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qué se oxidan algunos objetos 1. ¿Por metálicos? ¿Qué significa que un metal se oxide? nos referimos cuando hablamos 2. ¿Adede qué la «composición química» una sustancia? ¿Puede alterarse dicha composición? ¿Se te ocurre alguna manera? agentes físicos producen 3. ¿Qué transformaciones en los sistemas materiales? has oído hablar 4. Seguramente de reacciones químicas. ¿Cómo definirías tú qué es una reacción química?
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Transformaciones físicas y transformaciones químicas Piensa y deduce
La oxidación El hierro se oxida a la intemperie, al combinarse con el oxígeno del aire, y sufre una transformación que altera su naturaleza química. La nueva sustancia de color ocre es óxido de hierro.
El agua del hielo, al fundirse, sigue siendo agua, mientras que el papel, al arder, se transforma en cenizas y humo.
1. Explica con tus palabras las transformaciones que tienen lugar en los siguientes ejemplos: a) Moldear plastilina. b) Encender una cerilla. c) Derretir la cera de una vela. d) Fabricar cubitos de hielo. e) Echar una pastilla efervescente en agua. f ) Oxidar una barandilla de hierro. g) Romper en pedazos una vasija de cerámica. 2. En algunas de las transformaciones anteriores, la sustancia inicial no cambia, de modo que se puede recuperar. En las demás, por el contrario, las sustancias se han modificado y es imposible recuperarlas. Clasifica las transformaciones de la actividad anterior con arreglo a estos dos criterios.
La naturaleza que nos rodea está en permanente transformación. Algunos cambios son más evidentes, ya que transcurren con rapidez, como, por ejemplo, la leña que arde o el agua que se evapora. Otras transformaciones, en cambio, al ser muy lentas, son imperceptibles; así, por ejemplo, la hulla o el mismo petróleo han surgido como resultado de la descomposición de la materia vegetal de los bosques primitivos, proceso que ha requerido millones de años. En la UNIDAD 1 definimos la transformación de un sistema material como cualquier cambio de sus propiedades iniciales. Dichos cambios pueden afectar o no a la propia composición química de la sustancia. Así, el agua puede congelarse y formar hielo, pero en este proceso no cambia su composición química; el hielo sigue siendo agua, aunque en estado sólido. Por el contrario, en la cerilla que arde se produce un cambio en la naturaleza química de la sustancia que la compone. En función de que la composición química de la sustancia cambie (como ocurre con el papel ardiendo) o no (como sucede con el hielo al derretirse), las transformaciones pueden ser químicas y físicas.
Actividades 1 Clasifica las siguientes transformaciones en físicas o químicas: a) Combustión. b) Congelación. c) Descomposición. d) Oxidación. e) Deformación. f ) Disgregación.
Una transformación es química cuando cambia la composición química de la sustancia o sustancias iniciales. Dicho proceso suele denominarse comúnmente reacción química.
Una reacción química da lugar a sustancias diferentes a las iniciales, al contrario de lo que ocurre en las transformaciones físicas. Una transformación es física cuando la composición química de la sustancia no cambia.
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¿Cómo sabemos cuándo se ha producido una reacción química?
Piensa y deduce Observa las siguientes secuencias de fotografías y describe los cambios que aprecias en cada una de ellas.
Actividades 2 Enumera los indicios que aparecen en las transformaciones de las fotografías que abren esta página. ¿Puedes asegurar que se ha producido una reacción química en los tres casos?
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UNIDAD
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En las tres secuencias se advierten cambios evidentes. Pero ¿podemos asegurar que se ha producido una reacción química? ¿Qué indicios más frecuentes revelan que ha tenido lugar una reacción? Veamos a continuación algunos de esos indicios típicos: Cambio de coloración. Indica la aparición de una o de varias sustancias nuevas distintas a las iniciales. Aparición de sedimento o precipitado. Es señal de que una o algunas de las sustancias nuevas formadas son insolubles. Desprendimiento de gas. Como resultado de la reacción aparece una nueva sustancia que se presenta en estado gaseoso a temperatura ambiente. Absorción o liberación de calor. Los cambios espontáneos de temperatura de la mezcla revelan que se está produciendo una reacción. Cambios en otras propiedades. La acidez, el olor, la aparición de propiedades ópticas frente a la luz, propiedades magnéticas o eléctricas, etc., son otros indicios de que ha tenido lugar una reacción química.
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¿Cómo se representan las reacciones químicas?
En la página anterior se han escenificado, a través de las fotografías, tres reacciones químicas distintas. En todas ellas se partía de unas sustancias iniciales, denominadas reactivos. Una vez mezclados los reactivos en las condiciones adecuadas, se produce la reacción química, cuya consecuencia es la desaparición de dichos reactivos y la formación de sustancias nuevas, distintas a las iniciales, que reciben el nombre de productos. Reactivos antes de la reacción: un tubo contiene yoduro de potasio, y el otro, nitrato de plomo.
