Reacciones químicas

Un cambio físico 物理变化 no produce una nueva sustancia. La sustancia solo cambia su estado o forma, y el cambio generalmente puede revertirse. El derretimiento del hielo y la disolución del azúcar son cambios físicos.

Un cambio químico 化学变化 (una reacción química) produce una o más nuevas sustancias y generalmente es difícil de revertir. Los signos de un cambio químico incluyen un cambio de color, la liberación de un gas, un cambio de energía o la formación de un precipitado 沉淀 (un sólido).

La velocidad de reacción 反应速率 te indica qué tan rápido los reactivos 反应物 cambian a productos 生成物.

Teoría de colisiones

La teoría de colisiones 碰撞理论 explica qué controla la velocidad. Para que ocurra una reacción, las partículas 粒子 deben colisionar 碰撞, y deben colisionar con suficiente energía. La menor cantidad de energía que necesitan es la energía de activación 活化能 ($E_a$). Una velocidad más rápida ocurre cuando las partículas tienen colisiones exitosas con mayor frecuencia.

Lo que cambia la velocidad

Catalizadores

Un catalizador acelera una reacción pero no se consume; permanece sin cambios al final. Funciona disminuyendo la energía de activación. Las enzimas 酶 son catalizadores biológicos (catalizadores que funcionan en organismos vivos).

Medición de la velocidad

Puedes seguir una reacción a lo largo del tiempo de estas formas:

• Cambio en la masa: coloca el matraz sobre una balanza. Si un gas escapa, la masa disminuye. Registra la masa en intervalos regulares de tiempo.
• Volumen de gas: recolecta el gas en una jeringa de gas 注射器 y lee su volumen en intervalos regulares de tiempo.
• Formación de un precipitado: en una reacción que se vuelve turbia, cronometra cuánto tarda en desaparecer una marca debajo del matraz.

En una gráfica de producto contra tiempo, la línea es más empinada al inicio (velocidad más rápida), se vuelve menos empinada a medida que se consumen los reactivos, y se aplana cuando termina la reacción.

Algunas reacciones son reversibles 可逆反应: los productos pueden reaccionar para formar nuevamente los reactivos. Esto se representa con el símbolo $\rightleftharpoons$.

Cambio de dirección

Un ejemplo claro utiliza compuestos hidratados 水合 y anhidros 无水:

• El sulfato de cobre(II) hidratado azul, al calentarse, pierde su agua para convertirse en sulfato de cobre(II) anhidro blanco. Añadir agua lo vuelve azul nuevamente.
• El cloruro de cobalto(II) hidratado rosa pierde agua al calentarse para convertirse en cloruro de cobalto(II) anhidro azul. Añadir agua lo vuelve rosa nuevamente.

Añadir agua al sólido anhidro (y ver que regresa el color) se usa como prueba para detectar agua.

Equilibrio

En un sistema cerrado 密闭系统 (donde nada entra ni sale), una reacción reversible alcanza el equilibrio 平衡 cuando:

• la velocidad de la reacción directa 正反应 es igual a la velocidad de la reacción inversa 逆反应, y
• las concentraciones de los reactivos y los productos ya no cambian.

Cambio en la posición del equilibrio

La posición del equilibrio 平衡位置 te indica si hay más reactivos o más productos. Puedes moverla:

• Temperatura: calentar desplaza el equilibrio en la dirección que absorbe calor (dirección endotérmica 吸热反应); enfriar la desplaza en la dirección que libera calor (dirección exotérmica 放热反应).
• Presión (gases): mayor presión desplaza el equilibrio hacia el lado con menos moléculas de gas.
• Concentración: añadir más de una sustancia desplaza el equilibrio hacia el otro lado para consumirla.
• Un catalizador no desplaza la posición del equilibrio. Solo ayuda a que la reacción alcance el equilibrio más rápido.

Proceso Haber

El proceso Haber 哈伯法 produce amoníaco:

• El hidrógeno 氢气 proviene del metano 甲烷 (gas natural); el nitrógeno 氮气 proviene del aire.
• Condiciones típicas: una temperatura de $450\,{}^{\circ}\text{C}$, una presión de aproximadamente $200$ atm ($20\,000$ kPa) y un catalizador de hierro 铁.

