lunes, 10 de abril de 2017

5 REACCIONES QUÍMICAS III, ENERGÍA, REVERSIBILIDAD Y ACIDEZ

5.1 Por flujo de energía

Cuando observamos ciertas reacciones químicas, podemos comprobar que no solo hay una transformación en la naturaleza química de la especie reactante, también hay un cambio energético. Por ejemplo, reacciones como la del gas del cloro y el sodio metálico son evidentemente explosivas, y no falta ser un genio para señalar que liberan grandes cantidades de energía. Otras reacciones como la electrolisis del agua, para producir gas de oxígeno y de hidrógeno requiere invertir una gran cantidad de energía, en este caso se da una absorción energética.

De esto podemos desprender una clasificación de las reacciones en torno a sus necesidades energéticas. Las reacciones exergónicas son aquellas que liberan energía, ya sea en forma de luz, calor, electricidad o combinaciones de las anteriores y otras más. Las reacciones endergónicas son aquellas que absorben energía, ya sea calor, electricidad o luz. 

A parte de esto, si tomamos las leyes cero y segunda de la termodinámica podemos decir que, dado que la energía tiende a dispersarse con el tiempo, y que las reacciones exergónicas hacen precisamente eso, podemos concluir que las reacciones exergónicas tenderán a ser espontáneas, se producen naturalmente con más facilidad ya que tienen a cumplir con más fluidez las leyes cero y segunda de la termodinámica. Las reacciones endergónicas por otra parte, tienden a acumular energía, y aunque generalmente no son imposibles, si requieren de ciertas condiciones para darse, en especial se requiere un donante de energía externo al sistema químico. A este tipo de reacciones las denominamos generalmente no espontáneas. 

De lo anterior obtenemos generalmente una relación directa: Las reacciones exergónicas son generalmente reacciones espontaneas; mientras que las reacciones endergónicas son generalmente reacciones no espontáneas. Cuando se realiza el balanceo en una reacción química, no solo debe hacerse el balanceo de masas y balanceo de cargas, también debe realizarse el balanceo energético.

Ahora bien, dependiendo del tipo de energía, las reacciones exergónicas y endergónicas pueden reclasificarse. En ese sentido lo mas común es emplear las energías térmica y lumínica. De esta manera emergen las categorías de exotérmicas y endotérmicas según liberan o absorben calor; o exolumínicas y endolumínicas según emiten o absorben luz.

5.2 Por reversibilidad

Las reacciones químicas completas cuando todo el reactivo es convertido al producto (o al menos infinitesimalmente). En este caso, debemos escribir un signo = o mejor “y de hecho infinitamente más común” una flecha →, en el sentido en que se da la trasformación, con la punta indicando la generación de los productos de la reacción. En ellas los productos reactantes se van consumiendo hasta que desaparece alguna de las especies químicas a un nivel infinitesimal. Hay reacciones que se detienen antes de que todo el reactante se haya consumido y convertido en la especie química producto. La paralización del proceso químico es meramente aparente; sucede que los productos resultantes, a medida que se forman, reaccionan entre sí para regenerar el reactivo de partida.

La notación de doble flecha con punta incompleta de una reacción reversible en equilibrio (1) resume dos procesos que se dan de manera simultánea (2, 3). Se dan entonces dos reacciones independientes, simultáneamente, pero en sentido inverso. En las reacciones reversibles se alcanza un estado en el cual la conversión entre las reacciones opuestas se equilibra, generando un estado de aparente estabilidad.  A esta condición se la denomina equilibrio. Alcanzado el equilibrio en una reacción química, las masas aparentes de reactivos y productos no cambia a través del tiempo.

Ahora teniendo claro lo anterior, es posible clasificar las reacciones químicas en reversibles o irreversibles. Las reacciones reversibles son aquellas que tienden a establecer equilibrios químicos entre productos y reactivos, lo cual tra como consecuencia directa que jamás se comsume todo el reactivo, pues este es regenerado por la reacción en reversa. Las reacciones irreversibles por otro lado solo poseen un sentido y en consecuencia es posible consumir la totalidad del reactivo.

Referencias básicas: (Blei & Odian, 2006; Brown & Holme, 2013; Brown, LeMay, Bursten, Murphy, & Woodward, 2009; Chang & Overby, 2011; Chang, 2010; Ebbing & Gammon, 2008; Gilbert, Kirss, Foster, & Davies, 2012; Gorzynski, 2010; Jespersen, Brady, & Hyslop, 2012; Matamála & Gonzalez, 1976; McMurry, Castellion, & Ballantine, 2007; McMurry, 2012; Petrucci, Herring, Madura, & Bissonnette, 2010; Silberberg, 2009; Stoker, 2013; Timberlake, 2015; Whitten, Davis, Peck, & Stanley, 2010; Zumdahl & Zumdahl, 2007)

5.3 Reacciones ácido-base

Las reacciones ácido base son un poco difíciles de explicar, en el sentido de que hay al menos dos teorías ácido-base de uso común, sin embargo nos restringiremos exclusivamente a la más simple y con mayor repercusión en otras áreas de la ciencia como la bioquímica y la biología, es decir, la teoría de Bronsted-Lowry. En estas reacciones los ácidos se definen como toda sustancia que aumenta la cantidad de iones protio(1+) en un sistema acuoso, mientras que una base será toda sustancia que disminuye la cantidad de iones protio(1+) en el sistema. Los iones hidroxilo(1-) pueden ser base, pero otras como el azano “vulgarmente llamado amoniaco” también pueden serlo. En ambos casos  se captura un ion protio(1+) transformando al ion  hidroxilo(1-) en agua o al azano en azanio “antes conocido como ion amonio”.

En la teoría de ácidos y bases de Lewis, la acidez se define como una afinidad para atraer electrones o a unirse a zonas donde hay electrones sin capturarlos. Esto implica que todo agente oxidante es un ácido de Lewis, pero también lo serán las sustancias que magnéticamente sean atraídas por zonas negativas, lo cual a su vez implica que todo catión “sustancia cargada positivamente” es un ácido de Lewis. Las bases de Lewis serán entonces sustancias que tienden a donar electrones, como los metales. Bajo esta perspectiva el indicador universal de acidez en la teoría de Bronsted-Lowry que es el ion protio(1+) es un ácido de Lewis al poseer carga positiva y ser atraído por zonas de carga negativa.

Referencias básicas: (Blei & Odian, 2006; Brown & Holme, 2013; Brown, LeMay, Bursten, Murphy, & Woodward, 2009; Chang & Overby, 2011; Chang, 2010; Ebbing & Gammon, 2008; Gilbert, Kirss, Foster, & Davies, 2012; Gorzynski, 2010; Jespersen, Brady, & Hyslop, 2012; Matamála & Gonzalez, 1976; McMurry, Castellion, & Ballantine, 2007; McMurry, 2012; Petrucci, Herring, Madura, & Bissonnette, 2010; Silberberg, 2009; Stoker, 2013; Timberlake, 2015; Whitten, Davis, Peck, & Stanley, 2010; Zumdahl & Zumdahl, 2007)

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