IV. LAS REACCIONES QU�MICAS Y EL CALOR
EN LA NATURALEZA ocurren continuamente cambios qu�micos que pueden pasar inadvertidos para los que no son especialistas en la disciplina. Dif�cilmente se puede estar consciente, por ejemplo, de las innumerables reacciones qu�micas que ocurren en nuestro cuerpo relacionadas con la respiraci�n, el crecimiento, la alimentaci�n, la reproducci�n, etc�tera.
Las plantas verdes, por ejemplo, absorben di�xido de carbono (CO2)
de la atm�sfera y con la energ�a proveniente del Sol, el agua y la clorofila
(pigmento que les da el color verde), son capaces de producir az�cares y ox�geno
libre. Este complicado proceso qu�mico de la naturaleza se llama fotos�ntesis.
12 H2O + 6 CO2 � C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O
Los animales que se alimentan de plantas verdes, ingieren az�cares 1
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y
otros productos qu�micos elaborados por las plantas, y de esta manera obtienen
la energ�a que requieren para el desarrollo de sus funciones vitales. Este
cambio qu�mico, que ocurre en los animales, devuelve al ambiente agua y di�xido
de carbono en la expiraci�n.
La investigaci�n qu�mica y el desarrollo tecnol�gico producen continuamente nuevos materiales: detergentes, colorantes, aromatizantes, conservadores, pl�sticos, etc�tera.
Sin la qu�mica no habr�a autom�viles, fotograf�a, televisores, materiales sint�ticos, cosm�ticos, ni muchas otras cosas que utilizamos diariamente.
Las expectativas de vida se han incrementado gracias a la producci�n de nuevos f�rmacos (medicamentos). Muchas enfermedades mortales han sido eliminadas debido al desarrollo de m�todos qu�micos y bioqu�micos para su control y desaparici�n. Actualmente, cientos de profesionales se dedican afanosamente a la b�squeda de remedios y/o vacunas para el s�ndrome de inmuno deficiencia adquirida (SIDA).
Tambi�n es importante reconocer que existen procesos qu�micos y tecnol�gicos que conllevan resultados perjudiciales para la salud de los seres vivos, por ejemplo, la contaminaci�n, la producci�n de basura, los efectos secundarios de algunos pesticidas, etc., que amenazan a nuestro planeta y pueden causar que se vuelva inhabitable.
El conocimiento de las reacciones qu�micas es importante, no s�lo para los especialistas sino tambi�n para la sociedad, ya que ayuda a crear una conciencia sana y responsable en la preservaci�n de nuestro medio ambiente y, en t�rminos generales, de la vida en nuestro planeta.
Para poder conocer un poco de estos procesos es necesario ver de manera sencilla aquello que los qu�micos llaman reacci�n qu�mica.
Ya hemos visto que la materia (s�lidos, l�quidos y gases)est� formada por �tomos que a su vez se combinan con otros �tomos y mol�culas para producir muchas sustancias que conocemos y usamos. En la producci�n de nuevos compuestos, se absorbe o se desprende calor.
Se llama termoqu�mica al estudio de los cambios de calor que ocurren durante una reacci�n qu�mica. Ya hemos visto que la cantidad de calor que se transfiere de un sistema a otro se identifica con la letra Q. Cuando en una reacci�n qu�mica el calor ha entrado al sistema, Q es positivo y a la reacci�n qu�mica se le llama endot�rmica; si el sistema pierde calor; Q es negativo y la reacci�n se llama exot�rmica.
En la introducci�n de este libro hemos mencionado el fen�meno de la combusti�n. La combusti�n es un caso particular de las reacciones de oxidaci�n en las cuales una sustancia (o elemento) reacciona con el ox�geno. Para ilustrarlo veamos la reacci�n de oxidaci�n de un metal:
Metal + ox�geno = �xido met�lico + absorci�n o desprendimiento de calor
Es bien conocido que si se deja un metal, por tiempo prolongado, expuesto al
aire, su superficie se transforma por la formaci�n del �xido. Por ejemplo,
los clavos "oxidados" recubiertos de herrumbre. Esta oxidaci�n de la superficie
se llama corrosi�n. 2 En
el caso de nuestro ejemplo, la humedad es un factor importante en la aceleraci�n
de la formaci�n del �xido de fierro. Por la corrosi�n, al transcurrir el tiempo,
pueden descomponerse o utilizarse maquinarias, transportes, reactores, etc.
En nuestro pa�s, la sola corrosi�n del metal fierro ocasiona p�rdidas por
millones o billones de pesos.
Los especialistas en corrosi�n, mediante el estudio de las reacciones qu�micas, pueden detener y a veces eliminar estos efectos cuando son indeseables.
