Cambios Físicos y Químicos

Cambios físicos: Las sustancias iniciales son las mismas que las finales, es decir, no se producen sustancias nuevas.

Cambios químicos: También llamados reacciones químicas, son cambios en los que los reactivos se transforman en productos.

Ley de la Conservación de la Masa

Establece que, en todas las reacciones químicas, la suma de las masas de las sustancias que intervienen en una reacción es igual a la suma de las masas de las sustancias que se originan:

masa de los reactivos = masa de los productos

Teoría Cinético-Molecular

Las moléculas de los reactivos (hidrógeno y cloro) están en continuo movimiento, debido a esto todas las moléculas poseen energía cinética. Al aumentar la temperatura, aumenta la energía y la velocidad de las moléculas.

Teoría de las Colisiones

Las moléculas de los reactivos colisionan unas con otras. Las moléculas que chocan con la energía suficiente y la orientación adecuada rompen los enlaces hidrógeno-hidrógeno y cloro-cloro.

Según esta teoría, no todos los choques son eficaces, es decir, no sucede que en todos los choques se rompan los enlaces de los reactivos. Para que los choques sean eficaces y se produzca una reacción química, se deben cumplir dos condiciones:

• Las moléculas deben poseer una energía igual o superior a la energía de activación para que, al chocar, rompan sus enlaces y formen otros nuevos.
• Las moléculas han de tener una orientación espacial adecuada al colisionar; de lo contrario, los choques no son eficaces y no se rompen los enlaces.

Reacción Química

Los átomos de cloro e hidrógeno se reorganizan, forman nuevos enlaces y dan lugar a una nueva sustancia, el HCl. Para que se formen dos moléculas de HCl, deben chocar una molécula de H₂ y una de Cl₂.

Definición de Mol

Es la unidad de cantidad en materia: se define como aquella cantidad de materia que tiene 6,022·10²³ partículas elementales (átomos, moléculas…). Tiene tantos gramos como indique su masa atómica o molecular y, si es un gas, ocupa en condiciones normales 22,4 litros.

Concentración Molar

Es la cantidad de soluto por litro de disolución.

Propiedades de Ácidos y Bases

Propiedades de los Ácidos

• Tienen sabor agrio y son corrosivos (ej: zumo de limón).
• Reaccionan con diferentes metales desprendiendo hidrógeno.
• Reaccionan con los carbonatos produciendo CO₂ gaseoso.
• Reaccionan con las bases dando sal y agua (neutralización).
• pH < 7.

Propiedades de las Bases

• Tienen sabor amargo, son cáusticas y producen quemaduras.
• Son suaves al tacto: su sensación táctil es jabonosa.
• Al igual que los ácidos, sus disoluciones acuosas conducen la electricidad.
• Reaccionan con los ácidos, dando lugar a una sal más agua (neutralización).
• pH > 7.

Definición de Ácido y Base (según Arrhenius)

Ácido: Sustancia que en disolución acuosa se disocia cediendo iones H⁺, como el ácido clorhídrico.

Base: Sustancia que en disolución acuosa se disocia y cede iones hidróxido OH^–, como el hidróxido de sodio.

Escala de pH

Para establecer el carácter ácido, básico o neutro de una disolución, se utiliza la escala de pH, que va del 0 al 14, siendo los valores próximos al 0 los ácidos fuertes y los próximos al 14 las bases fuertes.

Tipos de Reacciones y Velocidad

Reacciones Endotérmicas y Exotérmicas

• Calor de reacción: Es la cantidad de energía intercambiada con el exterior durante un proceso químico.
• Ecuación termoquímica: Es una ecuación química ajustada que incluye la cantidad de energía transferida durante el proceso químico.

Proceso Exotérmico

Se desprende energía. Por tanto, la energía de los productos tiene que ser menor que la de los reactivos. Es decir, los productos son más estables que los reactivos.

Proceso Endotérmico

Se absorbe energía. Por tanto, la energía de los productos tiene que ser mayor que la de los reactivos. Es decir, los reactivos son más estables que los productos.

