óxido correspondiente. Determine qué masa de oxígeno se ha combinado con el magnesio.
Velocidad de reacción
Le planteamos algunos interrogantes: ¿Cómo se da cuenta de qué se ha producido una reacción química? ¿Todas las reacciones químicas son naturales? ¿Ocurren a la misma velocidad? ……….
La evidencia de que se ha producido una reacción química es la formación de nuevas sustancias con propiedades distintas a las que le dieron origen.
Por ejemplo, la combustión de la madera, las sustancias iniciales son la madera y el oxígeno del aire, y, los productos de la reacción, las cenizas y los gases que se forman. Las propiedades de la madera y del oxígeno (sustancias reaccionantes) son distintas a las propiedades de las cenizas y los gases que se forman (los productos de la reacción).
Imagine que está comiendo una manzana y decide dejarla expuesta al aire, ¿qué le sucede? ………
Seguramente habrá observado que se forma una sustancia marrón. Esto nos demuestra que se ha producido una reacción química.
Volvamos a la oxidación del hierro ¿esta reacción se produce naturalmente? ………..
Hay reacciones químicas que se producen naturalmente, por ejemplo, cuando se oxida el hierro expuesto al aire húmedo, y, otras, que se producen artificialmente, por ejemplo, cuando se trata al petróleo para obtener plásticos.
Y si pensamos en el tiempo en qué se demora en oxidarse el hierro, ¿cómo es? ...
En la naturaleza las reacciones químicas ocurren a distintas velocidades. Algunas son muy lentas. Por ejemplo, los procesos de meteorización de las rocas y minerales ocurren en forma imperceptible para nosotros, simples mortales que
sólo podemos percibir fenómenos que ocurren desde décimas de segundos hasta varios meses o años. Estos procesos de transformación química en condiciones ambiente tardan siglos, de modo que para el simple observador no es fácil tener una idea aproximada de su velocidad.
Otras son muy rápidas. Por ejemplo las explosiones: la detonación de la pólvora o la nitroglicerina, por ejemplo, ocurren en fracciones de segundo.
Sabía … ¿cómo funciona en un auto el air-bag?
La gran velocidad de descomposición de algunos compuestos químicos tiene aplicaciones prácticas muy interesantes, que son utilizadas en la tecnología moderna para aumentar la seguridad de los automóviles.
El air-bag de los autos modernos es un dispositivo que debe inflarse en unos pocos milisegundos y luego su presión debe decrecer para no dañar a la persona que debe protegerse en el momento del choque. El sistema de air-bag está compuesto de cuatro partes: una bolsa de poliamida, sensores electrónicos, microprocesador y generador de gas. Los sensores y el microprocesador miden constantemente la aceleración, impacto y frenado y comparan sus valores con datos característicos de accidentes almacenados en el microprocesador. En el caso de un accidente, el microprocesador da la orden para que un impulso eléctrico inicie una serie de reacciones químicas en la bolsa que contiene azida sódica (NaN3), KNO3 y SiO2.
La azida sódica es un detonador que sufre una reacción de deflagración generando una cantidad predeterminada de N2:
2 NaN3 2 Na + 3 N2
La cantidad de N2 producido puede llenar la bolsa de cerca de 70 litros de
capacidad.
Continuemos…
Para poder efectuar predicciones sobre la velocidad de una reacción química, o sea, sobre la rapidez con que se produce, debemos recurrir a la cinética química, una rama de la química que se dedica al estudio de los mecanismos y velocidades de reacción y cómo modificarlos.
Factores que afectan a las velocidades de reacción
Para que aumente la velocidad de una reacción química deben aumentar el número de choques efectivos que se producen en un tiempo dado entre las partículas de las sustancias reaccionantes. ¿Cómo podríamos conseguirlo?
La velocidad de las reacciones químicas está afectada por varios factores, de los cuales los más sobresalientes son:
Los estados físicos en los que se encuentran las sustancias reaccionantes son importantes para determinar la velocidad de reacción.