Los reactivos son las sustancias iniciales que, una vez mezcladas, reaccionan químicamente.
Los productos son las sustancias nuevas que se forman como resultado de la reacción química entre los reactivos.
Productos después de la reacción: la fracción de líquido transparente es ahora nitrato de potasio, mientras que el sedimento amarillo es yoduro de plomo.
Las reacciones químicas se representan de modo similar a las ecuaciones matemáticas. Para expresar que al añadir tres a cinco obtenemos ocho, escribimos la siguiente igualdad: 3 5 8 En términos químicos, esta suma significaría que al mezclar los «reactivos» 3 y 5 se obtiene como resultado el número 8. Pues bien, una reacción química se representa del mismo modo: a la izquierda se escriben los reactivos que se mezclan, separados por signos de adición ( ), y a la derecha, los productos que se obtienen, también separados por signos de suma, si se forman varios. En el caso de las reacciones, el signo igual ( ) se sustituye por una flecha que indica el sentido en el que se produce la reacción. Así, si mezclamos los reactivos A y B y se forman los productos C y D, la reacción se escribirá: A B C D
Actividades 3 Explica el significado de la siguiente reacción y pon un ejemplo de cuándo se produce: C O2 CO2 4 La siguiente reacción (sin ajustar) es bastante frecuente. ¿Sabrías explicar su significado? Fe O2
humedad
FeO
Como recordarás del curso pasado, todas las sustancias tienen un nombre propio y se representan mediante símbolos (si se trata de elementos) o mediante fórmulas (si se trata de compuestos). De ese modo, cuando se escribe una reacción química, los reactivos y los productos se expresan, respectivamente, con símbolos y fórmulas. Así, por ejemplo, si mezclamos azufre y hierro en frío, no sucede nada; pero si procedemos a calentar la mezcla, reaccionan rápidamente para producir un nuevo compuesto que se conoce como sulfuro de hierro. Representaremos esta reacción de la siguiente manera: calor
azufre hierro sulfuro de hierro Y más propiamente, usando símbolos y fórmulas: calor
S Fe FeS Encima de la flecha, en letra pequeña, se expresan las condiciones necesarias para que transcurra la reacción.
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La masa no cambia durante las reacciones químicas
Seguramente habrás escuchado alguna vez que «nadie regala euros a céntimo». Pues bien, algo semejante ocurre en las reacciones químicas; no podemos obtener varios kilogramos de productos haciendo reaccionar solamente unos gramos de reactivos. Es más, en las reacciones químicas se cumple siempre la ley de conservación de la masa, según la cual la masa de los productos obtenidos es igual a la masa de los reactivos que han reaccionado. En una reacción química la masa se conserva. Esto quiere decir que la masa total de los productos obtenidos es igual a la masa total de los reactivos que han reaccionado.
Masa de los reactivos antes de la reacción (43,1 g).
Actividades 5 Al hacer reaccionar 2 g de hidrógeno con 16 g de oxígeno, la reacción es completa y se forma agua. a) ¿Qué cantidad de agua se obtiene? b) Si deseamos que reaccionen 12 g de hidrógeno, ¿cuántos gramos de oxígeno necesitaremos? ¿Qué cantidad de agua se formará? c) ¿Qué ocurrirá si mezclamos 10 g de hidrógeno con 100 g de oxígeno? ¿Reaccionará todo el oxígeno? ¿Cuánto oxígeno quedará sin reaccionar? ¿Cuánta agua se formará? d) ¿Qué cantidades de hidrógeno y oxígeno se precisarán para obtener 54 g de agua?
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UNIDAD
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Masa de los productos después de la reacción (43,1 g); la masa total no ha cambiado.
Ahora bien, ¿se pueden mezclar cantidades aleatorias de reactivos de manera que siempre reaccionen por completo? Hoy sabemos que esto no es posible. Ya a finales del siglo XVIII y principios del XIX se descubrió que las reacciones químicas obedecían a una sorprendente ley: los reactivos reaccionan en proporciones fijas, que son siempre las mismas independientemente de dónde o de cómo se efectúe la reacción. Veamos qué quiere decir esta ley: Tomemos como ejemplo la reacción entre el azufre (S) y el cobre (Cu): 32 g de azufre reaccionan exactamente con 63,5 g de cobre (casi el doble), que, en proporción, viene a ser 1 parte de azufre y 2 partes de cobre. Esto significa que la cuarta parte de azufre (8 g) reaccionará exactamente con la cuarta parte del cobre (15,875 g). Es decir: Los reactivos que participan en una reacción química reaccionan siempre en proporciones fijas.
Este hecho se conoce como ley de las proporciones constantes. De lo anterior podemos afirmar que: Las reacciones químicas cumplen siempre las siguientes leyes: Ley de conservación de la masa. Ley de las proporciones constantes.
