Definición de Reacción Química
Ingeniera Química
Es un proceso termodinámico mediante el cual una o más sustancias llamadas reactivos ven transformada su estructura y sus enlaces para dar lugar a nuevas sustancias llamadas productos. La materia primaria se denomina reactivo mientras que los compuestos resultantes se llaman productos.
Para que de un reactivo se forme un producto determinado, es necesario romper enlaces que los mantienen unidos y reorganizando estructuras- Formando nuevos enlaces y adaptándose a un determinado medio se forman otras sustancias. De acuerdo con la forma en que la reacción ocurre y los reactivos y productos involucrados se puede clasificarlas de diferentes formas. Para comprenderlo mejor veremos un ejemplo:
\(NaO{{H}_{\left( ac \right)}}+HC{{l}_{\left( ac \right)}}\to NaC{{l}_{\left( ac \right)}}+{{H}_{2}}{{O}_{\left( l \right)}}\)
En este caso observamos como dos reactivos, un ácido y una base se neutralizan para dar lugar a una sal y agua. Aquí vemos representado el modo en que típicamente se representa una reacción química. En primer lugar, se tienen reactivos a la izquierda seguido de una flecha que indica el sentido en que ocurre la reacción. Luego, hacia la derecha, se tienen los productos. Cabe aclarar que se suele colocar el estado de agregación en que reactivos y productos están presentes en el sistema de reacción, tal es así que: \(\left( ac \right)\) implica “acuoso”, \(\left( l \right)\) es líquido, \(\left( g \right)\) se refiere al estado gaseoso y \(\left( s \right)\) al estado sólido.
En general, podemos identificar que una reacción química ha ocurrido en función de distintos eventos que se desprenden de ello. En algunos casos, se visualizan cambios de color, de densidad (también pueden observarse formaciones de precipitados), se producen efervescencias (burbujas debido a la producción de gases) o bien cambia la temperatura del recipiente contenedor (en función del tipo de reacción, si es exotérmica o endotérmica).
Debido a lo anterior, alguna simbología típica también suele aparecer, por ejemplo, cuando hay desprendimiento de gases se coloca \(\uparrow \) sobre el producto para indicar su burbujeo, o bien, caso contrario, en la formación de un sólido que precipita se coloca la flecha hacia abajo \(\downarrow \).
Además, no podemos olvidar una cuestión de suma importancia a la hora de escribir una reacción química que es su balanceo. En función de la estequiometría de reactivos y productos, se debe colocar la cantidad de moles que reaccionan y la cantidad de moles que se forman de cada sustancia. Eso se hace mediante números colocados previamente a cada reactivo o producto.
Reacciones reversibles e irreversibles
El ejemplo anterior es un claro ejemplo de una reacción irreversible, en donde el sentido en que esta ocurre es único, es decir, siempre se partirá de los reactivos para dar lugar a esos productos.
Sin embargo, existen reacciones químicas de tipo reversibles. En general, los equilibrios ácidos y bases son equilibrios homogéneos en donde la concentración de reactivos y productos al finalizar la reacción está dada por la velocidad de reacción directa e inversa, ya que el sistema estará en equilibrio cuando ambas velocidades sean iguales. Por lo tanto, este es un ejemplo de una reacción reversible, es decir, que se puede dar en un sentido o en el otro:
\({{N}_{2}}{{O}_{4}}_{\left( g \right)}\leftrightarrow 2~N{{O}_{2}}_{\left( g \right)}\)
Cabe destacar que estos casos se indican con doble flecha.
Otros formas de clasificación
En función de cómo se llevan a cabo y qué tipo de reactivos o productos entran en juego se las puede clasificar de distintas maneras. Por ejemplo, se tienen reacciones de síntesis o de descomposición. En la primera de ellas, las sustancias se combinan para la formación de nuevos productos, de estructura más compleja mientras que si la reacción es de descomposición, los reactivos rompen enlaces para transformarse en sustancias más simples, por ejemplo:
\(2KCl{{O}_{3}}_{\left( s \right)}\to ~2KC{{l}_{\left( s \right)}}+~3{{O}_{2}}_{\left( g \right)}\)
En química orgánica, se suele hablar de reacciones de sustitución, intercambios y desplazamiento, ya que los grupos funcionales de las cadenas carbonadas se sustituyen o se intercambian para generar nuevos productos.
Luego se tienen las reacciones de combustión, típicamente:
\(C{{H}_{4}}_{\left( g \right)}+~2{{O}_{2}}_{\left( g \right)}\to ~C{{O}_{2}}_{\left( g \right)}+~2{{H}_{2}}{{O}_{\left( g \right)}}\)
En el caso de combustiones completas, dando lugar a la formación de dióxido de carbono y agua. En tanto que, en el caso de combustiones incompletas se da lugar a monóxido de carbono y agua, veamos el ejemplo del mismo gas (metano) que combustiona de manera incompleta.
\(C{{H}_{4}}_{\left( g \right)}+~{{O}_{2}}_{\left( g \right)}\to ~C{{O}_{\left( g \right)}}+~2{{H}_{2}}{{O}_{\left( g \right)}}\)
Estas reacciones son fácilmente identificables no sólo porque los productos son los mencionados sino también porque debe haber presencia de oxígeno para que ocurran.
También se conocen las reacciones óxido-reducción, en donde una especie se oxida mientras que otra se reduce y las reacciones ácido-base, en donde una sustancia ácida y una básica reaccionan para neutralizarse, como el primer ejemplo visto.
Un grupo de reacciones química menos conocidas son las reacciones nucleares, aquellas que dan origen a la energía nuclear y aquí se modifican núcleos atómicos, a través de procesos como la fisión o fusión nuclear en tanto haya fragmentación o conjunción de núcleos atómicos.
