Tema 1 3er. Trimestre.Identificación de cambios químicos y el lenguaje de la química • Manifestaciones y representación de reacciones químicas (ecuación química).

 Identificación de cambios químicos y el lenguaje de la química• Manifestaciones y representación de reacciones químicas (ecuación química).

Aprendizajes Esperados: • Describe algunas manifestaciones de cambios químicos sencillos (efervescencia, emisión de luz o calor, precipitación, cambio de color).

• Identifica las propiedades de los reactivos y los productos en una reacción química.

• Representa el cambio químico mediante una ecuación e interpreta la información que contiene.

• Verifica la correcta expresión de ecuaciones químicas sencillas con base en la Ley de conservación de la masa.

• Identifica que en una reacción química se absorbe o se desprende energía en forma de calor.

Un cambio implica una alteración, modificación o transformación. Químico, por su parte, es aquello vinculado a las propiedades y la estructura de una sustancia según su composición.

Se llama cambio químico al proceso que lleva a una o más sustancias (denominadas reactivos) a modificar su estructura y los enlaces de sus moléculas, convirtiéndose en otras sustancias que reciben el nombre de productos. Estos cambios se pueden representar de manera simbólica mediante ecuaciones químicas.

Cambios químicos: Son aquellos en los que unas sustancias se transforman en otras sustancias diferentes, con naturaleza y propiedades distintas. Por ejemplo, se producen cambios químicos cuando una sustancia arde, se oxida o se descompone.

Cambios físicos: Son todos aquellos en los que ninguna sustancia se transforma en otra diferente.
Por ejemplo se producen cambios físicos cuando una sustancia se mueve, se le aplica una fuerza o se deforma.

Tipos de cambios químicos

A grandes rasgos, podemos decir que existen dos tipos de cambios químicos: los inorgánicos y los orgánicos. Con respecto a la química orgánica, hay dos modelos en los cuales se dividen los cambios, según afecten los estados de oxidación: las reacciones redox sí los afectan, mientras que las de neutralización, no.

Otra clasificación posible para los cambios de estado tiene en cuenta el tipo de estructura, y de allí surgen los siguientes:

* de síntesis: también se denomina de combinación ya que en él se combinan los reactivos entre sí para dar lugar al origen de un nuevo producto;

* de descomposición simple: cuando se produce el desdoblamiento de una sustancia en sus componentes;

* de descomposición por medio de un reactivo: para que tenga lugar la descomposición de una sustancia, es necesario el uso de un reactivo;

* de sustitución: algún componente de los reactivos es sustituido por una sustancia, de forma tal que el primero quede en libertad. Este tipo de cambio químico también se denomina de desplazamiento;

* de doble sustitución: también se llama de doble desplazamiento, y tiene lugar cuando los elementos o los grupos de elementos que participan en el cambio químico se intercambian.

De acuerdo con el tipo de energía que se intercambia:

* en forma de calor: en este grupo entran las reacciones exotérmicas, cuando el sistema de reacción desprende calor, y las endotérmicas, el calor es necesario para que tenga lugar el cambio químico;

* en forma de luz: las reacciones endoluminosas necesitan luz del exterior mientras que las exoluminosas la emiten;

* en forma de electricidad: las reacciones endoeléctricas exigen el aporte de electricidad, pero las exoeléctricas la producen.

Por último se encuentra la clasificación de acuerdo con la clase de partículas que se intercambian, que pueden ser protones (en las reacciones ácido-base) o electrones (en las oxidación-reducción).

En la química orgánica tenemos cambios químicos en los que intervienen compuestos tales como alcoholes, cetonas, aldehídos, alcanos y alquinos, entre otros, los cuales hallan en el grupo funcional que poseen su clasificación, sus propiedades químicas y su reactividad. Un grupo funcional es uno o más átomos que se encuentran unidos a una cadena carbonada.

 

Compuesto químico

Un compuesto químico es cualquier sustancia formada por la unión de dos o más tipos de elementos químicos, o sea, por átomos de dos o más tipos diferentes de elementos químicos, unidos entre sí por enlaces químicos de alguna clase.