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4.1. Un modelo para explicar las leyes
Reactivos de nuestro modelo: tornillo y tuerca.
Investigaremos a continuación por qué las reacciones químicas obedecen a leyes tan estrictas. Para ello, trabajaremos con el modelo de tuercas y tornillo que se muestra en la fotografía del margen. Supongamos que tenemos varios tornillos (que simbolizaremos con «T» mayúscula), cuya longitud solo permite utilizarlos con tres tuercas (que designaremos con «t» minúscula). Los reactivos de nuestra reacción son «tornillo» (T) y «tuerca» (t). Cada tornillo tiene capacidad para reaccionar exactamente con tres tuercas. El resultado de dicha reacción es un producto que surge de la unión de un tornillo con tres tuercas, al que bautizaremos con el nombre de «tuernillo» y cuya fórmula es Tt3. Fíjate en cómo se escribiría nuestra reacción: tornillo 3 tuercas tuernillo y empleando una fórmula: T 3t Tt3
Un tornillo reacciona exactamente con tres tuercas originando un producto que llamaremos «tuernillo».
Observemos un detalle que se desprende de la reacción escrita mediante la fórmula: en los reactivos aparecen las mismas unidades (cuatro en total) que en el producto; tan solo se han reorganizado de manera distinta. Evidentemente, es fácil comprobar que en nuestra reacción se cumple la ley de conservación de la masa (masa total de reactivos masa total de productos). Pero, además, se cumple la ley de las proporciones constantes: ¿qué pasaría si mezclásemos 15 tornillos con 70 tuercas? Solo se podrían combinar 45 tuercas con los 15 tornillos (proporción fija de 3 a 1). Quedarían, por tanto, 25 tuercas sin reaccionar. Es decir, parte del reactivo no reaccionaría.
Actividades 6 ¿Cuántos tornillos y tuercas se necesitarían para obtener 18 «tuernillos»? 7 ¿Qué ocurriría si mezcláramos 40 tornillos con 60 tuercas? ¿Qué «reactivo» está en exceso y en qué cantidad? ¿Cuántos «tuernillos» obtendríamos? Observa que la proporción 1:3 se mantiene constante: 3 tornillos reaccionan con 9 tuercas.
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4.2. Un modelo real: los átomos Examinaremos ahora las conclusiones extraídas del modelo anterior para explicar, desde el punto de vista de la constitución de la materia, por qué las reacciones químicas cumplen las leyes enunciadas.
Piensa y deduce
En frío, el azufre y el hierro se mezclan sin producir reacción.
El hierro se puede recuperar separándolo del azufre, lo que constituye una prueba de que no ha habido reacción.
Antes de entrar en detalles, realizad en clase este sencillo experimento: Diez chicas se pondrán en un lado del aula y diez chicos en el otro. Las chicas serán la «sustancia A», y los chicos, la «sustancia B». Anotad el peso total de las chicas y el peso total de los chicos por separado. La reacción consiste en formar parejas chica-chico para obtener una nueva sustancia, que llamaréis AB. Si pesáis a continuación a cada pareja y sumáis todos los pesos obtenidos, ¿el peso total de la «sustancia AB» será mayor, menor o igual que la suma de los pesos de A y de B por separado? Justificad vuestra respuesta.
En las reacciones químicas sucede algo similar. Para comprobarlo, realizaremos una sencilla reacción química. Mezclamos 4 g de azufre en polvo y 7 g de limaduras de hierro. Como podréis observar, no pasa nada, ya que, en realidad, solo tenemos una mezcla de azufre y hierro. ¿Cómo sabemos que no ha habido una reacción? Si cogemos un imán, podremos separar el hierro del azufre y de nuevo tendremos las sustancias iniciales. Introducimos ahora la mezcla en un tubo de ensayo que tapamos y pesamos. Después, calentamos nuestra mezcla durante un instante y observamos que se forma otra sustancia totalmente distinta. ¿Por qué sabemos que es una sustancia nueva? Si te fijas en las ilustraciones, verás que: No se distinguen sustancias componentes distintas. La nueva sustancia es de color negro. La nueva sustancia no es atraída por el imán, a diferencia del hierro.
En esta secuencia se observa que después de una reacción química la masa se mantiene, pero las características de las sustancias han cambiado.
Fíjate ahora en la secuencia fotográfica anterior: el tubo con la sustancia final pesa lo mismo que el tubo que contenía el azufre y el hierro, a pesar de ser sustancias distintas. ¿Por qué ocurre esto?
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UNIDAD
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La clave invisible: los minúsculos átomos
Todos los átomos de hidrógeno (los más pequeños que existen) son iguales entre sí.
Cada átomo de hierro tiene una masa 56 veces mayor que la del átomo de hidrógeno. Todos los átomos de hierro son iguales entre sí.