Proceso Contact

El proceso Contact 接触法 convierte dióxido de azufre en trióxido de azufre:

• El dióxido de azufre proviene de la combustión del azufre 硫 (o el tostado de minerales sulfurados); el oxígeno 氧气 proviene del aire.
• Condiciones típicas: una temperatura de $450\,{}^{\circ}\text{C}$, una presión de aproximadamente $2$ atm ($200$ kPa) y un catalizador de óxido de vanadio(V) 五氧化二钒.

Por qué se eligen estas condiciones

Las condiciones son un compromiso 折中:

• Una presión más alta produciría más producto, pero una presión muy alta es peligrosa y costosa, por lo que se usa una presión media.
• Una temperatura más baja produciría más producto (ambas reacciones directas son exotérmicas), pero la reacción sería demasiado lenta, por lo que se usa una temperatura relativamente alta para mantener una buena velocidad.
• El catalizador acelera la reacción sin cambiar la posición del equilibrio, lo que reduce costos.

La oxidación 氧化 y la reducción 还原 siempre ocurren al mismo tiempo, en lo que se llama reacción redox 氧化还原反应. ('Redox' es abreviatura de reducción–oxidación).

Hay tres formas de describir la oxidación y la reducción:

• Oxígeno: la oxidación es la ganancia de oxígeno; la reducción es la pérdida de oxígeno.
• Electrones 电子: la oxidación es la pérdida de electrones; la reducción es la ganancia de electrones.
• Número de oxidación 氧化数: en la oxidación el número de oxidación sube; en la reducción baja.

Un útil recordatorio es OIL RIG: Oxidation Is Loss, Reduction Is Gain — de electrones.

Reglas del número de oxidación

El número de oxidación se indica con un numeral romano, como en hierro(II) y hierro(III). Las reglas son:

• Un elemento que no está combinado tiene un número de oxidación de $0$.
• Un ion de un solo átomo tiene un número de oxidación igual a su carga (por ejemplo, $\text{Na}^{+}$ es $+1$).
• Los números de oxidación en un compuesto suman $0$.
• Los números de oxidación en un ion suman la carga del ion.

Ejemplo resuelto. Encuentra el número de oxidación del manganeso en el ion manganato(VII), $\text{MnO}_4^{-}$. Cada oxígeno es $-2$, y hay cuatro de ellos, dando $4 \times (-2) = -8$. Los números de oxidación en un ion deben sumar la carga del ion, que aquí es $-1$. Entonces, si el manganeso es $x$, entonces $x + (-8) = -1$, lo que da $x = +7$ — exactamente lo que el (VII) en el nombre te indica. Establece el total en la carga del ion, no en cero: cero es solo para un compuesto neutro.

Agentes oxidantes y reductores

• Un agente oxidante 氧化剂 oxida a otra sustancia, y es él mismo reducido.
• Un agente reductor 还原剂 reduce a otra sustancia, y es él mismo oxidado.

Algunas reacciones redox muestran cambios de color claros:

• El manganato de potasio(VII) acidificado 高锰酸钾 es púrpura. Cuando actúa como agente oxidante es reducido, y el color púrpura se desvanece hasta volverse incoloro.
• El yoduro de potasio 碘化钾 es incoloro. Cuando se oxida, se forma yodo 碘 rojo-marrón.

• Explica una velocidad más rápida con la teoría de colisiones: las colisiones exitosas ocurren con mayor frecuencia. La concentración, la presión y el área superficial aumentan la frecuencia con la que colisionan las partículas; una temperatura más alta hace eso y además da a más partículas suficiente energía.
• Un catalizador disminuye la energía de activación y acelera la reacción, pero no se consume y no cambia $\Delta H$ ni la posición del equilibrio.
• En el equilibrio, las velocidades directa e inversa son iguales y las concentraciones dejan de cambiar — esto no significa que las cantidades de reactivo y producto sean iguales.
• Usa el principio de Le Chatelier: aumentar la temperatura favorece la dirección endotérmica; aumentar la presión favorece el lado con menos moléculas de gas; añadir una sustancia desplaza el equilibrio alejándolo de ella.
• Redox — OIL RIG: Oxidation Is Loss, Reduction Is Gain of electrons. Siempre ocurren juntas, y un agente oxidante es él mismo reducido.