Cambios energéticos en cambios de fases.
Como ya hemos conversado en los temas anteriores de cambios de fases como la vaporización, fusión y sublimación junto con los sus respectivos procesos inversos: condensación, solidificación y deposición. Los tres primeros procesos implican que el sistema absorba calor, bien sea del ambiente (como cuando el hielo se funde a temperatura ambiente) o de otra fuente (como el calor de la llama de la hornilla al poner hervir agua), por lo que son procesos endotérmicos; mientras que en los tres últimos el sistema necesita liberar calor (como el retirado por el refrigerador el agua líquida para convertirla en hielo, por lo que son procesos exotérmicos.
Estos procesos ocurren a presión constante por lo que la cantidad de calor absorbido o liberado por el sistema, se utiliza una propiedad termodinámica llamada entalpía, que se representa por el símbolo H y se define como E + PV (energía más el producto de la presión por el volumen). La entalpía es una propiedad extensiva, es decir que su magnitud depende de la cantidad de materia presente.
Es imposible determinar la entalpía de una sustancia, y lo que se puede medir son las variaciones de entalpía que sufre una sustancia en un determinado proceso. Por ejemplo: La entalpía de vaporización (DHvap) es la variación de entalpía que sufre una sustancia al cambiar de líquido a vapor, dicha variación es positiva ya que dicho proceso es endotérmico.
El calor de vaporización, que se define como la cantidad de calor absorbido por un líquido para evaporarse, se calcula como: Q = m*DHvap, donde m representa la masa del líquido.
Igualmente la fusión y la sublimación tienen asociada una variación de entalpía llamadas entalpía de fusión (DHfus) y entalpía de sublimación (DHsub) respectivamente, valores que igualmente son positivos. En el caso de la condensación, solidificación y deposición sus variaciones de entalpía son exactamente iguales a las variaciones de entalpía de los procesos directos (vaporización, fusión y sublimación) pero con signo negativo, indicando que son procesos exotérmicos.
Entalpía de condensación (DHcond) = - DHvap
Entalpía de solidificación (DHsold) = - DHfus
Entalpía de deposición (DHdep) = - DHsubl
Cambios químicos, reacción química.- Ecuación química
En los cambios de fase anteriormente nombrada, las sustancias no pierden sus composiciones químicas al pasar de un estado a otro. Un mol de agua sigue estando compuesto por 2 moles de hidrógeno y 1 mol de oxígeno aun cuando esté en estado líquido, en estado gaseoso o estado sólido. Es decir sólo sufre un cambio físico cuando pasa de una fase a otra.
Caso contrario ocurre cuando el gas comercial, se combina con oxígeno en presencia de calor para producir la llama. En este proceso el gas y el oxígeno forman agua y dióxido de carbono, es decir que pierden su composición química para formar otras sustancias con propiedades químicas muy diferentes. En este proceso el gas comercial y el oxígeno sufren un cambio químico.
El cambio químico se llama reacción química. Una ecuación química, entonces, es la forma estándar de representar a dicho cambio mediante un conjunto de símbolos químicos.
La ecuación química que representa la combustión del propano (principal componente el gas comercial) se presenta a continuación:
Las sustancias iniciales en la reacción (se encuentran antes de la flecha) reciben el nombre de reactivos, y las formadas como resultado de la reacción (están después de la flecha) reciben el nombre de productos. En este caso, el propano y el oxígeno molecular son los reactivos y dióxido de carbono y el agua son los productos.
En las ecuaciones químicas los reactivos se escriben, por convención, a la izquierda y los productos a la derecha de la flecha.
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El símbolo “+” significa “reacciona con” y la flecha significa “produce”. Por lo que se puede leer: “El propano reacciona con el oxígeno molecular para producir dióxido de carbono y agua”.
Las reacciones químicas cumplen con la ley de la conservación de la masa, por lo que la cantidad de moles de un elemento que se encuentra en los reactivos debe ser exactamente igual a la cantidad de moles de ese mismo elemento presente en los productos. Es por eso que se observan los números 5, 3 y 4 delante de las fórmulas del oxígeno molecular, dióxido de carbono y agua respectivamente; dichos números reciben el nombre de Coeficientes estequiométricos e indican la cantidad de moles de cada compuesto que reacciona y se produce. Por lo que de la reacción inicial se puede leer que: “1 mol de propano reacciona con 5 moles de oxígeno molecular para producir 3 moles de dióxido de carbono y 4 moles de agua.
En general cuando en la ecuación química se colocan los coeficientes estequiométricos necesarios para que se cumpla la ley de conservación de la masa, se dice que la ecuación está balanceada.
La ecuación química también representa, mediante abreviaturas, el estado físico tanto de los reactivos como los productos lo cual es una información bastante útil. Estas abreviaturas son: g, l y s que significan gaseoso, líquido y sólido, respectivamente. Dichas letras se escriben entre paréntesis. Ejemplos del uso de estas abreviaturas son:
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Las abreviaturas ayudan a recordar el estado físico de reactivos y productos y son útiles para llevar a cabo experimentos. Por ejemplo, cuando reaccionan en bromuro de potasio (KBr) y el nitrato de plata (AgNO3) en un ambiente acuoso- es decir, en presencia de agua líquida-, se forma un sólido, el bromuro de plata (AgBr). Esta reacción su puede representar mediante la ecuación:
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Si se omitieran los estados físicos, alguien no informado puede suponer que la reacción se lograría si los reactivos estuviesen en estado sólido. En este estado la reacción entre dichas sustancias se llevaría a cabo muy lentamente o simplemente no se llevaría a cabo, puesto para que la formación del bromuro de plata, es necesario que los iones Ag+ y Br- entren en contacto y esto no es posible en estado sólido ya que los iones tienen una movilidad nula.
