de formació.

Cinètica química

La velocitat de les reaccions

Determina la rapidesa amb què els reactius es transformen en productes. Si els components de la reacció són gasosos, en comptes de parlar de concentracions, podem parlar de pressions parcials.

La velocitat de reacció és la derivada de la concentració respecte el temps de qualsevol reactiu o producte, dividida pel seu coeficient estequiomètric i convertida en un nombre positiu. La velocitat de reacció se sol estudiar a partir de la variació de les concentracions dels reactius.

Teories de les reaccions químiques

Per explicar, de manera general, com tenen lloc les reaccions químiques, els científics han elaborat dues teories: la teoria de les col·lisions i la teoria de l'estat de transició que es complementen entre si.

La teoria de les col·lisions

Suposa que totes les molècules disposen d'una gran energia cinètica en moure's a enormes velocitats i que topen les unes amb les altres contínuament. El fet que un xoc sigui eficaç o no eficaç depèn de dos factors:

• L'energia que tenen les molècules.
• L'orientació dels xocs.

Energia que tenen les molècules

Les molècules dels reactius, a una temperatura donada, no tenen pas totes la mateixa energia cinètica. A cada temperatura, podem fer una distribució del nombre de molècules, A, que tenen una certa energia.

A una temperatura donada, només les més energètiques aconseguiran, en xocar amb altres, trencar-se mútuament els enllaços i donar lloc a productes. A l'energia mínima necessària, se l'anomena energia d'activació.