Reacciones químicas

Resumen

Una reacción química ocurre cuando se forman sustancias nuevas a partir de las anteriores. Para reconocerla, conviene relacionar lo que observamos, el comportamiento de las partículas y su representación simbólica.

Explicación

Cuando ocurre un cambio, primero podemos describir qué observamos. En “Cambio físico o químico”, el agua que hierve cambia de estado, pero sigue siendo agua: no se forma una sustancia nueva. En cambio, al quemarse el papel aparecen sustancias diferentes, junto con cambios como emisión de luz y formación de gases. En “Las pistas de que hubo reacción” se muestran algunas señales posibles: formación de gas, precipitado, cambio de color, cambio de temperatura o emisión de luz. Ninguna de estas señales, por sí sola, demuestra necesariamente que ocurrió una reacción química.

Para entender qué sucede a una escala que no podemos observar directamente, hay que pensar en las partículas. En una reacción, algunos enlaces químicos se rompen y se forman otros; los átomos se reagrupan de una manera diferente y se originan sustancias nuevas. Como muestra “Qué les pasa a los átomos”, los átomos no aparecen ni desaparecen.

Finalmente, en el nivel simbólico, una reacción se representa mediante una ecuación química, por ejemplo: 2 H₂(g) + O₂(g) → 2 H₂O(l). Las ecuaciones indican qué sustancias reaccionan, cuáles se forman y en qué proporción. “Reacciones de todos los días” permite relacionar esta idea con procesos conocidos, como la oxidación del hierro, la cocción, la fotosíntesis y el funcionamiento de las pilas.

Errores frecuentes

• “Si un cambio se puede revertir, es físico.” La reversibilidad no alcanza para distinguirlos: existen reacciones químicas reversibles. Lo importante es determinar si se formaron sustancias nuevas.
• “Las burbujas siempre indican una reacción química.” No necesariamente: al hervir agua se forman burbujas de vapor sin producir una sustancia nueva. Una reacción también puede producir un gas, pero hay que analizar qué sustancia se formó.
• “En una reacción desaparece materia.” Los átomos se conservan: se reagrupan y forman sustancias diferentes. Por eso una ecuación química debe respetar la misma cantidad de átomos de cada elemento en ambos lados.

Para pensar

• ¿Qué observaciones necesitarías reunir para decidir con mayor confianza si un cambio es químico y no solamente un cambio de estado?
• ¿Por qué dos procesos que producen una señal similar, como un cambio de temperatura, pueden corresponder a fenómenos diferentes?

Idea clave

Reconocer una reacción química requiere relacionar las evidencias observables con el reagrupamiento de los átomos y con la ecuación que representa ese cambio.

Resumen

La ecuación química es la representación simbólica de una reacción. Con fórmulas, coeficientes, subíndices y símbolos de estado indica qué reactivos se transforman en qué productos y en qué proporción.

Explicación

Una misma reacción se puede describir en tres niveles. En lo macroscópico, una cinta de magnesio arde con una llama blanca muy intensa y deja un polvo blanco: óxido de magnesio. En lo submicroscópico, los átomos de magnesio ceden electrones a los átomos de oxígeno, que antes estaban unidos de a dos en moléculas de O₂; se forma una red de iones Mg²⁺ y O²⁻. En lo simbólico, esa reacción se escribe así:

2 Mg(s) + O₂(g) → 2 MgO(s)

A la izquierda de la flecha están los reactivos (Mg y O₂) y a la derecha el producto (MgO). La flecha se lee “da” o “produce”, como muestra “Cómo se lee una ecuación”. El número 2 delante de Mg y de MgO es un coeficiente: indica que por cada molécula de O₂ reaccionan dos átomos de magnesio y se forman dos unidades de MgO. El subíndice 2 de O₂ es parte de la fórmula: dice que cada molécula de oxígeno tiene dos átomos, y no se puede cambiar sin cambiar la sustancia (“Coeficiente y subíndice”). Los símbolos (s) y (g) indican sólido y gas; en “Los símbolos (s), (l), (g) y (ac)” se ve qué agrega cada uno. La ecuación está balanceada: hay 2 átomos de Mg y 2 de O de cada lado, porque los átomos no aparecen ni desaparecen. Para pasar de un enunciado a una ecuación bien escrita, está “De la frase a la ecuación”.

Errores frecuentes

• “La flecha es un signo igual.” La flecha indica una transformación: los reactivos dejan de existir como tales y se forman productos distintos. Se lee “da”, no “es igual a”.
• “2 H₂O y H₂O₂ son lo mismo.” El coeficiente 2 de 2 H₂O indica dos moléculas de agua; el subíndice 2 del oxígeno en H₂O₂ define otra sustancia, el peróxido de hidrógeno (agua oxigenada). El coeficiente cuenta partículas; el subíndice dice cuántos átomos hay en cada una.
• “NaCl(ac) y NaCl(l) son lo mismo.” (ac) indica que la sal está disuelta en agua; (l) indica cloruro de sodio puro fundido, algo que ocurre recién a más de 800 °C. En uno hay agua y en el otro no.

Para pensar

• ¿Cómo relacionarías los coeficientes de una ecuación con lo que se mide en un experimento, como la masa de un reactivo?
• ¿Por qué importa indicar los estados de agregación en una ecuación química?

Idea clave

La ecuación química representa con símbolos qué sustancias se transforman, en cuáles y en qué proporción, sin que se pierda ni se cree ningún átomo.