Tipos de reacciones en función de la termoquímica
Una reacción en donde se absorbe energía se dice que es “endotérmica”. En este caso, la energía en forma de calor involucrada se considera un reactivo, como por ejemplo la solidificación del agua líquida en hielo o bien, la descomposición del carbonato de calcio (CaCO3). Para la formación de la famosa cal (CaO) es un proceso que requiere absorción de calor, por lo tanto, es considerado como un reactivo:
\(CaC{{O}_{3}}_{\left( s \right)}+q~\to ~Ca{{O}_{\left( s \right)}}+~C{{O}_{2}}_{\left( g \right)}\)
En cambio, cuando una reacción libera energía se dice que es “exotérmica”. Aquí, la energía en forma de calor se desprende tal cual un producto de dicha reacción. Tal es el caso de la fusión del hielo en agua líquida o bien, la neutralización de hidróxido de sodio (NaOH) y ácido clorhídrico (HCl). Esta última es una reacción que libera calor, por lo tanto, el calor “q” será un producto de reacción, liberado hacia los alrededores:
\(NaO{{H}_{\left( ac \right)}}+HC{{l}_{\left( ac \right)}}\to NaC{{l}_{\left( ac \right)}}+{{H}_{2}}{{O}_{\left( ac \right)}}+q\)
Tipos de reacciones en función de los productos y reactivos involucrados
Las reacciones más clásicas y simple de las Ciencias Químicas son las reacciones de formación. A partir de los elementos simples y estables se forman compuestos:
Por ejemplo:
\({{C}_{\left( s \right)}}+~{{O}_{2}}_{\left( g \right)}\to ~C{{O}_{2}}_{\left( g \right)}\)
Por otro lado, tenemos las reacciones de combustión. Típicamente son las que utilizamos cotidianamente para generar calor en nuestros hogares, para encender los motores de nuestros autos y para calentar el agua en una olla mediante gas natural. Las reacciones de combustión tienen una particularidad, uno de sus reactivos es oxígeno molecular (O2) y sus productos son agua (H2O), dióxido de carbono (CO2) o monóxido de carbono (CO). Cuando la reacción de combustión es completa los productos son agua (H2O) y dióxido de carbono (CO2), en cambio, cuando la reacción de combustión es incompleta tenemos como producto monóxido de carbono (CO). Este último es el caso que típicamente escuchamos en invierno, muchas muertes por monóxido de carbono y un especial pedido por revisión de artefactos de calefacción. Pues bien, cuando un calefactor o calefón funciona incorrectamente, genera una combustión incompleta en donde el producto es monóxido de carbono, un gas altamente tóxico e incoloro, por ello es identificable a simple vista que puede causar la muerte cuando se respira altas concentraciones de él.
Una reacción de combustión clásica es la combustión del metano (componente principal del gas natural de nuestros hogares). Si la combustión es completa, entonces:
\(C{{H}_{4}}_{\left( g \right)}+~2{{O}_{2}}_{\left( g \right)}\to ~C{{O}_{2}}_{\left( g \right)}+~2{{H}_{2}}{{O}_{\left( g \right)}}\)
Si la combustión es incompleta, entonces:
\(C{{H}_{4}}_{\left( g \right)}+~{{O}_{2}}_{\left( g \right)}\to ~C{{O}_{\left( g \right)}}+~2{{H}_{2}}{{O}_{\left( g \right)}}\)
También puede encontrarse en bibliografía la producción de dióxido de carbono (adicionalmente) en la combustión incompleta.
Por otro lado, tenemos reacciones de neutralización. Estas tienen lugar entre un ácido y una base dando como resultado una sal y agua. Por ejemplo:
\(NaO{{H}_{\left( ac \right)}}+HC{{l}_{\left( ac \right)}}\to NaC{{l}_{\left( ac \right)}}+{{H}_{2}}{{O}_{\left( ac \right)}}\)
Como vimos anteriormente, esta reacción es exotérmica, pues bien, en general este tipo de reacciones es exotérmica y el calor liberado se conoce como calor de neutralización.
Además, se conocen las reacciones de descomposición. A la inversa que las reacciones de formación, en este tipo de reacciones los reactivos rompen enlaces para descomponerse en los elementos que formaban la sustancia inicial. Por ejemplo, la descomposición del clorato de potasio:
\(2KCl{{O}_{3}}_{\left( s \right)}\to ~2KC{{l}_{\left( s \right)}}+~3{{O}_{2}}_{\left( g \right)}~\)
Por último, conocemos las reacciones redox (óxido – reducción). En este tipo de reacciones hay una transferencia neta entre una especie y otra. La reacción global se compone de dos semirreacciones dado que, la especie que pierde electrones y queda cargada positivamente, aumenta su estado de oxidación, por ende, es la semirreacción de oxidación. En tanto que, la especie que gana electrones disminuye su estado de oxidación por lo que, es la semirreacción de reducción. Ejemplo de ello es la siguiente reacción:
\(2A{{l}_{\left( s \right)}}+3CuS{{O}_{4}}_{\left( ac \right)}\to ~A{{l}_{2}}{{\left( S{{O}_{4}} \right)}_{3}}_{\left( ac \right)}+~3C{{u}_{\left( s \right)}}\)
En donde, \(A{{l}_{\left( s \right)}}\) se oxida al pasar a \(A{{l}^{+3}}\) y \(C{{u}^{+2}}\) se reduce al pasar a \(C{{u}_{\left( s \right)}}\).
Art. actualizado: Junio 2022; sobre el original de agosto, 2011.
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