Velocidad de Reacción

Determina la rapidez de una reacción y se define como la cantidad de concentración de reactivo que se consume, o de producto que se forma, en la unidad de tiempo. Puede expresarse en mol/s, mol/(L·s) o g/s.

Factores que Influyen en la Velocidad de Reacción

La velocidad de una reacción es directamente proporcional al número de colisiones moleculares que se producen en la unidad de tiempo. Debido a esto, la velocidad de reacción se verá afectada por cualquier factor que lo modifique.

• Concentración: Al aumentar la concentración de los reactivos, aumenta el número de partículas contenidas en un volumen determinado, lo que produce más choques eficaces por segundo y, por tanto, aumenta la velocidad de reacción.

  La velocidad de una reacción química aumenta con la concentración de los reactivos.

• Grado de división: Al aumentar el grado de división de los reactivos, la superficie de contacto de estos es mayor, por lo que hay más choques eficaces entre las moléculas y la velocidad de reacción aumenta.

  La velocidad de una reacción química aumenta con el grado de división de los reactivos.

  Cuando los reactivos se encuentran en estado gaseoso o en disolución, su “grado de división” es máximo y las reacciones transcurren más rápido.

• Temperatura: Al aumentar la temperatura, aumenta la velocidad media de las moléculas y, a su vez, la energía cinética. Esto da como resultado una mayor frecuencia de las colisiones eficaces, ya que habrá más moléculas con la energía suficiente para que los choques tengan efecto. Como resultado, la reacción química es más rápida.

  La velocidad de una reacción química aumenta con la temperatura.

• Catalizadores e inhibidores: La sustancia que, en pequeñas cantidades, es capaz de alterar la velocidad de cierta reacción, sin transformarse ni consumirse durante el proceso, se denomina catalizador (si acelera) o inhibidor (si ralentiza).

  Para que se produzca una reacción, las moléculas deben chocar con una energía cinética que esté por encima de una cierta barrera mínima de energía, llamada energía de activación. Superada esta barrera, se debilitan los enlaces de los reactivos y se forman los enlaces de los productos. Los catalizadores reducen la energía de activación, aumentando así el número de choques eficaces; por el contrario, los inhibidores incrementan dicha energía.

El Átomo de Carbono y sus Enlaces

El carbono es el único elemento que tiene una rama de la química dedicada únicamente al estudio de sus compuestos.

¿Por qué puede formar tantos compuestos el carbono?

• Los átomos de carbono pueden enlazarse entre sí mediante enlaces simples, dobles y triples, y pueden formar cadenas muy largas que pueden ser lineales, ramificadas o cíclicas.
• El átomo de carbono se enlaza fácilmente con otros elementos, como el hidrógeno, el oxígeno, el nitrógeno y el azufre, lo que aumenta la variación de las moléculas que se pueden formar.

Formas Alotrópicas del Carbono

El carbono presenta diferentes formas alotrópicas. Las más conocidas son el grafito y el diamante, pero recientemente se han obtenido fullerenos, nanotubos de carbono y grafeno.

• Grafito: Cada átomo de carbono forma tres enlaces covalentes con otros tres átomos de carbono, todos ellos en el mismo plano, formando extensas capas bidimensionales. Estas capas están débilmente unidas entre ellas por el cuarto electrón de cada átomo, que tiene libertad de movimiento. El grafito es blando y conductor.

• Diamante: Cada átomo de carbono forma cuatro enlaces covalentes con otros cuatro carbonos, constituyendo una red tridimensional. No hay ningún electrón libre que se pueda mover por la red cristalina. El diamante es duro y no conduce la corriente eléctrica.

• Fullerenos: Sus estructuras moleculares de átomos de carbono se encuentran unidas entre sí. La primera molécula sintetizada fue la de 60 átomos de carbono, C₆₀. Después del diamante y el grafito, es la forma alotrópica del carbono más estable.

• Nanotubos de carbono: Estructuras cilíndricas formadas por una o varias capas de grafito cerradas sobre sí mismas. Su resistencia a la tracción es unas veinte veces mayor que la del acero.

• Grafeno: Está formado por una estructura bidimensional de una única capa de átomos de carbono. Su resistencia a la tracción es cien veces mayor que la del acero y tiene una alta conductividad eléctrica.