Reacciones químicas
Los enlaces iónicos, covalentes polares y covalentes en realidad pueden ser considerados como versiones diferentes del mismo tipo de enlace. Las diferencias dependen de los diferentes grados de atracción que los átomos que se combinan ejercen sobre los electrones. En un enlace covalente completamente no polar, los electrones se comparten por igual. Esos enlaces pueden existir sólo entre átomos idénticos: H2, Cl2, O2 y N2, por ejemplo. En los enlaces covalentes polares, los electrones se comparten de modo desigual, y en los enlaces iónicos hay una atracción electrostática entre los iones negativa y positivamente cargados, como resultado de que han ganado o perdido previamente electrones.
La multitud de reacciones químicas que ocurren tanto en el mundo animado como en el inanimado pueden clasificarse en unos pocos tipos generales. Un tipo de reacción puede ser una combinación simple representada por la expresión:
A + B —> AB
Ejemplos de este tipo de reacción son la combinación de los iones sodio y los iones cloruro para formar cloruro de sodio, y la combinación del gas hidrógeno con el gas oxígeno para producir agua.
Una reacción también puede ser de disociación:
AB —> A + B
Por ejemplo, la ecuación anterior, que muestra la formación del agua, puede ocurrir en sentido inverso.
2H2O —> 2H2 + O2
Esto significa que las moléculas de agua producen los gases hidrógeno y oxígeno.
Una reacción también puede implicar un intercambio, tomando la forma:
AB + CD —> AD + CB
Un ejemplo de dicho intercambio ocurre cuando los compuestos químicos hidróxido de sodio (NaOH) y ácido clorhídrico (HCl) reaccionan, produciendo sal de mesa y agua:
NaOH + HCl —> NaCl + H2O
| Elemento | Símbolo | Nº atómico | Nº de electrones en cada nivel de energía | |||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1º | 2º | 3º | 4º | |||
| Hidrógeno | (H) | 1 | 1 | — | — | — |
| Helio | (He) | 2 | 2 | — | — | — |
| Carbono | (C) | 6 | 2 | 4 | — | — |
| Nitrógeno | (N) | 7 | 2 | 5 | — | — |
| Oxígeno | (O) | 8 | 2 | 6 | — | — |
| Neón | (Ne) | 10 | 2 | 8 | — | — |
| Sodio | (Na) | 11 | 2 | 8 | 1 | — |
| Fósforo | (P) | 15 | 2 | 8 | 5 | — |
| Azufre | (S) | 16 | 2 | 8 | 6 | — |
| Cloro | (Cl) | 17 | 2 | 8 | 7 | — |
| Argón | (Ar) | 18 | 2 | 8 | 8 | — |
| Potasio | (K) | 19 | 2 | 8 | 8 | 1 |
| Calcio | (Ca) | 20 | 2 | 8 | 8 | 2 |
El primer nivel de energía puede contener un máximo de dos electrones, el segundo nivel un máximo de ocho, al igual que el tercer nivel energético de los elementos, hasta el Número Atómico 20 (calcio). En los elementos de mayor Número Atómico, el tercer nivel energético tiene orbitales internos adicionales, que pueden tener un máximo de diez electrones más. Como se puede observar, el cuarto nivel de electrones se empieza a llenar antes de completarse el tercero.
Reacciones Químicas
Una reacción química consiste en el cambio de una o mas sustancias en otra(s). Los reactantes son las sustancias involucradas al inicio de la reacción y los productos son las sustancias que resultan de la transformación. En una ecuación química que describe una reacción, los reactantes, representados por sus fórmulas o símbolos, se ubican a la izquierda de una flecha; y posterior a la flecha, se escriben los productos, igualmente simbolizados. En una ecuación se puede indicar los estados físicos de las sustancias involucradas de la manera siguiente: (s) para sólido, (l) para líquido, (g) para gaseoso y (ac) para soluciones acuosas. Los catalizadores, temperaturas o condiciones especiales deben especificarse encima de la flecha.
Ecuación Química: representa la transformación de sustancias.
Reactante(s) à Producto(s)
|
Tipos de Reacciones Químicas
Las reacciones químicas pueden clasificarse de manera sencilla en cinco grandes grupos. Existen otras clasificaciones, pero para predicción de los productos de una reacción, esta clasificación es la más útil.
Reacciones de Síntesis o Composición
En estas reacciones, dos o más elementos o compuestos se combinan, resultando en un solo producto.
Síntesis Química: la combinación de dos o mas sustancias para formar un solo compuesto.
