Ficha temática
ASIGNATURA: Química
Aprendizajes esperados:
- Que el alumno comprenda la diferencia entre un proceso físico y un proceso químico. Que conozca cómo está involucrada la energía en una reacción química y por qué se llevan a cabo las reacciones químicas.
CRÉDITOS
Facultad de Química
- Alexander Álvarez Holly Idea original
- IQ Adela Castillejos Salazar Alexander Álvarez Holly Contenido
- Said Yemille Ortega Rosales Apoyo a contenido
- IQ Adela Castillejos Salazar Supervisión académica
Dirección General de Cómputo y de Tecnologías de Información y Comunicación
- Beatriz Rosales Rodríguez Desarrollo de sistemas
- Cristina Salgado Ceballos Diseño gráfico
- Antonio Eder Navarro Mendoza Animación 2D
- David Buitrón Grabación y edición de video
- Alexander Álvarez Holly Diseño didáctico
- Cristina Salgado Ceballos Apoyo a corrección de estilo
- Mario Alberto Hernández Mayorga Coordinación del desarrollo
- Teresa Vázquez Mantecón Coordinación del proyecto
Bibliografía
- Olaf A. Hougen, Kenneth M. Watson, Roland A. Ragatz (1982). Principios de los procesos químicos. Balances de materia y energía. España. Editorial Reverté.
- Fogler, H.Scott. (2006). Elements of chemical reaction engineering. United States. Pearson Education.
- Raymond Chang, Kenneth A. Goldsby (2012). Chemistry. United States. McGraw-Hill.
- Theodore L. Brown, H. Eugene LeMay, Jr., Bruce E. Bursten, Julia R. Burdge (2004). Química: La ciencia Central. México. Prentice Hall.
- Daniel C. Harris. (2007). Análisis químico cuantitativo. España. Reverté.
- Chemistry. (2013). Chemistry. United States. Cengage Learning.
- Dehydration of Sugar. Consultado el 10 de abril de 2015 en http://bit.ly/1FGeSVV
La reacción queda representada por la siguiente ecuación química 2H2(g)+O2(g)→2H2O(g). Las ecuaciones químicas son una manera de representar lo que ocurre en una reacción química. Esta ecuación nos dice que dos moléculas de hidrógeno en estado gaseoso reaccionan con una de oxígeno en estado gaseoso, para formar dos moléculas de agua en estado gaseoso.
Conclusión general
Podemos decir que una reacción química se ha llevado a cabo, cuando una o más sustancias han perdido su identidad y han asumido una nueva forma, debido a un cambio en el tipo o número de átomos en la sustancia, o por un cambio en la estructura o configuración de estos átomos. Es decir, se ha formado al menos una sustancia completamente nueva.
Reacción química
Correcto, cada ácido clorhídrico contiene un hidrógeno, el coeficiente del compuesto indica que reaccionan dos de ácido clorhídrico por una de Zinc. Al reaccionar se produce el hidrógeno gaseoso.
El símbolo del hidrógeno es H. ¿De qué sustancia crees que salió el hidrógeno?
Muy bien, precisamente esa es la función de los catalizadores, aceleran la velocidad de las reacciones químicas, pero no son un reactivo ni producto de la reacción.
Presta atención a lo que se menciona en el video y observa la ecuación química. ¿El MnO2 es un reactivo?
Acertaste, más adelante verás por qué tienes razón.
La respuesta correcta es a), pero no te preocupes, más adelante entenderás por qué no se llevó a cabo la reacción.
Correcto, la explosión generó un sonido muy fuerte. Esto significa que se liberó energía de forma violenta debido a la reacción química.
Pon mucha atención a lo que se escucha. ¿A qué crees que se debe el sonido generado en el video?
La explosión indica que se liberó energía de manera súbita, misma que se produjo debido a la reacción química.
Correcto, todas las reacciones químicas necesitan energía para llevarse a cabo. Algunas reacciones necesitan tan poca energía que el medio brinda la energía necesaria para que ocurran y no es necesario suministrar más, como por ejemplo, agregando energía calorífica.
Cuando te acercas a una fogata en una noche fría es para que te proporcione...
Todas las reacciones químicas necesitan energía para llevarse a cabo. En este caso, la flama la brindó en forma de calor. Algunas reacciones necesitan tan poca energía que el medio suministra la necesaria para iniciar la reacción.