Algunos metales, como el cinc, n�quel, aluminio y el cromo, entre otros, no necesitan ser protegidos de manera especial contra la corrosi�n, bien sea porque no se oxidan con el aire (el aire contiene 1/5 parte de ox�geno) o porque cuando se forma una capa muy delgada del �xido, �ste mismo sirve de protecci�n al resto del material para que no se siga oxidando. Por esta raz�n se usan como metales protectores de otras superficies m�s vulnerables a los efectos de la corrosi�n. Actualmente se usan tambi�n materiales pl�sticos para recubrir y proteger superficies contra estos efectos.
El lenguaje simb�lico de la qu�mica
En p�rrafos anteriores escribimos una reacci�n de oxidaci�n de la siguiente manera:
Metal + ox�geno = �xido met�lico + absorci�n o desprendimiento de calor
Para representar esta reacci�n de manera m�s econ�mica y hacerla m�s expl�cita,
se utilizan los s�mbolos de los elementos y las f�rmulas qu�micas de los compuestos.
Tomemos como ejemplo de un metal al mercurio, cuyo s�mbolo es Hg. La reacci�n
qu�mica de oxidaci�n del mercurio se expresar�a en el lenguaje de la qu�mica:
Traduzcamos ahora, al lenguaje com�n, toda la informaci�n contenida en esta
ecuaci�n qu�mica. Primero veremos el significado de la ecuaci�n y m�s
adelante trataremos la informaci�n contenida en el recuadro.
Hg es el s�mbolo del mercurio y proviene del nombre original que se le dio en lat�n a este elemento: hydrargirium (que en espa�ol quiere decir plata l�quida). Hg es, por lo tanto, una abreviatura del nombre.
(s) es una abreviatura de la palabra s�lido.
(+) este signo, igual al de "suma" en las ecuaciones matem�ticas, indica que el mercurio se unir� o combinar� con el elemento que sigue a continuaci�n.
(O2) O es el s�mbolo del ox�geno y el n�mero 2 indica que se trata de una mol�cula de ox�geno formada por 2 �tomos.
(g) indica que el ox�geno est� en estado gaseoso.
La flecha sustituye al signo = de nuestra ecuaci�n original simplemente porque la flecha puede hacerse del tama�o que se desea y a veces se puede poner informaci�n adicional sobre ella. En realidad no necesita mayor justificaci�n: �los qu�micos la prefieren!
A los elementos a la izquierda de la flecha, en nuestro caso el Hg y el O2, se les suele llamar reactivos, y a los que est�n en el lado derecho de la flecha, productos. Quiz� con esto hemos encontrado una justificaci�n al uso de la flecha; los qu�micos dicen: "El mercurio al reaccionar con el ox�geno produce �xido de mercurio." As� pues, la flecha est� en lugar de la palabra produce, el uso del signo = ser�a incorrecto, ya que de ninguna manera el mercurio y el ox�geno como elementos son "iguales" al �xido de mercurio, que es un compuesto.
Es importante saber si en una reacci�n qu�mica los productos pueden volver
a reaccionar para formar los reactivos originales. Cuando esto sucede, se coloca
en la ecuaci�n una segunda flecha en sentido contrario:
A + B 
C + D
En este caso se dice que la reacci�n es reversible: puede ocurrir de derecha a izquierda y viceversa. Un ejemplo de una reacci�n reversible es la del hierro (Fe) con vapor de agua para producir el �xido de hierro 11-111 (Fe3O4) e hidr�geno (H2):
3 Fe + 4 H2O
Fe3 O4 + 4 H2
Si se hace pasar vapor de agua sobre hierro caliente, la reacci�n procede de
izquierda a derecha. Pero si se hace reaccionar hidr�geno con Fe3O4,
la reacci�n procede de derecha a izquierda. Por cierto, al Fe3O4
le llamamos magnetita o, m�s com�nmente, piedra im�n. Generalizando, para una
reacci�n del tipo:
A + B
C + D,
cuando ambas reacciones llegan a un estado en el cual se est�n formando C y D por reacci�n de A con B, con la misma rapidez que se combinan C y D para formar nuevamente A y B, se dice que se ha alcanzado un estado de equilibrio din�mico. Este equilibrio es funci�n de la temperatura, de la presi�n y de las cantidades en exceso de reactivos o productos que puedan estar presentes.
En todas las reacciones qu�micas ocurren cambios de energ�a, es decii; se puede absorber o liberar energ�a en forma de calor, luz, energ�a el�ctrica, etc�tera.
Si en una reacci�n se libera energ�a en forma de calor; decimos que la reacci�n es exot�rmica; si la energ�a es absorbida, entonces la reacci�n es endot�rmica.