Un charco de nafta o de cualquier otro combustible líquido puede quemarse con facilidad, pero si se encuentra en forma de vapor experimentan la ignición en forma explosiva.
En caso de que alguno de los reaccionantes se encuentre en estado sólido, se puede aumentar la velocidad de la reacción, reduciéndolo a polvo (de esa forma la superficie de contacto se hace mucho mayor y entran en juego muchas más partículas).
Un clavo de hierro reacciona mucho más lentamente con el oxígeno del aire que el hierro en polvo.
Temperatura
La rapidez de las reacciones químicas aumenta a medida que se eleva la temperatura. En efecto, una elevación de temperatura supone un aumento de la energía con que se mueven muchas moléculas y, por tanto, de la violencia con que se producen los choques. Ello incrementa, a su vez, el número de choques efectivos, es decir, aquellos que producen roturas de enlaces en las sustancias reaccionantes, posibilitando así que se puedan formar más rápidamente los nuevos enlaces que darán lugar a los productos de la reacción.
Concentración de los reactivos
Casi todas las reacciones químicas aumentan la rapidez si se aumenta la concentración de uno o más de los reactivos. Aumentando la concentración, se logra que más moléculas de sustancias reaccionantes colisionen en un tiempo dado. Si alguno de los reactivos está disuelto, también podemos aumentar la concentración de esa disolución (de esa forma hay más partículas de soluto por unidad de volumen).
Catálisis
La rapidez de muchas reacciones se puede aumentar agregando una sustancia que se conoce como catalizador. Un catalizador es una sustancia que aumenta la velocidad de una reacción modificando su mecanismo. El catalizador participa de la reacción y su concentración puede variar drásticamente durante la misma, pero su concentración al principio y al final de la reacción es la misma, de modo que es como si no interviniera en la reacción neta.
Una reacción química en la que podemos apreciar el papel de un catalizador es la descomposición del agua oxigenada en agua y oxígeno, según:
2 H2O2 (l) --- 2 H2O (l) + O2 (g)
Si usted deja un frasco con agua oxigenada abierto esta reacción ocurre muy lentamente (en condiciones ordinarias).
Cuando se echa agua oxigenada sobre la piel no ocurre nada, pero si existe una herida, vemos que tiene lugar un proceso en el que se desprenden burbujas de oxígeno, formándose una especie de espuma blanca. Ello ocurre debido a la presencia en nuestra sangre de unas sustancias que actúan como catalizadores (que se denominan enzimas) aumentando la velocidad de descomposición del agua oxigenada,
Ingrese a la página
http://www.ucm.es/info/diciex/programas/quimica/pelis/barravelocidadreaci.ht ml ; y observe una simulación (síntesis del yoduro de cinc) de cómo aumenta la velocidad de reacción en presencia de un catalizador.
Reacciones químicas en la naturaleza
Sigamos trabajando con el ejemplo del hierro, alguna vez habrá dejado clavos afuera, a la intemperie o guardados en un armario, si los busca, ¿cómo cree que los encontrará? ……….
Seguramente se encuentren herrumbrados (u oxidados o corroídos).
En la vida diaria estamos acostumbrados a observar procesos muy lentos, por ejemplo la oxidación de una reja de hierro sin pintar a la intemperie. Con el correr de los meses o de los años, y según la humedad y temperatura ambiente, la reja se va cubriendo de una capa amarillo - parduzca de óxido de hierro, producto del proceso de oxidación del hierro, conocido como corrosión. El mismo proceso, cuando ocurre en una estructura metálica sumergida en agua, es mucho más rápido y puede ocurrir en horas o días, según las condiciones de pH y aireación.
Las reacciones de corrosión, si bien por lo general son muy lentas y pueden tardar años en ser detectadas, a veces se manifiestan en forma catastrófica. Por ejemplo, la ruptura de los tubos de intercambio de calor en un generador de vapor de una central de generación de energía puede "pincharse" y producir la salida de servicio de la instalación por varios días.