Conclusión
Recuerdas la pregunta: ¿Por qué el oxígeno y el hidrógeno no reaccionan entre sí dentro de la botella si se sabe que esta reacción produce agua?
La reacción no ocurre, como ya mencionamos, porque es necesario proporcionar energía para que se lleve a cabo. La energía que necesitan los reactivos para comenzar una reacción química es conocida como energía de activación.
Ya observaste lo que ocurre a nivel macroscópico. Con la siguiente representación podrás entender el proceso también a nivel molecular.
Arrastra los átomos de los elementos de hidrógeno y oxígeno dentro de los cuadros para formar las moléculas correspondientes a los reactivos.
Forma las moléculas que son producto de esta reacción: arrastra los átomos de hidrógeno y oxígeno donde creas que van. Muchas moléculas presentan simetría, eso puede ayudarte para resolver el ejercicio.
Muy bien
Vuelve a intentarlo, recuerda contar todos los átomos representados, tanto los de oxígeno como los de hidrógeno.
En los reactivos se representan cuatro átomos de hidrógeno y dos de oxígeno.
Muy bien, como puedes observar en una reacción química se transforma la materia, pero no se crea ni se destruye, por tanto, la cantidad de átomos de cada elemento debe ser la misma antes de la reacción como después de la reacción. Entonces, la masa se conserva. Esta ley llamada "Ley de la conservación en la materia", fue postulada en 1745 por Mijaíl Lomonósov y en 1785 por Antoine Lavoisier, ambos la postularon de manera independiente.
Recuerda contabilizar los átomos de hidrógeno y oxígeno presentes en los productos.
Como puedes observar, en una reacción química la cantidad de átomos de cada elemento debe ser la misma tanto en los reactivos como en los productos.
Este hecho se conoce como Ley de la conservación de la materia: la materia no se crea ni se destruye, sólo se transforma.
Fue postulada en 1745 por Mijail Lomonósov y en 1785 por Antoine Lavosier. Ambos llegaron a ella de manera independiente.
Correcto, como puedes darte cuenta una de las diferencias más notorias en este ejemplo, es que es el estado de agregación de los reactivos es distinto al de los productos. Hay veces que este cambio puede ser cambio en la temperatura de fusión, conductividad térmica y/o eléctrica, densidad, color u otras propiedades físicas. Estos pueden ser criterios para determinar si hubo un cambio en la materia.
Oprime en el nombre de los reactivos.
Los reactivos se encuentran en estado gaseoso, que es diferente al estado de agregación final del producto: líquido. En el video introductorio pudiste observar otras dos reacciones químicas en las que sucedió un fenómeno similar. Reaccionaron sólidos con líquidos para producir gases, cuando se obtuvieron el hidrógeno y el oxígeno.
En otras ocasiones los cambios pueden ser diferentes, como la temperatura de fusión, la conductividad térmica y/o eléctrica, la densidad, color u otras propiedades físicas. Estos pueden ser criterios para determinar si hubo un cambio en la materia.
Puede ser incluso que dos compuestos tengan exactamente los mismos átomos, pero solamente por tener un arreglo distinto se tratan de compuestos diferentes, por ejemplo:
Estas configuraciones diferentes hacen que el compuesto cis-2-buteno y el trans-2-buteno presenten distintas propiedades físicas y químicas. Aunque ambos compuestos tengan cuatro átomos de carbono y ocho átomos de hidrógeno.
Conclusión
En conclusión, todas las reacciones químicas necesitan energía para llevarse a cabo. Esta energía se requiere para romper los enlaces de los reactivos. Como lo viste en el video, la reacción se produce al acercar la flama al frasco. Esto se debe a que para romper los enlaces, en este caso del O2 y del H2, es necesario proporcionar energía. El fuego proporciona esa energía térmica a los reactivos, lo cual les permite reaccionar.
En esta reacción química pudiste observar que la temperatura dentro del matraz aumentó significativamente.
Completa la siguiente oración: Como hubo un aumento de la temperatura eso significa que la (1) requerida para romper los enlaces de los reactivos es (2) que la (3) que libera la formación de nuevos enlaces en los productos.Muy bien, a este tipo de reacciones químicas se les conoce como reacciones exotérmicas. Si la energía que requieren los reactivos para romper sus enlaces fuera mayor a la liberada por los enlaces formados en los productos, la temperatura del sistema hubiera disminuido y tendría el nombre de reacción endotérmica.