Un compuesto químico no puede ser separado en los elementos que lo constituyen mediante métodos físicos (destilación, decantación , etc). La única forma de separar un compuesto químico en sus elementos constitutivos es mediante reacciones químicas.

El nivel de complejidad de un compuesto químico puede ser muy sencillo o muy complejo, esto depende de la cantidad de átomos que lo formen y la manera en que se combinen. Existen compuestos formados por unos pocos átomos y compuestos formados por cientos de átomos enlazados y ocupando posiciones muy específicas en el compuesto.

Por ejemplo, son compuestos químicos sustancias binarias como el dióxido de carbono (CO₂) o el agua (H₂O). También lo son otras más complejas como el ácido sulfúrico (H₂SO₄) o la glucosa (C₆H₁₂O₆), o incluso macromoléculas inexpresables en una fórmula química simple, como una molécula de ADN humano.

Elementos químicos y compuestos químicos

Los elementos químicos son los diferentes tipos de átomos que componen la materia, y que se distinguen entre sí según la configuración particular de sus partículas subatómicas (protones, neutrones y electrones).

Los elementos químicos se pueden agrupar de acuerdo a sus propiedades químicas, o sea, a las fuerzas a las que responden con mayor o menor facilidad, al comportamiento que exhiben en determinadas reacciones, o a otros rasgos propios estructurales. Están representados, clasificados y organizados en la Tabla Periódica de los elementos.

Los compuestos químicos son combinaciones de elementos químicos de distinta complejidad. Los elementos químicos son las piezas mínimas de la materia, que no pueden ser descompuestas en piezas menores por métodos físicos (es necesario recurrir a los métodos químicos para esto).

Un ejemplo de compuesto químico es el agua. Este compuesto está formado por hidrógeno y oxígeno. Si se logra descomponer la molécula de agua, el oxígeno y el hidrógeno puro existen en sus formas moleculares en estado gaseoso O₂ y H₂.

Ecuación química

Una ecuación química es la forma de describir lo que ocurre en una reacción química.

La ecuación química sirve para representar lo que pasa cuando unos materiales se transforman en otros a través de una reacción química.

La información que contiene la ecuación química nos permite determinar cuáles son los compuestos o átomos iniciales (también llamados reactantes) y lo que se obtiene después de la reacción (es decir, el producto). Por ejemplo, la siguiente ecuación química se lee el zinc (Zn) más azufre (S) forman sulfuro de zinc  (ZnS).

 

Para escribir una ecuación química tenemos que conocer los símbolos de los elementos químicos y la fórmula química de los compuestos.

Además, la ecuación química tiene que cumplir con una importante ley de la química: la ley de la conservación de la materia. Esta ley dice que la materia no se crea ni se destruye, sino que se transforma.

Por eso la ecuación química debe estar balanceada, es decir, la cantidad de átomos de un lado de la flecha debe ser igual a la cantidad de átomos del otro lado de la flecha. A esto se le llama balanceo de las ecuaciones químicas.

Partes de una ecuación química

La ecuación química presenta los siguientes componentes esenciales:

• Reactantes: son los materiales iniciales antes de la reacción.
• Productos: son los materiales que resultan de la reacción química.
• Flecha "→": se coloca entre los reactantes y los productos y significa "produce"

¿Qué son las sustancias químicas?

Se entiende por sustancia química o especie química a un tipo de materia que es químicamente homogénea y definida, o sea, que posee una composición química fija.

Tienen la característica de que sus partículas no pueden separarse mediante ningún mecanismo físico. Sin embargo, pueden sufrir cambios físicos, químicos o físicoquímicos cuando se las somete a las condiciones o reacciones apropiadas.

Los cambios dependen de la naturaleza de la sustancia, y pueden consistir en cambios de estado de agregación (como enfriar agua líquida hasta obtener hielo sólido), o transformaciones en su composición química (como la reacción entre un ácido y un álcali). En el último caso se convierten en otra sustancia.