En 1808, el científico británico John Dalton ofreció una convincente explicación de por qué las reacciones químicas cumplen la ley de conservación de la masa y la de las proporciones constantes a partir de las siguientes ideas: La materia está constituida por átomos. Todos los átomos de una misma especie son iguales, pero diferentes a los de otras especies. En una reacción química, los átomos presentes inicialmente se reorganizan de distinta manera formando sustancias diferentes. Sin embargo, los átomos siguen siendo los mismos (ni se crean ni se destruyen), de ahí que la masa no cambie en la reacción. Antes de la reacción, teníamos una mezcla compuesta por átomos de azufre y de hierro por separado, cuya masa es 11 g. Según la explicación de Dalton, al final de la reacción tenemos una nueva sustancia formada por la unión de átomos de azufre y de hierro (llamada sulfuro de hierro), que posee propiedades distintas de las que presentaban los dos reactivos por separado. Sin embargo, aunque combinados de diferente manera, los átomos no han cambiado y, en conjunto, siguen pesando lo mismo. Por eso, la masa total no cambia en una reacción química.
+ Masas atómicas Si tomamos como referencia la masa del átomo de hidrógeno, a la que asignaremos el valor 1 (unidad de masa atómica), la masa atómica del hierro es 56. En esa escala, la masa del átomo de azufre es 32.
hierro
Fe
+
azufre
sulfuro de hierro
S
FeS
Como ves, hemos explicado un hecho (la masa no cambia en una reacción química) con una teoría (las sustancias están formadas por átomos que pueden combinarse de distintas maneras). Desde el punto de vista atómico, en una reacción química los átomos de las sustancias reactivas se reorganizan de otra manera, dando lugar a nuevas sustancias que se denominan productos. Al no cambiar el número ni la clase de átomos, la masa no cambia en la reacción.
Te interesa saber Los átomos han dejado de ser un modelo para convertirse en algo real; nuevas técnicas, como la microscopia de efecto túnel, permiten obtener imágenes de superficies átomo a átomo.
En la reacción anterior observamos que los átomos de hierro y azufre se combinan en la proporción 1:1 (un átomo de hierro con un átomo de azufre). Como puedes ver en el margen, esta relación, traducida a masas, es de 56:32 (que, reducida, sería una relación de 7:4). En la reacción a escala macroscópica participan millones y millones de átomos, pero la relación 7:4 se sigue manteniendo constante. De ahí que 7 g de hierro reaccionen exactamente con 4 g de azufre. Como ves, el modelo de los átomos explica también la ley de las proporciones constantes.
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4.3. Aprendemos a «ajustar reacciones» Cuando escribimos una reacción química, representamos los reactivos y los productos mediante sus símbolos o fórmulas. Así, la reacción de oxidación del hierro que figura en la actividad 4 se expresa de la siguiente manera: Fe O2
humedad
FeO
Esta reacción indica que el hierro reacciona con el oxígeno atmosférico (como recordarás, el oxígeno que respiramos está compuesto, en realidad, por moléculas de O2 formadas por dos átomos de O unidos). El resultado de esta reacción es la formación de un nuevo producto, que es un tipo de óxido de hierro (antiguamente denominado óxido ferroso). Esta reacción, como se indica en la flecha, se ve favorecida en condiciones de humedad. Sin embargo, la reacción así representada no cumple la ley de conservación de la masa. En los reactivos hay dos átomos de oxígeno, mientras que en el producto solo aparece uno. ¿Se ha perdido un átomo de O en la reacción? En las reacciones no se «pierden» ni se «ganan» átomos. Debe aparecer el mismo número de átomos de cada clase en los reactivos y en los productos. Esta es la condición de conservación de la masa. Sin embargo, no podemos cambiar a voluntad las fórmulas de las sustancias para igualar el número de átomos. Entonces… ¿cómo se resuelve el problema sin modificar las fórmulas? Observa la misma reacción escrita de la siguiente manera: 2 Fe O2
humedad
2 FeO
La entenderás mejor si la dibujamos:
+ hierro
2 Fe
Actividades 8 Ajusta las siguientes reacciones: a) H2 Cl2 HCl b) H2 O2 H2O c) CaO CO2 CaCO3 d) N2 H2 NH3 e) HCl Zn ZnCl2 H2
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UNIDAD
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+
oxígeno
óxido de hierro
O2
2 FeO
Es decir, se necesitan dos átomos de hierro para reaccionar con una molécula de oxígeno y formar 2 agregados de FeO. ¡Ahora sí se cumple la ley de conservación de la masa! Observa que hay el mismo número de átomos de cada clase a la izquierda y a la derecha y que no se han alterado las fórmulas. Este proceso se denomina ajustar una reacción química y consiste en anteponer los números enteros necesarios delante de los símbolos o fórmulas de las sustancias que intervienen en la reacción, de modo que se cumpla a escala atómica la ley de conservación de la masa.