A + B à C
(donde A y B pueden ser elementos o compuestos)
|
Ejemplo:
Escriba la reacción de síntesis entre el aluminio y el oxígeno.
Solución:
Dos elementos se combinarán para formar el compuesto binario correspondiente. En este caso, el aluminio y el oxígeno formarán el óxido de aluminio. La ecuación que representa la reacción es la siguiente:
4 Al (s) + 3 O2 (g) à 2 Al2O3 (s)
Nota: Es importante recordar los elementos que son diatómicos, los cuales se escriben con un subíndice de 2 cuando no se encuentran combinados y participan en una reacción. Estos son el hidrógeno, nitrógeno, oxígeno, flúor, cloro, bromo y el yodo.
Estas reacciones son inversas a la síntesis y son aquellas en la cuales se forman dos o más productos a partir de un solo reactante, usualmente con la ayuda del calor o la electricidad.
Descomposición Química: la formación de dos o mas sustancias a partir de un solo compuesto.
A à B + C
(donde B y C pueden ser elementos o compuestos)
|
Ejemplo:
Escriba la ecuación que representa la descomposición del óxido de mercurio (II).
Solución:
Un compuesto binario se descompone en los elementos que lo conforman. En este caso, el óxido de mercurio (II) se descompone para formar los elementos mercurio y oxígeno. La ecuación que representa la reacción es la siguiente:
2 HgO (s) à 2 Hg (l) + O2 (g)
Estas reacciones son aquellas en las cuales un átomo toma el lugar de otro similar pero menos activo en un compuesto. En general, los metales reemplazan metales (o al hidrógeno de un ácido) y los no metales reemplazan no metales. La actividad de los metales es la siguiente, en orden de mayor actividad a menor actividad: Li, K, Na, Ba, Ca, Mg, Al, Zn, Fe, Cd, Ni, Sn, Pb, (H), Cu, Hg, Ag, Au. El orden de actividad de los no metales mas comunes es el siguiente: F, O, Cl, Br, I, siendo el flúor el más activo.
Desplazamiento Químico: un elemento reemplaza a otro similar y menos activo en un compuesto.
AB + C à CB + A ó AB + C à AC + B
(dónde C es un elemento más activo que un metal A o un no metal B)
|
Ejemplo 1:
Escriba la reacción entre el magnesio y una solución de sulfato de cobre (II).
Solución:
El magnesio es un metal más activo que el cobre y por tanto, lo reemplazará en el compuesto, formando sulfato de magnesio. A la vez, el cobre queda en su estado libre como otro producto de la reacción. La ecuación que representa la reacción es la siguiente:
Mg (s) + CuSO4 (ac) à MgSO4 (ac) + Cu (s)
Ejemplo 2:
Escriba la reacción entre el óxido de sodio y el flúor.
Solución:
El flúor es un no metal más activo que el oxígeno y por tanto, lo reemplazará en el compuesto, formando fluoruro de sodio. A la vez, el oxígeno queda en su estado libre como otro producto de la reacción. La ecuación que representa la reacción es la siguiente:
2 F2 (g) + 2 Na2O (ac) à 4 NaF (ac) + O2 (g)
Ejemplo 3:
Escriba la reacción entre la plata y una solución de nitrato de bario.
Solución:
La reacción no se da, puesto que la plata es un metal menos activo que el bario y por ende, no lo reemplaza.
Estas reacciones son aquellas en las cuales el ión positivo (catión) de un compuesto se combina con el ión negativo (anión) del otro y viceversa, habiendo así un intercambio de átomos entre los reactantes. En general, estas reacciones ocurren en solución, es decir, que al menos uno de los reactantes debe estar en solución acuosa.
Doble Desplazamiento Químico: los reactantes intercambian átomos – el catión de uno se combina con el anión del otro y viceversa.
AB + CD à AD + CB
|
Solución:
En esta reacción, la plata reemplaza al hidrógeno del ácido, formando cloruro de plata. Al mismo tiempo, el hidrógeno reemplaza a la plata, formando ácido nítrico con el nitrato. La ecuación que representa la reacción es la siguiente:
AgNO3 (ac) + HCl (ac) à HNO3 (ac) + AgCl (s)
Reacciones de Neutralización
Estas reacciones son de doble desplazamiento o intercambio. Su particularidad es que ocurren entre un ácido y una base y los productos de la reacción son agua y una sal formada por el catión de la base y el anión del ácido.