Tipos de sustancias químicas

Las sustancias químicas pueden ser de dos tipos:

• Sustancias simples. Están compuestas por un número determinado de moléculas de un mismo elemento químico. Por ejemplo: la molécula de oxígeno (O₂).
• Sustancias compuestas. Se componen de dos o más elementos químicos, que forman una estructura estable y fija. Usualmente se los conoce como “compuestos químicos”. Por ejemplo: la molécula de agua (H₂O).

Sustancias químicas peligrosas

Las sustancias químicas poseen propiedades particulares, dependiendo de su naturaleza y su composición. Esto a menudo puede representar un riesgo químico para la salud de los seres humanos, animales o plantas.

La gravedad de dicho daño dependerá de la naturaleza de la sustancia, de su concentración y del tiempo de exposición, así como de la vía de contacto. No es lo mismo, por ejemplo, quemarse la piel con un ácido, que ingerirlo y provocar graves daños al sistema digestivo.

A grandes rasgos, algunas de las sustancias químicas peligrosas pueden ser:

• Sustancias inflamables. Sustancias capaces de producir grandes cantidades de calor, es decir, que pueden desatar incendios, una vez que se encuentren con el reactivo adecuado o bajo ciertas condiciones de temperatura y presión. Por ejemplo: gas butano.
• Sustancias explosivas. Sustancias que, en presencia de ciertos elementos o frente a movimientos repentinos que ocasionen la pérdida momentánea de su estabilidad, reaccionan exotérmicamente, o sea, generan grandes y repentinas cantidades de calor y energía, y pueden quemar y/o violentar lo que se halle a su alrededor. Por ejemplo: nitroglicerina.
• Sustancias corrosivas. Sustancias de pH extremo (básico o ácido) que en contacto con la materia orgánica ocasionan reacciones exotérmicas focalizadas, y producen quemaduras químicas, o en casos extremos desintegran la materia orgánica que toquen. También pueden afectar la materia inorgánica. Por ejemplo: ácido sulfúrico.
• Sustancias tóxicas. Sustancias que reaccionan de manera nociva con las sustancias que componen el cuerpo humano, de los animales y las plantas, desencadenando reacciones que atentan contra la estabilidad de la vida, o sea, provocando envenenamiento. Dependiendo de la sustancia y la concentración, el nivel de daño puede ser focalizado o general, inmediato o paulatino, y puede contrarrestarse mediante un antídoto, o no. Por ejemplo: arsénico.
• Sustancias radiactivas. Sustancias cuyos átomos tienen núcleos inestables. Estas sustancias emiten radiación ionizante como partículas alfa y beta, rayos gamma o neutrones libres. La radiación ionizante altera la constitución química de las sustancias químicas que entran en contacto con ella. Las sustancias radiactivas son capaces de contaminar a los seres vivos y de causarles no solo quemaduras, sino mutaciones genéticas impredecibles, o incluso la muerte. Por ejemplo: uranio-235.
• Sustancias carcinógenas. Sustancias que una vez introducidas al organismo, desencadenan la reproducción desordenada de ciertas células, es decir, causan cáncer. Por ejemplo: benceno.
• Sustancias mutagénicas. Sustancias que alteran directamente el ADN de los seres vivos, desatando mutaciones impredecibles que pueden derivar en numerosas enfermedades, e incluso transmitirse a la descendencia. Por ejemplo: formaldehído.

¿Qué es una fórmula química?

Una fórmula química es una expresión gráfica de los elementos que componen un compuesto químico cualquiera. Las fórmulas expresan los números y las proporciones de sus átomos respectivos y, en muchos casos, también el tipo de enlaces químicos que los unen. A cada molécula y/o compuesto conocido le corresponde una fórmula química, así como un nombre a partir de ella de acuerdo a las reglas de la nomenclatura química.