La manera de expresar esto en el lenguaje de las reacciones qu�micas es mediante el s�mbolo DH (cambio de entalp�a), que precedido de un signo negativo (-DH) indica que la energ�a es liberada; otra forma de expresar lo mismo es DH < O, esto es, que DH es menor que cero. Si en la reacci�n se absorbe energ�a, se antepone un signo + (+DH) o bien en su forma equivalente DH > O (DH es mayor que cero).
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MgO (s); DH < 0
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HgO (s); DH < 0
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Lo anterior lo podemos resumir en este cuadro:
El s�mbolo H representa la entalp�a del sistema y es una funci�n
con propiedades semejantes a la energ�a interna (U). Cuando
los procesos se llevan a cabo a presi�n constante, es m�s conveniente utilizar
la funci�n entalp�a.3
Un ejemplo de una reacci�n exot�rmica com�n es la combusti�n del gas natural:
Se obtienen unas 13 300 calor�as por cada gramo de metano (CH4) quemado.
Un ejemplo de reacci�n endot�rmica es la producci�n del ozono (O3).
Esta reacci�n ocurre en las capas altas de la atm�sfera, donde las radiaciones
ultravioleta proveen la energ�a del Sol. Tambi�n ocurre cerca de descargas el�ctricas
(cuando se producen tormentas el�ctricas):
El olor del ozono puede usted reconocerlo aun en peque�as cantidades, por ejemplo: cuando un tren el�ctrico de juguete est� en operaci�n y saltan chispas. Es un olor irritante.
Figura 34. Foto de un d�a muy contaminado.
Figura 35. Representaci�n gr�fica que muestra las fuentes y las magnitudes
relativas de la contaminaci�n del aire en EUA.
Si usted vive en la ciudad de M�xico o conoce el problema de contaminaci�n que en ella existe, seguramente que la palabra ozono le producir� gran preocupaci�n, si est� usted pendiente de los informes que la Secretar�a de Medio Ambiente, Recursos Naturales y Pesca (SEMARNAP) presenta al respecto. �Qu� reacciones qu�micas est�n ocurriendo en la atm�sfera de esta ciudad que causan una excesiva cantidad de ozono, tan perjudicial para la salud?
Desde luego no es la reacci�n natural, que hemos descrito y que ocurre en las capas altas de la atm�sfera (estratosfera) ya que las radiaciones (fotones) no alcanzan la superficie terrestre. Los cient�ficos no tienen todav�a respuestas absolutas con respecto a este proceso de contaminaci�n pero piensan que, al menos de manera parcial, puede ocurrir lo siguiente:
El di�xido de nitr�geno (NO2) es un componente normal del aire, y se disocia por la acci�n del Sol en la siguiente reacci�n:
El ox�geno at�mico (O) formado, reacciona a su vez con el ox�geno molecular (O2) presente en el aire.
El ozono producido vuelve a reaccionar con el NO de la primera reacci�n:
en un ciclo natural que evita la producci�n excesiva de ozono en la superficie.
Sin embargo, pruebas realizadas en el laboratorio demuestran que ciertos tipos de hidrocarburos producidos con los gases de combusti�n de los motores (sobre todo de la gasolina de los autotransportes) parecen alterar este ciclo natural del NO2. Estos hidrocarburos reaccionan con el ox�geno y los productos formados reaccionan a su vez con el NO para formar NO2. En esta forma, se aumentan las proporciones de O3 y O2 al ser eliminado el NO.
Tanto el exceso de O3 como el de NO2 son
peligrosos para plantas y animales. El NO2 es un gas picante,
de olor dulz�n, de color caf� amarillento (�usted recuerda el color del llamado
smog?). Otro efecto peligroso es que cuando este exceso de NO2
reacciona con vapor de agua se forma el �cido n�trico (HN03), compuesto
muy conocido, que forma parte de la llamada lluvia �cida, otro de los
desastres de las ciudades muy contaminadas. Otro componente de la lluvia �cida,
el m�s importante, es el �cido sulf�rico (H2SO4)
que se forma debido a un exceso del elemento azufre (S) tambi�n presente
en el petr�leo. El azufre, durante la combusti�n, forma SO2
y SO3, que se combinan con las mol�culas de H2O:
La energ�a asociada con las reacciones qu�micas est� relacionada con las energ�as
de uni�n entre los �tomos que forman las mol�culas. Este proceso es complejo,
ya que durante una reacci�n algunas uniones qu�micas se rompen y otras se forman.