Usualmente las ecuaciones químicas son utilizadas para describir cambios físicos. La congelación (líquido a sólido) y la evaporación (líquido a vapor) del agua, por ejemplo, se pueden representar como sigue:
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Para describir el proceso de disolución, o solución como comúnmente se conoce, en agua de cloruro de sodio y cloruro de hidrógeno gaseoso, se escribe
La ac indica el ambiente acuoso (esto es en agua). Al escribir agua sobre la flecha se muestra el proceso físico de solución de una sustancia en agua, aunque a veces para simplificar se elimina.
Finalmente hay otros de tipos de símbolos que suelen utilizarse en las ecuaciones químicas. Si la reacción forma un producto en estado sólido y este se separa de la fase líquida de la reacción, se suele decir que se forma un precipitado y suele representarse con una flecha apuntando hacia abajo o estableciendo el estado del producto con una “s”, pero no se colocan los dos símbolos. El otro símbolo es una flecha apuntado hacia arriba , la cual se utiliza usualmente cuando el producto formado está en estado gaseoso, partiendo de reactivos que se encuentren en otro estado de la materia. También se puede hacer uso de la letra “g”, como se había establecido antes, pero no deben usarse los dos símbolos al mismo tiempo.
Ejemplos:
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Cambios de energía en una reacción química.- Entalpía de reacción
Al acercar la mano a la llama que se genera producto de la reacción de propano y oxígeno se puede percibir calor alrededor de la misma, eso se debe a que la reacción libera calor, es decir es un proceso exotérmico.
Existen otras reacciones químicas como por ejemplo la descomposición del óxido de mercurio (II) en mercurio y oxígeno molecular, debe llevarse a muy altas temperaturas, para que el sistema absorba la cantidad de calor necesaria para así llevar a cabo la descomposición representada por la ecuación:
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Esta reacción es un proceso endotérmico.
Como estas reacciones ocurren a presiones constantes, la cantidad de energía absorbida o liberada en dichos procesos se determina a través de la entalpía de reacción que no es más que la variación de entalpía entre los productos y los reactivos:
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La entalpía de una reacción puede ser positiva o negativa. Si es positiva indica que el proceso es endotérmico y si es negativa indica que el proceso es exotérmico.
¿Cómo se llevan a cabo las reacciones químicas? Teoría de las colisiones.- Energía de activación
La teoría cinética molecular de los gases establece que las moléculas de los gases chocan frecuentemente unas con otras. Por tanto, parece lógico suponer, y en general es cierto, que las reacciones químicas suceden como resultado de las colisiones entre las moléculas de los reactivos. En términos de la teoría de las colisiones, es de esperarse que la velocidad de una reacción (cambio de concentración de un reactivo o de un producto con respecto al tiempo) sea directamente proporcional a la frecuencia de las colisiones moleculares.
La teoría de las colisiones es intuitiva, pero la relación entre la velocidad y las colisiones moleculares es más complicada de lo que puede esperarse. Según la teoría de las colisiones siempre que hay una reacción cuando chocan las moléculas de A y B. Sin embargo, no todas las colisiones conducen a una reacción. Los cálculos basados en la teoría cinética molecular muestran que, a presiones y temperaturas normales (1 atm y 298 K), ocurren alrededor de 1 X 1027 colisiones binarias (colisiones entre dos moléculas) en un volumen de 1 mL, cada segundo, en fase gaseosa. Si cada colisión binaria condujera a un producto, la mayoría de las reacciones se completaría de manera casi instantánea. en la práctica, se encuentra que las velocidades de las reacciones varían mucho. Esto significa que, en muchos casos, las colisiones por sí mismas no garantizan que se lleve a cabo una reacción.
Cualquier molécula en movimiento posee energía cinética; cuanto más rápido se nueve, su energía cinética es mayor. Para reaccionar, debe chocar con otra molécula. Cuando las moléculas chocan, parte de su energía cinética se convierte en energía vibracional. Si la energía cinética inicial es grande, las moléculas que chocan vibrarán tan fuerte que se romperán algunos enlaces químicos. Esta fractura del enlace es el primer paso hacia la formación de producto. Si la energía cinética inicial es pequeña, las moléculas prácticamente rebotarán intactas. Hablando en términos energéticos, existe una energía mínima de choque, por debajo de la cual no habrá ningún cambio después del choque. Si no está presente esta energía, las moléculas permanecerán intactas y no habrá cambios por la colisión.
Velocidad de una reacción. Factores que la afectan
La ley de la velocidad
La ley de la velocidad expresa la relación de la velocidad de una reacción con la constante de velocidad y la concentración de los reactivos, elevados a alguna potencia. Para la reacción general
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la ley de la velocidad tiene la forma
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donde "x" y "y" son números que se determinan experimentalmente. Observe que, en general, "x" y "y" no son iguales a los coeficientes estequiométricos a y b. Cuando se conocen los valores de "x", "y" y k, se puede utilizar la ecuación anterior para calcular le velocidad de la reacción, dadas las concentraciones de A y B.
Los exponentes "x" y "y" especifican las relaciones entre las concentraciones de los reactivos A y B y la velocidad de la reacción. Al sumarlos, se obtiene el orden de reacción global, que se define como la suma de los exponentes a los que se elevan todas las concentraciones de reactivos que aparecen en la ley de velocidad. Para la ecuación anterior el orden de la reacción global es x+y. De manera alternativa puede decirse que la reacción es de xº en A, de yº en B y de orden (x+y)º global.
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