Existen diversos tipos de fórmulas químicas, cada uno enfocado en cierto tipo de información, pero en líneas generales todas sirven para comprender la naturaleza química de las sustancias y para expresar lo que ocurre durante una reacción química determinada, en la que algunos elementos o compuestos se transforman en otros. Por esa razón, las fórmulas químicas responden a un sistema convencional de representación de los elementos y las moléculas, es decir, a un lenguaje técnico especializado.

Las fórmulas químicas utilizan los símbolos químicos de los elementos y proporciones lógicas entre ellos, expresados mediante símbolos matemáticos.

Símbolos químicos

Los símbolos químicos son las piezas mínimas que componen a una fórmula química cualquiera y representan a cada uno de los diversos elementos químicos conocidos por la humanidad, o sea, los distintos tipos de átomos de los que está compuesta la materia conocida.

A cada elemento químico le corresponde un símbolo químico particular (generalmente derivado de su nombre histórico en latín). Los elementos químicos son los diferentes tipos de átomos que componen la materia y que se distinguen entre sí según la configuración particular de sus partículas subatómicas (protones, neutrones y electrones).

Los elementos se pueden agrupar de acuerdo a sus propiedades químicas, o sea, a las fuerzas a las que responden con mayor o menor facilidad, al comportamiento que exhiben en determinadas reacciones, o a otros rasgos propios estructurales.

Un ejemplo que ilustra bien la definición de elemento químico es el siguiente: los isótopos  ¹²C, ¹³C y  ¹⁴C son algunos de los isótopos del elemento químico carbono (C).

Los elementos químicos están representados, clasificados y organizados en la Tabla Periódica de los elementos.

¿Qué es una reacción química?

Las reacciones químicas (también llamadas cambios químicos o fenómenos químicos) son procesos termodinámicos de transformación de la materia. En estas reacciones intervienen dos o más sustancias (reactivos o reactantes), que cambian significativamente en el proceso, y pueden consumir o liberar energía para generar dos o más sustancias llamadas productos.

Toda reacción química somete a la materia a una transformación química, alterando su estructura y composición molecular (a diferencia de los cambios físicos que sólo afectan su forma o estado de agregación). Los cambios químicos generalmente producen sustancias nuevas, distintas de las que teníamos al principio.

Las reacciones químicas pueden darse de manera espontánea en la naturaleza (sin que intervenga el ser humano), o también pueden ser generadas por el ser humano en un laboratorio bajo condiciones controladas.

Muchos de los materiales que empleamos a diario son obtenidos industrialmente a partir de sustancias más simples combinadas mediante una o diversas reacciones químicas.

¿Cómo se representa una reacción química?

Las reacciones químicas se representan mediante ecuaciones químicas, es decir, fórmulas en las que se describen los reactivos participantes y los productos obtenidos, a menudo indicando determinadas condiciones propias de la reacción, como la presencia de calor, catalizadores, luz etc.

La primera ecuación química de la historia fue redactada en 1615 por Jean Beguin, en uno de los primeros tratados sobre química, el Tyrocinium Chymicum. Hoy son de enseñanza común y gracias a ellas podemos visualizar con mayor facilidad lo que está ocurriendo en una reacción determinada.

La forma general de representar una ecuación química es:

Tipos y ejemplos de reacciones químicas

Las reacciones químicas pueden clasificarse según el tipo de reactivos que reaccionan. En base a esto, se pueden distinguir reacciones químicas inorgánicas y reacciones químicas orgánicas. Pero antes, es importante conocer algunos de los símbolos que se utilizan para representar dichas reacciones mediante ecuaciones químicas:

Reacciones inorgánicas. Involucran compuestos inorgánicos, y pueden ser  clasificadas de la siguiente forma:

• Según el tipo de transformación.
• Reacciones de síntesis o adición. Dos sustancias se combinan para dar como resultado una sustancia diferente. Por ejemplo:
  
  
  
  
  
• Reacciones de descomposición. Una sustancia se descompone en sus componentes simples, o una sustancia reacciona con otra y se descompone en otras sustancias que contienen los componentes de esta. Por ejemplo:
  