Resumen

En una reacción química la masa total se conserva porque los átomos no se destruyen: se reorganizan. En la ecuación eso se representa ajustando los coeficientes estequiométricos, sin alterar las fórmulas.

Explicación

Nivel macroscópico. Cuando una reacción ocurre en un recipiente cerrado —como hizo Antoine Lavoisier con su balanza—, la masa total de los reactivos es igual a la de los productos. Si el sistema no intercambia materia con el entorno, nada desaparece: 16 g de metano gaseoso reaccionan con 64 g de oxígeno y producen 44 g de dióxido de carbono y 36 g de vapor de agua (16 + 64 = 44 + 36 = 80 g).

Nivel submicroscópico. En toda transformación química se rompen enlaces y se forman otros nuevos, pero cada átomo sigue existiendo. Por eso antes y después de reaccionar hay exactamente la misma cantidad de átomos de cada elemento.

Nivel simbólico. La conservación se escribe como una ecuación balanceada. Los subíndices definen qué sustancia es cada una, así que no se tocan: solo se ajustan los coeficientes enteros que van delante de cada fórmula. Por ejemplo, la combustión completa del metano:

CH₄(g) + 2 O₂(g) → CO₂(g) + 2 H₂O(g)

Errores frecuentes

• «Cuando se quema un tronco se pierde masa, porque solo quedan cenizas». En un sistema abierto el dióxido de carbono y el vapor de agua se dispersan en el aire. Si se juntaran en un recipiente cerrado el humo, los gases y las cenizas, la masa final sería igual a la del tronco más la del oxígeno consumido.
• «Para balancear se pueden cambiar los subíndices». Los subíndices indican la proporción fija de átomos de una sustancia. Si se cambia H₂O por H₂O₂ para ajustar los oxígenos, ya no es agua sino peróxido de hidrógeno (agua oxigenada), otra sustancia con otras propiedades. Solo se modifican los coeficientes.
• «La suma de coeficientes tiene que dar igual de los dos lados». Los coeficientes indican proporciones de moléculas (o de moles), no cantidades de átomos. En N₂(g) + 3 H₂(g) → 2 NH₃(g) la suma pasa de 4 a 2. Lo que se mantiene es el número de átomos de cada elemento, no el de moléculas.

Para pensar

• Si se calienta lana de acero sobre una balanza abierta hasta que se pone incandescente, ¿por qué la balanza marca más después, en lugar de menos como pasa con el tronco?
• ¿Por qué los coeficientes de una ecuación balanceada pueden leerse como moles, pero nunca directamente como gramos?

Idea clave

En toda reacción química se conservan la masa y la cantidad de átomos de cada elemento. Balancear es ajustar solo los coeficientes para reflejar ese reordenamiento, sin cambiar la identidad de las sustancias.

Clasificación de las reacciones

Resumen

Toda reacción química intercambia energía con el entorno, porque romper enlaces consume energía y formarlos la libera. El balance entre las dos cosas define si el sistema absorbe o libera energía.

Explicación

Nivel macroscópico. Cuando tocás el recipiente donde ocurre una reacción y notás que se calienta o se enfría, estás percibiendo el intercambio de energía. Para describirlo hay que distinguir el sistema (las sustancias que reaccionan) del entorno (el solvente, el recipiente, el aire, tu mano). Lo muestra la animación «Exotérmica o endotérmica».

Nivel submicroscópico. Reaccionar es desarmar unas uniones entre átomos y armar otras. Romper un enlace siempre requiere absorber energía; formar un enlace siempre la libera («Romper cuesta, formar devuelve»).

Nivel simbólico. El balance se expresa con la variación de entalpía, ΔH, y el signo se toma desde el punto de vista del sistema. Si el sistema cede energía al entorno, ΔH < 0 y la reacción es exotérmica. Si absorbe energía del entorno, ΔH > 0 y es endotérmica.

En los diagramas de energía («Leer el diagrama de energía» y la lámina de diagramas exotérmico y endotérmico), ΔH es la diferencia de altura entre reactivos y productos. Además, casi toda reacción necesita un empujón inicial para que los choques rompan los primeros enlaces: la energía de activación, E_a.

Ejemplos cotidianos

La disolución no es estrictamente una reacción química (no se forman sustancias nuevas), pero sigue la misma lógica energética y es el ejemplo endotérmico más fácil de tocar.

Errores frecuentes

• «Romper enlaces libera energía». Es al revés: romper un enlace siempre requiere energía. La energía se libera cuando se forman los enlaces nuevos de los productos.
• «Si el recipiente se enfría, el sistema pierde calor». El recipiente es parte del entorno. Si se enfría, es porque le cede energía al sistema, así que el sistema gana energía: la reacción es endotérmica.
• «Un catalizador cambia el ΔH». El catalizador ofrece otro camino con menor E_a, pero no cambia la energía de los reactivos ni la de los productos, así que ΔH sigue igual.

Para pensar

• La oxidación de los alimentos en las células libera mucha energía. ¿Por qué no nos quemamos por dentro después de comer?
• Si la oxidación de la madera o del plástico no tuviera energía de activación, ¿qué pasaría con esos materiales en contacto con el aire?

Idea clave

El signo del ΔH depende del balance entre la energía que cuesta romper los enlaces de los reactivos y la que se libera al formar los de los productos.