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5 Te interesa saber En la actualidad no se usa el átomo de hidrógeno como patrón de la escala de masas atómicas, sino el átomo de carbono, al que se asigna el valor 12. No obstante, en el texto usaremos el hidrógeno como patrón para facilitar la comprensión del concepto de masa atómica.
La unidad de masa atómica en kilogramos Para que te hagas una idea del tipo de «masas» que estamos citando, conviene que sepas que 1 unidad de masa atómica equivale a 1,66 10 27 kg. ¿Cuál sería la masa, en kg, del átomo de carbono que se utiliza como referencia en la escala?
Balances de masa en las reacciones químicas
Imagina que ahora deseamos saber cuánta materia prima (reactivos) necesitaremos para obtener cierta cantidad de producto, o bien, en otros casos, cuánto producto podemos obtener si partimos de ciertas cantidades de reactivos. El conocimiento de la reacción que tendrá lugar, correctamente ajustada, nos permitirá efectuar este tipo de cálculos sin ninguna dificultad. Pero antes, debemos aprender los conceptos de masa atómica y masa molecular.
Masa atómica Los átomos de distintas sustancias tienen masas y tamaños diferentes. Los científicos han establecido comparaciones entre las masas y los tamaños de los átomos hoy conocidos. Gracias a eso, sabemos que el átomo de hidrógeno es el más pequeño y el de menor masa de todos. La escala de masas atómicas asigna masas a los átomos por comparación con la masa del átomo de carbono, al que se asigna el valor 12. La unidad de masa a escala atómica se denomina unidad de masa atómica y se simboliza por u.
Usando esta escala, es posible asignar valores aproximados de masas atómicas a algunos elementos: Elemento
Símbolo
Masa atómica (u)
Hidrógeno
H
1
Carbono
C
12
Nitrógeno
N
14
Oxígeno
O
16
Calcio
Ca
40
Hierro
Fe
56
Azufre
S
32
Cobre
Cu
63,5
Masas moleculares
Actividades 9 Consulta el cuadro que aparece en el texto y determina, con los datos de la tabla, las masas moleculares de las siguientes sustancias: f ) H2O a) CaCO3 b) CaO g) Cu2O c) FeO h) CO2 d) O2 i ) FeS j ) NO2 e) N2
Una molécula es una agrupación de átomos de la misma o distinta clase. Como ya sabes, el número de átomos de cada clase viene especificado en la fórmula de la sustancia. Así, la fórmula O2 indica que esta molécula está formada por dos átomos de oxígeno; igualmente, la fórmula Fe2O3 significa que en dicho compuesto hay dos átomos de hierro por cada tres de oxígeno. La masa molecular se determina sumando las masas atómicas de todos los átomos que intervienen en la fórmula de la sustancia.
Así, la masa molecular del Fe2O3 será, usando los datos del cuadro: masa molecular Fe2O3 56 2 16 3 160 u
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Cálculos con reacciones químicas Una reacción ajustada indica las proporciones en las que participan las diversas sustancias. Teniendo en cuenta las masas atómicas o moleculares de las sustancias, podemos establecer qué cantidad (en masa) de cada sustancia interviene en la reacción. Consideremos el ejemplo de la reacción que ajustamos anteriormente: 2 Fe O2
Te interesa saber La relación obtenida en el ejemplo de la oxidación del hierro puede simplificarse dividiendo todas las cantidades entre 16 (máximo común divisor) para conseguir una relación más sencilla: 7 g de Fe reaccionan con 2 g de oxígeno atmosférico para producir 9 g de FeO.
humedad
2 FeO
Teniendo en cuenta los datos del cuadro de la página 103, podemos comprobar que la masa atómica del hierro es 56, y la masa molecular del O2 es 16 · 2 32, mientras que la masa correspondiente al FeO es 56 16 72. Al observar la reacción ajustada, vemos que la relación de masas que intervienen en la reacción es: 2 masa Fe masa O2
humedad
2 masa FeO
Es decir: humedad
2 56 32 2 72 La misma relación de masas atómicas o moleculares se cumple tanto en unidades de masa atómica como en gramos o kilogramos. Por consiguiente, se puede afirmar que 112 g de hierro reaccionan con 32 g de oxígeno atmosférico para producir 144 gramos de FeO. Observa que se cumple la ley de conservación de la masa, puesto que 112 32 144.
Procedimiento de cálculo con reacciones químicas 1. Ajusta la reacción química. 2. Determina las masas atómicas o moleculares de las sustancias que intervienen. 3. Multiplica dichas masas por los correspondientes números enteros que has escrito antes para ajustar la reacción. 4. Los valores obtenidos, expresados en cualquier unidad de masa, indican las cantidades de reactivo y de producto que intervienen en la reacción.