Por ejemplo, la reacción entre el ácido sulfúrico y el hidróxido de sodio resulta en la formación de agua y sulfato de sodio. La ecuación que representa esta reacción es la siguiente:
H2SO4 (ac) + 2 NaOH (ac) à 2 H2O (l) + Na2SO4 (ac)
Estas reacciones ocurren cuando un hidrocarburo orgánico (un compuesto que contiene carbono e hidrógeno) se combina con el oxígeno, formando agua y dióxido de carbono como productos de la reacción y liberando grandes cantidades de energía. Las reacciones de combustión son esenciales para la vida, ya que la respiración celular es una de ellas.
Combustión: un hidrocarburo orgánico reacciona con el oxígeno para producir agua y dióxido de carbono.
hidrocarburo + O2 à H2O + CO2
|
Ejemplo 1:
Escriba la ecuación que representa la reacción de combustión de la glucosa, el azúcar sanguíneo (C6H12O6).
Solución:
En esta reacción, la glucosa es un hidrocarburo que reacciona con el oxígeno, resultando en los productos de la combustión – el agua y el dióxido de carbono. La ecuación que representa la reacción es la siguiente:
C6H12O6 + O2 à H2O + CO2
Elementos biológicamente importantes
Los elementos son, por definición, sustancias que no pueden ser desintegradas en otras sustancias por medios químicos ordinarios. De los 92 elementos naturales de la Tierra, sólo seis constituyen aproximadamente el 99% de todos los tejidos vivos. Estos seis elementos son el carbono, el hidrógeno, el nitrógeno, el oxígeno, el fósforo y el azufre, a los cuales se los conoce con la sigla CHNOPS. Sin embargo, no son los elementos más abundantes en la superficie de la Tierra.
| Elemento | Humano | Alfalfa | Bacteria |
|---|---|---|---|
| Carbono | 19,37% | 11,34% | 12,14% |
| Hidrógeno | 9,31% | 8,72% | 9,94% |
| Nitrógeno | 5,14% | 0,83% | 3,04% |
| Oxígeno | 62,81% | 77,90% | 73,68% |
| Fósforo | 0,63% | 0,71% | 0,60% |
| Azufre | 0,64% | 0,10% | 0,32% |
| CHNOPS | |||
| Total: | 97,90% | 99,60% | 99,72% |
¿Por qué, cuando la vida se organizó y evolucionó, fueron estos elementos tan importantes? Una clave es que los átomos de todos estos elementos necesitan ganar electrones para completar sus niveles de energía exteriores. Así, generalmente forman enlaces covalentes. Dado que estos átomos son pequeños, los electrones compartidos en los enlaces se mantienen próximos a los núcleos, produciendo moléculas muy estables. Más aun, con excepción del hidrógeno, los átomos de todos estos elementos pueden formar enlaces con dos o más átomos, haciendo posible la constitución de las moléculas grandes y complejas esenciales para las estructuras y funciones de los sistemas vivos.
Elementos de importancia biológica
Los elementos son, por definición, sustancias que no pueden ser desintegradas en otras sustancias por medios químicos ordinarios. Hay seis elementos de gran importancia en los tejidos vivos. Estos seis elementos son el carbono, el hidrógeno, el oxígeno, el nitrógeno, el fósforo y el azufre, son conocidos por las siglas CHONPS. Aunque no son los elementos mas abundantes de la Tierra constituyen aproximadamente el 99% de la materia viva.
Composición porcentual de elementos básicos
en diversos organismos
en diversos organismos
Composición atómica de tres organismos representativos
Elemento
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Humano
|
Alfalfa
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Bacteria
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Carbono
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19,37%
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11,34%
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12,14%
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Hidrógeno
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9,31%
|
8,72%
|
9,94%
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Nitrógeno
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5,14%
|
0,83%
|
3,04%
|
Oxígeno
|
62,81%
|
77,90%
|
73,68%
|
Fósforo
|
0,63%
|
0,71%
|
0,60%
|
Azufre
|
0,64%
|
0,10%
|
0,32%
|
CHNOPS
| |||
Total:
|
97,90%
|
99,60%
|
99,72%
|
¿Por qué, cuando la vida se organizó y evolucionó, fueron estos elementos tan importantes? Una clave es que los átomos de todos estos elementos necesitan ganar electrones para completar sus niveles de energía exteriores. Así, generalmente forman enlaces covalentes. Dado que estos átomos son pequeños, los electrones compartidos en los enlaces se mantienen próximos a los núcleos, produciendo moléculas muy estables. Más aun, con excepción del hidrógeno, los átomos de todos estos elementos pueden formar enlaces con dos o más átomos, haciendo posible la constitución de las moléculas grandes y complejas esenciales para las estructuras y funciones de los sistemas vivos.
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