  
  
  
  
• Reacciones de desplazamiento o sustitución. Un compuesto o elemento ocupa el lugar de otro en un compuesto, sustituyéndolo y dejándolo libre. Por ejemplo:
  
  
  
  
  
• Reacciones de doble sustitución. Dos reactivos intercambian compuestos o elementos químicos simultáneamente. Por ejemplo:
  
  
  
  
  
• Según el tipo y la forma de la energía intercambiada.
• Reacciones endotérmicas. Se absorbe calor para que la reacción pueda ocurrir. Por ejemplo:
  
  
  
  
  
• Reacciones exotérmicas. Se desprende calor cuando la reacción ocurre. Por ejemplo:
  
  
  
  
  
• Reacciones endoluminosas. Se necesita luz para que ocurra la reacción. Por ejemplo: la fotosíntesis.
  
  
  
  
  
• Reacciones exoluminosas. Se desprende luz cuando ocurre la reacción. Por ejemplo:
  
  
  
  
  
• Reacciones endoeléctricas. Se necesita energía eléctrica para que la reacción ocurra. Por ejemplo:
  
  
  
  
  
• Reacciones exoeléctricas. Se desprende o se genera energía eléctrica cuando ocurre la reacción. Por ejemplo:
  
  
  
  
  
• Según la velocidad de reacción.
• Reacciones lentas. La cantidad de reactivos consumidos y la cantidad de productos formados en un tiempo determinado es muy poca. Por ejemplo: la oxidación del hierro. Es una reacción lenta, que vemos cotidianamente en los objetos de hierro que están oxidados. Si no fuese lenta esta reacción, no tendríamos estructuras de hierro muy antiguas en el mundo actual.
  
  
  
  
  
• Reacciones rápidas. La cantidad de reactivos consumidos y la cantidad de productos formados en un tiempo determinado es mucha. Por ejemplo: la reacción del sodio con el agua es una reacción que además de ocurrir rápidamente es muy peligrosa.
  
  
  
  
  
• Según el tipo de partícula involucrada.
• Reacciones ácido-base. Se transfieren protones (H⁺). Por ejemplo:
  
  
  
  
  
• Reacciones de oxidación-reducción. Se transfieren electrones. En este tipo de reacción debemos fijarnos en el número de oxidación de los elementos involucrados. Si el número de oxidación de un elemento aumenta, este se oxida, si disminuye, este se reduce. Por ejemplo: en esta reacción se oxida el hierro y se reduce el cobalto.
  
  
  
  
  
• Según el sentido de la reacción.
• Reacciones reversibles. Se dan en ambos sentidos, es decir, los productos pueden volver a convertirse en los reactivos. Por ejemplo:
  
  
  
  
  
• Reacciones irreversibles. Se dan en un solo sentido, es decir, los reactivos se transforman en productos y no puede ocurrir el proceso contrario. Por ejemplo:
  
  
  
  
  

Reacciones orgánicas. Involucran compuestos orgánicos, que son los que están relacionados con la base de la vida. Dependen del tipo de compuesto orgánico para su clasificación, ya que cada grupo funcional posee un rango de reacciones específicas. Por ejemplo, los alcanos, alquenos, alquinos, alcoholes, cetonas, aldehídos, éteres, ésteres, nitrilos, etc.

Algunos ejemplos de reacciones de compuestos orgánicos son:

• Halogenación de alcanos. Se sustituye un hidrógeno del alcano por el halógeno correspondiente.
  
  
• Combustión de alcanos. Los alcanos reaccionan con el oxígeno para dar dióxido de carbono y agua. Este tipo de reacción libera gran cantidad de energía.
  
  
• Halogenación de alquenos. Se sustituyen dos de los hidrógenos presentes en los carbonos que forman el doble enlace.
  
  
• Hidrogenación de alquenos. Se agregan dos hidrógenos al doble enlace, de esta forma se produce el alcano correspondiente. Esta reacción ocurre en presencia de catalizadores como platino, paladio o níquel.