Un cálculo «industrial» Una fábrica produce cal viva (óxido de calcio) (CaO) a partir de la descomposición térmica de la calcita (carbonato de calcio) (CaCO3). El proceso produce también emisión de dióxido de carbono (CO2) a la atmósfera. La reacción que tiene lugar en este caso es: CaCO3
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UNIDAD
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calor
CaO CO2
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La cal viva La cal viva es una sustancia muy cáustica que produce graves quemaduras, por lo que debe manipularse con especial precaución. Al disolverla en agua, se obtiene lo que se denomina cal apagada, que es, en realidad, hidróxido de calcio y que, en las proporciones adecuadas para que alcance la consistencia del yeso, se emplea para encalar las casas, sobre todo en las zonas mediterráneas del levante y del sur peninsular.
Deseamos saber cuánta cal viva podremos fabricar a partir de 1 tonelada de calcita (1 000 kg de CaCO3). Para ello, deberemos seguir el procedimiento para el cálculo con reacciones químicas que se indica en el recuadro de la página anterior: Comprobamos que la reacción está ajustada sin necesidad de anteponer ningún número entero. Determinamos las masas moleculares de las sustancias que intervienen con los datos del cuadro: masa molecular CaCO3 40 12 16 3 100 masa molecular CaO 40 16 56 masa molecular CO2 12 16 2 44 Como ya está ajustada, si empleamos como unidad de masa el kilogramo, la reacción indica que: De cada 100 kg de calcita que se descomponen, se obtienen 56 kg de cal viva y se emiten a la atmósfera (puesto que es un gas) 44 kg de dióxido de carbono. Operando con una sencilla proporcionalidad («regla de tres»), podemos averiguar la cantidad de cal viva que obtendremos a partir de 1 000 kg de calcita: si 100 kg de calcita producen 56 kg de cal viva, entonces 1 000 kg de calcita producirán x kg de cal viva. Es decir: 100 kg calcita 100 kg calcita x 560 kg de cal viva 56 kg cal x
Te interesa saber El contenido energético de los alimentos es una medida de la energía que se libera (y que se aporta, por tanto, al organismo) en la reacción de oxidación que sufren en los procesos metabólicos. Los hidratos de carbono son los alimentos que aportan más energía al organismo.
Actividades 0 Calcula qué cantidades de cinc (Zn) y de ácido clorhídrico (HCl) se necesita para obtener 400 g de cloruro de cinc (ZnCl2) según la reacción: HCl Zn ZnCl2 H2 ¿Cuánto hidrógeno (H2) se produce? (Datos: masa atómica del Zn 65,3; masa atómica del Cl 35,5.)
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La energía en las reacciones químicas
En todos los procesos de la naturaleza, la energía se conserva en su totalidad. En las reacciones químicas también se cumple este principio. En general, cuando se forma una sustancia estable (que perdura en el tiempo) a partir de sus elementos, se libera energía, normalmente en forma de energía térmica. Por el contrario, para destruir una sustancia estable, se necesitará aportar o suministrar energía (a menudo también térmica). Como en una reacción química se destruyen unas sustancias (los reactivos) y se forman otras nuevas (los productos), se producirá un doble proceso energético: el aporte y la liberación de cierta cantidad de energía. El resultado final dependerá del balance entre esas dos cantidades. Según sea ese balance, las reacciones se clasifican en endotérmicas y exotérmicas. Una reacción es endotérmica cuando se precisa aportar energía térmica para que se produzca. Una reacción es exotérmica cuando libera o desprende energía térmica mientras se produce.
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Aprende a…
Reconocer algunas reacciones cotidianas Enciendo una cerilla... El proceso por el que una cerilla se enciende es un ejemplo de reacción química. Una mezcla de un compuesto denominado clorato de potasio (KClO3) con fósforo rojo (P) tiene la virtud de inflamarse con explosión cuando se somete a fricción o a presión. La reacción explosiva que se produce es la siguiente: 5 KClO3 6 P
fricción
5 KCl 3 P2O5
Esta es la reacción que sirve de base para el diseño de ese utensilio de encendido rápido que tan útil resulta para numerosos menesteres.
El frotamiento proporciona la energía para provocar la reacción de combustión de la cabeza de la cerilla.
La cabeza de la cerilla, que actúa como combustible, suele contener una mezcla de clorato de potasio (KClO3) y azufre (S), mientras que la lija que aparece a menudo en el costado de la caja está formada por una mezcla de fósforo rojo y vidrio finamente pulverizado, que confiere la rugosidad necesaria para aumentar la fricción. De este modo, el acto cotidiano de encender una cerilla se convierte en el acto de iniciar una reacción química mediante la fricción entre los dos reactivos.
