Entalpía de Reacción y Termodinámica Química
Cuando un proceso tiene lugar a presión constante, el calor de reacción se denomina variación de entalpía (ΔH). Si las condiciones son de 1 atm de presión y 25ºC, se escribe ΔHº. La entalpía es una magnitud relativa a la energía del estado inicial o final del sistema. Por tanto, se mide la variación de entalpía.
Entalpía de Formación
La entalpía de formación, ΔH0f, es el calor que se absorbe o se desprende cuando se forma un mol de un compuesto a partir de los elementos que lo constituyen a la presión de 1 atm y 25ºC. La variación de entalpía de una reacción se calcula restando a la entalpía de formación de los productos (multiplicada por sus coeficientes) la entalpía de formación de los reactivos.
Cinética Química: Mecanismos y Velocidad de Reacción
¿Cómo se Producen las Reacciones Químicas?
Una reacción se inicia por la colisión de moléculas reactivas. Para que A y B reaccionen formando AB, han de colisionar. Supongamos que son más eficaces las colisiones más fuertes, que son el resultado de un encuentro de partículas que, con una orientación adecuada, se mueven a gran velocidad. Por tanto, para que se produzca una reacción es necesario que las moléculas tengan una determinada energía cinética.
Energía Cinética Crítica (E’c)
La energía cinética crítica (E’c) es la energía cinética mínima para que una colisión sea eficaz. ¿Es eficaz cualquier colisión entre partículas con una energía cinética mayor que la E’c? Una reacción que sea favorable termodinámicamente apenas tiene lugar en condiciones normales, y a altas temperaturas se produce de forma brusca. Ha sido necesario activarla, esto supone la existencia de una barrera energética, que hay que superar para pasar de reactivos a productos. Una reacción puede activarse mediante el aumento de la temperatura.
Energía de Activación
La energía de activación es la diferencia entre la cima de la barrera y los reactivos. La energía de activación puede considerarse necesaria para debilitar los enlaces de los reactivos. El máximo de energía corresponde a lo que se denomina complejo activado. Los requisitos que debe cumplir una reacción son: una disposición geométrica favorable, una colisión con una Ec < E’c que supere por tanto la Ea.
Velocidad de una Reacción
La velocidad de una reacción es la variación de la concentración de los reactivos o de los productos en el tiempo. La unidad de velocidad de reacción en el SI es mol por litro por segundo.
Factores que Influyen en la Velocidad de Reacción
Naturaleza de los Reactivos
No hay reglas generales a este respecto. Las reacciones en disoluciones iónicas son muy rápidas, es simplemente la reagrupación de enlaces ya que los enlaces ya están rotos. También son rápidas las que se producen por intercambio de electrones de unos iones a otros. Las reacciones exotérmicas entre sustancias gaseosas transcurren igualmente a gran velocidad.
Concentración de los Reactivos
El número de choques entre las moléculas reactivas es proporcional a la concentración de los reactivos. Si la concentración aumenta, la velocidad aumenta.
Superficie de Contacto
En las reacciones heterogéneas, donde los reactivos están en fases diferentes, la reacción solo se produce en la superficie, por lo que la velocidad depende directamente de la superficie de contacto. Por eso los reactivos se trituran. Las reacciones entre gases se producen muy rápido.
Temperatura
La velocidad de las reacciones está influida por la temperatura. Muchas reacciones tienen poca velocidad, pero si se les aumenta la temperatura son muy rápidas. Al incrementarse la temperatura, aumenta la energía cinética media y el número de moléculas que alcanza la energía de activación.
Catalizadores
Los catalizadores solo influyen en la velocidad de la reacción. Su acción se llama catálisis. La variación de la velocidad se debe a que el catalizador cambia el curso de la reacción y hace que transcurra por un camino nuevo que requiere una menor energía de activación. Si requieren una activación menor se denominan catalizadores positivos, si es al revés son negativos o inhibidores. Otra propiedad es que con pequeña cantidad cambia mucho la velocidad de reacción. Un tipo importante de catalizadores son los biocatalizadores, llamados también enzimas, que regulan los procesos biológicos de los organismos.
Química Orgánica: Alcanos, Alquenos y Alquinos
Alcanos
Los 4 primeros alcanos son gases a temperatura ambiente. Entre el 5 y el 17 son líquidos, y a partir del 18 son sólidos. Conforme aumenta la masa molecular, mayor es su punto de fusión y ebullición. Cuanto más ramificada sea la cadena, menor es el punto de ebullición. Al ser compuestos no polares, son solubles en disolventes no polares. La densidad de los alcanos aumenta en función del número de carbonos, acercándose a 0.8 g/cm3.
Obtención
Las principales fuentes son el petróleo y el gas natural.
Reactividad
No reaccionan ni con ácidos ni con bases. Se utilizan como combustibles.
Alquenos
Los alquenos inferiores a 4 carbonos se obtienen puros en la industria petrolera. Los más complejos se preparan por eliminación de átomos.
Reactividad
Son más reactivos que los alcanos. Se caracterizan por dar lugar a reacciones de adición al doble enlace.
Alquinos
Son insolubles en agua, solubles en disolventes orgánicos, menos densos que el agua. Los puntos de ebullición aumentan cuando se incrementa el número de ramificaciones de la cadena. Los alquinos son muy reactivos, arden mejor que otros alquenos y dan reacciones de adición.
El Petróleo y sus Derivados
El Petróleo
Procede de la descomposición anaerobia que actúa sobre las grasas y las convierte en ácidos grasos. Suele hallarse en forma de bolsas. El producto bruto es un producto oleoso de color variable que arde con dificultad. Su composición cambia con el lugar de origen, pero siempre contiene una mezcla de hidrocarburos gaseosos, líquidos y sólidos junto con impurezas. Los hidrocarburos son el 90%. En una primera fase se eliminan las impurezas por decantación. Después se somete a una destilación fraccionada hasta unos 400ºC. El petróleo va pasando por torres de condensación, en cada una de las cuales se deposita el componente con mayor punto de ebullición. Posteriormente, cada una de las sustancias se somete a diversos tratamientos.
Gasolinas
Es la parte del petróleo de mayor interés económico. Solo se obtiene el 12%. Para obtener más, hay que romper las cadenas de los compuestos de más de 12 átomos en cadenas más cortas. El proceso se conoce como cracking. Fases: se calienta el petróleo a presión (500ºC y 12 atm) y después se destila para recuperar las distintas fracciones.
Requisitos de las Gasolinas
- No han de ser corrosivas (esto se evita con una reacción llamada endulzamiento).
- Deben tener buena carburación.
- Han de carecer de enlaces dobles.
- No tienen que ser explosivas.
La gasolina sin plomo se utiliza como antidetonante.
Petroquímica
Es la rama de la química que se encarga de la elaboración de productos en las fases posteriores del refinado.
Pirólisis
Es un cracking a elevadas temperaturas por el que se obtienen olefinas, que sirven de base para la fabricación de plásticos.
Reforming
Tiene por finalidad la transformación de hidrocarburos parafínicos en aromáticos.
Biocombustibles
Bioetanol
Es un alcohol producido por la fermentación de azúcares de la cebada, el trigo, etc. Mezclado con la gasolina, tiene gran poder energético y reduce la emisión de contaminantes.
Biodiesel
Son ésteres metálicos obtenidos a partir del procesamiento de aceites vegetales. El biodiesel mezclado con diésel genera un combustible menos contaminante y que se puede utilizar.