La reacciones de corrosión son reacciones redox donde un metal se oxida (reacción de oxidación, que genera electrones) y ocurre una reacción de reducción (consume electrones) acoplada que generalmente involucra al oxígeno del aire. En ausencia de oxígeno la oxidación de hierro u otros metales inmersos en agua es mucho más lenta o simplemente no ocurre.
En la práctica, es muy importante poder ejercer algún control sobre la velocidad de corrosión, en particular hacerla tan lenta como sea posible. Una forma de proteger un metal es cubrirlo con una capa de pintura que cumple la función de dificultar la llegada de oxígeno a la superficie. De esta manera, la reducción de oxígeno es controlada por difusión, y por lo tanto no puede ocurrir la reacción acoplada, que es la oxidación del metal.
Otra forma de preservar estructuras metálicas en contacto con agua es mediante la llamada protección catódica. En este método, se aplica una corriente al metal en sentido contrario al que produce la corrosión.
¿Será el hierro la única sustancia que puede corroerse? Observe los postes, edificios u objetos metálicos que se encuentran por las calles o jardines del lugar donde vive e identifique cuáles se encuentran corroídos.
Lógicamente entre las cosas que encuentre corroídas en su recorrido podrá ver que no son todas de hierro, sino que otros metales también se corroen.
Otra reacción de óxido – reducción: La fermentación
Seguramente usted habrá consumido vino. Alguna vez se preguntó ¿cómo se fabrica el vino?
Sabemos que el vino se prepara por fermentación de la uva, pero ¿qué reacción química se produce?
La fermentación del azúcar mediante levaduras4 es uno de los procesos químicos más antiguos.
Por este medio, se obtiene el alcohol etílico (C2H5OH) y se desprende dióxido
de carbono. La ecuación que representa a la fermentación es la siguiente:
Los azúcares utilizados en la fermentación provienen de diversas fuentes, como la caña de azúcar, la uva, la manzana, centeno o maíz, etc.
En el caso de las bebidas alcohólicas, el sabor especial de la bebida no depende del alcohol etílico, sino de otras sustancias que son características de las fuentes, o que se agregan deliberadamente.
Sabía que …Tanto en la fermentación del vino como en la de la cerveza se utilizan levaduras del género de la Saccharomyces. Durante el proceso de fermentación, a medida que actúan las levaduras, los azúcares presentes se van transformando en alcohol etílico y dióxido de carbono (que se pierde por evaporación). En el caso de las levaduras mencionadas, la concentración máxima que alcanza el alcohol es del 14 %, pues a esta concentración esas levaduras se “emborrachan” y dejan de trabajar. Esta fermentación se llama fermentación alcohólica, pero hay otros tipos de fermentaciones.
Ejercicios:
5. Indique si las siguientes afirmaciones son verdaderas (V) o falsas (F): a) La cinética química es la rama de la química que trata sobre la velocidad
de una reacción química.
b) La naturaleza y concentración de los reactivos, la temperatura y la presencia de catalizadores son factores que afectan a la velocidad de las reacciones químicas.
4
c) El sabor especial que tienen las bebidas alcohólicas es debido a la presencia del alcohol etílico.
Ahora ya conoce los contenidos que necesita para realizar la actividad 3. ¡Esperamos que haya aprendido los contenidos de esta sesión!, Ya estamos en las últimas sesiones, no olvide anotar sus dudas y consultarlas con su profesor.