reactivos
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fricción
producto
... para encender a continuación el gas de la cocina En las cocinas domésticas, los gases más habituales son el gas natural (fundamentalmente metano [CH4]), el gas propano (C3H8) y el gas butano (C4H10). Al acercar la cerilla, se produce la inflamación del gas, que inicia un proceso de combustión. La combustión de los gases citados requiere (como toda combustión) la presencia de oxígeno, y los únicos productos de la reacción de combustión son dióxido de carbono (CO2) y agua en forma de vapor (H2O). Las reacciones que se producen en cada caso son las siguientes: Gas natural (metano): CH4 2 O2 CO2 2 H2O Gas propano: C3H8 5 O2 3 CO2 4 H2O Gas butano: 2 C4H10 13 O2 8 CO2 10 H2O Observa que cuanto mayor es el contenido de carbono del gas combustible, mayor es la cantidad de CO2 que se produce. Dado que el dióxido de carbono es un gas que genera el efecto invernadero, con sus consiguientes riesgos ambientales, se hace necesario reconvertir el uso de combustibles hacia gases de bajo contenido en carbono. Esa es una de las razones por las que se fomenta el uso del gas natural que, como se ha dicho, es fundamentalmente metano.
Cuando el butano o el gas natural arden se produce una reacción de combustión.
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Reconocer el dióxido de carbono U
na forma sencilla de reconocer si un gas desprendido como consecuencia de una reacción es dióxido de carbono (CO2) consiste en hacer pasar dicho gas a través de agua de cal. Si la disolución se enturbia y se observa la aparición de pequeñas cantidades de precipitado blanco, se trata de dióxido de carbono. Veamos cómo podemos proceder. Material necesario: agua, hidróxido de calcio, pastilla de Alka-Seltzer, erlenmeyer con tapón agujereado, tubo de vidrio, tubo de goma y vaso de precipitado. Elaboración del «detector»: el agua de cal. En un vaso de precipitado con agua destilada fría, añade una punta de espátula de hidróxido de calcio y remueve la disolución. Si queda precipitado, trasvasa la parte disuelta a otro vaso. Ahora ya tienes el agua de cal. El hidróxido de calcio Ca(OH)2 presente en el agua de cal reacciona con el dióxido de carbono y produce carbonato de calcio (CaCO3), que, tras enturbiar la disolución, precipita en forma de sedimento blanquecino. La reacción que tiene lugar es la siguiente: Ca(OH)2 CO2 CaCO3 H2O
Reconocimiento de las calizas 3. Deposita unos trozos de mármol u otra muestra caliza en el fondo del erlenmeyer. 4. Pide a tu profesor o profesora que añada un poco de ácido clorhídrico (HCl) sobre las muestras y tapa el frasco. Comprobarás que se produce efervescencia. Haz pasar el gas generado por agua de cal y procede a reconocerlo.
Procedimiento 1. Vierte un poco de agua en el erlenmeyer y añade una pastilla de Alka-Seltzer; tapa el erlenmeyer con rapidez, de modo que los gases que se desprendan salgan por el tubo de goma y se introduzcan en la disolución de agua de cal. Basta un poco de burbujeo para reconocer la turbidez de la disolución y la formación del precipitado blanquecino.
En este caso, al añadir ácido clorhídrico a la muestra caliza —nombre común del carbonato de calcio (por ejemplo, mármol)—, se desprende dióxido de carbono según la reacción: CaCO3 2 HCl CaCl2 CO2 H2O (comprueba si está ajustada) Ese dióxido de carbono es el que produce la efervescencia que se observa al agregar el ácido clorhídrico. Bebidas gaseosas o carbonatadas
2. Exhala aire a través de un tubo de goma cuyo extremo opuesto esté sumergido en agua de cal. ¿Qué observas? ¿Qué gas exhalamos en nuestra respiración?
5. Añade al erlenmeyer de reconocimiento cualquier bebida con gas y procede a calentarla ligeramente mientras agitas el recipiente con suavidad. 6. Usando el procedimiento descrito en los experimentos anteriores, haz pasar el gas que se desprende a través del agua de cal y comprobarás que, en realidad, las bebidas gaseosas llevan dióxido de carbono disuelto a gran presión. Por eso, cuando abres la botella y disminuye la presión, parte de ese gas se escapa, originando el burbujeo y, a veces, la salida de parte de la bebida.
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➜ Una transformación es física cuando la composición química de la sustancia no se altera.
➜ Una transformación es química cuando cambia la composición química de las sustancias iniciales.
➜ La masa total no cambia durante las reacciones. Esto
significa que se obtendrá la misma cantidad de productos que de reactivos que se hayan mezclado.
➜ Desde el punto de vista atómico, una reacción química
consiste en una reorganización distinta de los átomos que forman las sustancias reactivas. Dado que los átomos finales son los mismos que había al principio, la masa no cambia durante la reacción.
➜ Las transformaciones químicas se denominan reacciones químicas.
➜ Las sustancias iniciales que se mezclan para que reaccionen entre sí se llaman reactivos.
➜ Las sustancias nuevas que se obtienen como resultado
➜ Ajustar una reacción consiste en igualar el número
de átomos que hay en los reactivos al número de átomos presentes en los productos sin alterar las fórmulas de las sustancias.
de una reacción reciben el nombre de productos.