Por ejemplo, en la formaci�n del ozono a partir de ox�geno:
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Se rompen uniones (se absorbe energ�a para romperlas) |
Se forman uniones (al formarse se libera energ�a pero en menor cantidad) |
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En el caso de la reacci�n de combusti�n del gas natural (metano):
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Se rompen uniones CH Se rompen uniones O2 (Se absorbe menos energ�a) |
Se forman uniones CO Se forman uniones OH (Se libera m�s energ�a) |
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En los motores de combusti�n interna de la mayor�a de los autom�viles, se aprovecha la energ�a que se desprende de la combusti�n de la gasolina. Al quemarse el combustible dentro del cilindro, el gas formado genera el movimiento del pist�n y posteriormente este movimiento sirve para mover las ruedas del autom�vil. Desafortunadamente s�lo 20 % de la energ�a contenida originalmente en el combustible se transforma efectivamente en trabajo �til, esto es, gran parte de la energ�a se desperdicia.
Conocer los cambios de energ�a asociados con una determinada reacci�n qu�mica nos ayudar� a determinar las posibilidades de que esta reacci�n ocurra f�cilmente en la naturaleza. En general, es m�s f�cil que se den reacciones exot�rmicas, ya que las endot�rmicas requieren de un suministro de energ�a. Sin embargo, conocer el DH de una reacci�n no es suficiente para asegurar que esta reacci�n ocurrir� o no. Tambi�n es necesario conocer otras caracter�sticas como, por ejemplo, la necesidad de una cierta energ�a de activaci�n para que se inicie la reacci�n. Estos aspectos no son temas del presente libro por lo que sugerimos al lector interesado revisar un libro de termodin�mica b�sica.
Por otra parte, el conocimiento de las variables termodin�micas tampoco nos ser� de utilidad para establecer la rapidez con que puede ocurrir una reacci�n. Recordemos que la termodin�mica cl�sica s�lo estudia sistemas en equilibrio. La rapidez de una reacci�n qu�mica se suele expresar en t�rminos de cantidad de productos obtenidos por unidad de tiempo o, alternativamente, cantidad de reactivos que se consumen por unidad de tiempo. El estudio de la rapidez con que puede ocurrir una reacci�n y los factores que afectan dicha rapidez, corresponde a otra rama de la qu�mica: la cin�tica qu�mica.
En la secci�n anterior hemos visto c�mo est�n asociadas las reacciones qu�micas con los cambios de energ�a, principalmente en su forma de calor.
El ingenio del hombre ha permitido construir sistemas en los que se utilizan otras reacciones qu�micas que liberan energ�a, pero no en forma de calor sino como una corriente el�ctrica. Son las conocidas pilas, una de cuyas versiones utilizamos diario para proveer de energ�a diversos aparatos port�tiles como radios de transistores, grabadoras, linternas, etc. Esta pila com�n es la "pila seca" o pila de Leclanch�.
As� como algunas reacciones qu�micas nos proporcionan energ�a el�ctrica, en ocasiones podemos utilizar el proceso inverso: si aplicamos corriente el�ctrica a un sistema qu�mico, podemos producir reacciones qu�micas y lograr que la energ�a quede acumulada como energ�a interna en los productos de la reacci�n. Un caso interesante es el acumulador que utilizan los autom�viles, ya que en �l se presenta la interconversi�n de energ�a el�ctrica y qu�mica. Para que el motor arranque se requiere de energ�a el�ctrica, la cual es proporcionada por una reacci�n qu�mica que se produce en el acumulador. Una vez puesto el motor en marcha, un dispositivo genera corriente el�ctrica que es suministrada al acumulador para recargarlo". Si cuidamos el acumulador, el ciclo de carga-descarga se puede llevar a cabo miles de veces.
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Debido a los problemas de contaminaci�n, los investigadores de todo el mundo est�n perfeccionando los autom�viles el�ctricos. En gran medida, el buen �xito de este tipo de transporte se basa en la invenci�n de acumuladores m�s eficientes.
Generalmente asociamos la energ�a el�ctrica con un flujo de electrones en el interior de un material conductor. Sin embargo, en los sistemas electroqu�micos, el transporte de carga se realiza tambi�n gracias a un movimiento de �tomos y mol�culas con carga, llamados iones.
Figura 36. Las principales fuentes de contaminaci�n.
Ya sabemos lo peligroso que resulta el manejar un aparato el�ctrico con las manos mojadas, debido a que el agua, que normalmente contiene diversas sales, resulta ser muy buen conductor de la corriente el�ctrica y disminuye la resistencia de nuestra piel al paso de una descarga. En realidad, el agua pura es muy mala conductora de la electricidad. Sin embargo, las sustancias qu�micas disueltas, presentes en forma de iones, son las responsables de la aparente buena conductividad del agua.