Respuestas a los ejercicios planteados en la sesión 6:
Ejercicio 1:
Indique si las siguientes afirmaciones son verdaderas (V) o falsas (F): a) F b) V c) V Ejercicio 2: a) Cambio físico b) Cambio físico c) Cambio químico d) Cambio físico e) Cambio físico f) Cambio químico g) Cambio químico Ejercicio 3:
a) Las sustancias reaccionantes son el magnesio y el oxígeno, y el producto de la reacción es el óxido de magnesio, MgO.
b) La ley que se cumple es la ley de conservación de la masa, teníamos 12 g de magnesio y 16 g de oxígeno (no sobra nada) tendremos al final 12 + 16 = 30 g de óxido de magnesio.
c) La ley que se cumple es la ley de Proust, se combinarán 8 g de oxígeno, ya que:
Ejercicio 4:
Respuesta: La masa de oxígeno que se ha combinado es de 0,99 g Como se cumple la ley de conservación de la masa:
masa (elemento)+masa (oxígeno)=masa (óxido) 1,5 g elemento + x g oxígeno = 2,49 g óxido
x g oxígeno = 2,49 g óxido - 1,5 g elemento = 0,99 g de oxígeno Ejercicio 5:
Indique si las siguientes afirmaciones son verdaderas (V) o falsas (F): d) V
e) V f) F
Resumen de la sesión 6
Un cambio es la conversión de la materia, de una a otra forma distinta, debido a su interacción con la energía. No todos los cambios son iguales, hay
cambios físicos, aquellos en los que las sustancias no se transforman en otras
distintas, es decir, se modifica alguna propiedad de la materia, como su estado físico o la forma, pero no su composición química; cambios químicos o reacciones
químicas, en los que las sustancias se transforman en otras con distintas
propiedades, es decir, se modifica la composición química de la sustancia; y, cambios nucleares, cuando se modifica el número de partículas (protones y neutrones) de los núcleos que forman los átomos de los elementos químicos.
Una reacción química se origina cuando una o más sustancias, (reactivos o
sustancias reaccionantes) se transforman en una o más sustancias diferentes
(productos de la reacción). En una reacción química se produce sólo una reubicación de todos los átomos presentes.
Las reacciones químicas se expresan mediante ecuaciones químicas
balanceadas en las que se suele anotar el estado en que se encuentran los
reactivos y de los productos mediante las abreviaturas g, l, s, v y ac entre paréntesis para indicar los estados gaseoso, líquido, sólido, vapor y solución acuosa, respectivamente.
En las reacciones químicas tenemos que considerar la Ley de Conservación
de la masa o ley de Lavoisier, que enuncia que la masa total de todas las
sustancias presentes después de una reacción química es igual a la masa total antes de la reacción. Además debemos conocer la Ley de las proporciones
definidas o ley de Proust que manifiesta que al combinarse dos sustancias para
obtener una sustancia nueva determinada, las masas que reaccionan se encuentran en la misma proporción.
En la naturaleza las reacciones químicas ocurren a distintas velocidad. Algunas son muy lentas, pueden tardar siglos en producirse, mientras que otras son sumamente rápidas. Además, hay reacciones químicas que se producen
naturalmente, y, otras, que se producen artificialmente.
La rama de la química que trata sobre la velocidad de una reacción química, o sea, sobre la rapidez con que se produce, se denomina cinética química.
Algunas reacciones químicas que se producen en la naturaleza son reacciones redox, como la corrosión y la fermentación.
Bibliografía
Atkins (1992) Química General. Editorial Omega.
Biasoli, G. A.; Weitz, C. S. De; Chandias, D. O. (1998) "Química General e Inorgánica" Editorial Kapeluz .
Bridge, Norman (1992). 150 grandes científicos. Editorial Texido Ltda..
Chang, Raymond (2003) Química. Editorial Mc.Graw-Hill. Séptima edición.
Hill,J y Kolb, D (1999) Química para el nuevo mileno. Editorial Prentice Hall Pearson Octava Edición
Whitten K. y otros (1992) Química General. Editorial Mc.Graw-Hill. Tercera edición.
Cuadernillo del curso de nivelación de la Facultad de Ciencias Agrarias, Universidad Nacional de Cuyo, año 2005.