➜ Los cambios de coloración, la aparición de sedimentos,
el desprendimiento de gases, la absorción o liberación de calor u otros cambios, como variaciones de transparencia, etc., suelen ser los indicios más frecuentes de que ha tenido lugar una reacción química.
➜ Las reacciones químicas pueden ser endotérmicas si
necesitan el aporte de energía térmica para producirse o exotérmicas si liberan o desprenden energía térmica mientras tienen lugar. Fe
LAS TRANSFERENCIAS DE ENERGÍA
S P
producen
O
TRANSFORMACIONES EN LA MATERIA que pueden ser
FÍSICAS
no producen
como
Cambios de forma Cambios de volumen Cambios de temperatura
CAMBIOS EN LA NATURALEZA DE LAS SUSTANCIAS
QUÍMICAS
sí producen
llamadas
sujetos a leyes de
Conservación de la masa
Proporciones constantes
REACCIONES QUÍMICAS pueden ser
EXOTÉRMICAS
ENDOTÉRMICAS
si transfieren al medio
si absorben del medio
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Actividades 1. Define transformación física y transformación química y pon dos ejemplos de cada una de ellas.
2. Si mezclas azufre y hierro en polvo y sometes la mezcla a calentamiento, ¿cómo sabes si se ha producido una reacción química?
3. Explica con palabras el significado de las siguientes reacciones químicas: a) C6H12O6
calor
2 C2H6O 2 CO2
b) CaO CO2 CaCO3 c) Cu2CH2O5
calor
2 CuO H2O CO2
Significado de las fórmulas: C6H12O6 azúcar. C2H6O etanol o alcohol etílico. CaO cal viva u óxido de calcio. CaCO3 calcita o carbonato de calcio. Cu2CH2O5 malaquita (mineral). CuO óxido de cobre (cúprico).
4. ¿Cuál de las reacciones anteriores explicaría el proceso de fermentación de la uva que da origen al vino? ¿En qué basas tu respuesta?
10. Dibuja con el modelo de esferas, las reacciones a), b), d), e) y f) de la actividad anterior.
11. Enuncia las leyes que se cumplen en las reacciones químicas.
12. Cuando se calienta fuertemente durante un rato un metal al aire libre, puede comprobarse que su masa ha aumentado. Explica este fenómeno.
13. Al descomponer 433 g de óxido de mercurio (HgO), se obtienen 402 g de mercurio puro (Hg). ¿Qué gas se desprende en la reacción y en qué cantidad? Escribe la reacción que tiene lugar y ajústala.
14. Completa, ajustando, las siguientes reacciones: a) b) c) d) e) f)
Zn … ZnO … O2 SO3 H2O … … HgO Hg … HCl NaOH NaCl … … O2 CO
15. ¿Qué cantidades de sodio (Na) y cloro gaseoso
5. La descomposición térmica del óxido de mercu-
(Cl2) hay que hacer reaccionar para obtener 500 g de sal común (NaC)l? (Datos: masa atómica del Na 23; masa átomica del Cl 35,5.)
rio (HgO) origina mercurio (Hg) y oxígeno (O2). Escribe la reacción que tiene lugar y ajústala.
16. ¿Qué cantidad de calcita (CaCO3) puede obtenerse
6. El sodio (Na) se combina con el cloro gaseoso (Cl2) produciendo sal común (NaCl) o cloruro de sodio. Escribe la reacción química correspondiente y ajústala.
7. Usando el modelo de esferas de la página 101, dibuja las reacciones de las actividades 5 y 6.
8. El óxido de plata (Ag2O) puede descomponerse por efecto del calor, originando plata (Ag) y oxígeno (O2). Escribe la reacción correspondiente y ajústala.
9. Copia en tu cuaderno y ajusta las reacciones que se muestran a continuación: a) Mg O2 MgO b) Mg CuCl2 MgCl2 Cu c) H2SO4 Na Na2SO4 H2 d) P O2 P2O3 e) P O2 P2O5 f ) Fe Cl2 FeCl3
a partir de 150 kg de cal viva (CaO) que reacciona con dióxido de carbono? ¿Qué cantidad de dióxido de carbono se necesita para que se produzca la reacción?
17. Al sumergir una moneda de 10 céntimos de euro en ácido nítrico (HNO3) diluido, se produce una reacción y se observa que el vaso se calienta. ¿De qué tipo de reacción se trata desde el punto de vista energético?
18. ¿Cómo clasificarías la reacción de combustión de la madera, en endotérmica o en exotérmica? Razona tu respuesta.
19. ¿Qué significa ajustar una reacción? 20. La descomposición de 180 g de azúcar produce 92 g de etanol o alcohol etílico. ¿Cuánto etanol se obtendrá a partir de 60 g de azúcar?
21. Busca información acerca de la obtención de vinagre a partir de vino y di qué tipo de proceso tiene lugar.
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