Si se libera más energía de la que se necesita para llevar a cabo la reacción. ¿Qué crees que ocurra con la temperatura?
A este tipo de reacciones químicas se les conoce como reacciones exotérmicas. Si la energía que requieren los reactivos para romper sus enlaces fuera mayor a la liberada por los enlaces formados en los productos, la temperatura del sistema hubiera disminuido y tendría el nombre de reacción endotérmica.
Correcto
Fíjate bien en la cantidad de sustancia sólida al inicio y al final del experimento. ¿Qué observaste?
La sustancia sólida dentro del matraz parece que está desapareciendo, pero en realidad, tanto el sólido como la sustancia líquida, se están transformando en otras sustancias.
¡Muy bien! Cómo pudiste observar, cuando una sustancia se consume durante una reacción se trata de un reactivo.
Los productos se forman durante la reacción, por lo que deben ir aumentando en cantidad, lo cual no hizo la sustancia en estado sólido.
Los sólidos son un reactivo, ya que se consumen conforme va a avanzando la reacción.
Muy bien, el sólido (zinc), reacciona con el líquido (ácido clorhídrico), que se agrega generando el gas (hidrógeno), que llena el globo. La reacción generó la producción de una nueva sustancia que no había inicialmente, es decir, el hidrógeno.
Observa la ecuación química. ¿Qué crees que generó que se inflara el globo?
La sustancia en estado sólido (zinc), reacciona con el líquido (ácido clorhídrico), que se agrega generando el gas (hidrógeno), que llena el globo. La reacción generó la producción de dos nuevas sustancias que no había inicialmente: el hidrógeno, que es el gas que infló el globo, y el cloruro de zinc que queda disuelto en el agua presente.
Conclusión
La clasificación de las reacciones químicas es muy amplia y depende el enfoque del estudio para escoger la clasificación más adecuada. En este caso nos enfocamos a lo que ocurre con la reacción en términos energéticos.
Imagina el siguiente caso
Un niño está a una altura 1 con una energía potencial 1 (E1). Recuerda que a mayor altura, mayor energía potencial (E=(masa)(gravedad)(altura) ).
El niño en su estado final, está a una altura 2 con una energía potencial 2 (E2). Como es una altura menor, perdió energía con respecto a su estado inicial. ΔE = E final - Einicial = E2 - E1 = (-)
Ahora imagina el caso contrario
Un niño está a una altura 1 con una energía potencial 1 (E1). Recuerda que a mayor altura, mayor energía potencial (E=(masa)(gravedad)(altura) ).
El niño en su estado final, está a una altura 2 con una energía potencial 2 (E2). Como es una altura mayor, ganó energía con respecto a su estado inicial. ΔE = E final - Einicial = E2 - E1 = (+)
Este ejemplo físico es análogo a lo que ocurre en las reacciones químicas, en ambos casos el niño tuvo que subir la escalera, así como las reacciones químicas necesitan energía para llevarse a cabo. Dependiendo si se libera o se absorbe energía al final de la reacción, ésta puede ser exotérmica o endotérmica.
Oprime el botón de reproducir para comenzar el experimento.
Oprime el botón de reproducir y observa qué es lo que ocurre.
Como pudiste darte cuenta, los vasos de precipitado contenían sustancias diferentes y al mezclarse con el contenido del tubo de ensayo ocurrieron dos reacciones distintas. El cambio de coloración puede ser una prueba cualitativa para identificar que se llevó a cabo una reacción química.
En el tubo de ensayo hay una disolución que contiene el ion níquel (II); en el vaso de precipitado de la izquierda hay una disolución con ion cianuro (CN-) y en el vaso de precipitado de la derecha hay una disolución que contiene amoniaco (NH3) . Ahora oprime el botón reproducir para verter la sustancia del tubo de ensayo al vaso de precipitado de la izquierda.
Ahora vierte la disolución del vaso de precipitado de la izquierda al de la derecha oprimiendo el botón de reproducir.
Correcto, de hecho son disoluciones muy diferentes como lo verás a continuación.
En los laboratorios, hay que etiquetar todas las disoluciones aunque sean incoloras ya que pueden tratarse de sustancias diferentes al agua.
Si disuelves cloruro de sodio en agua, la disolución es distinta a la que obtienes si disuelves azúcar en agua. Ambas disoluciones son incoloras, pero diferentes.
Exacto, claramente hubo una reacción debido al cambio de color en la disolución, no es ni incolora ni de color verde como la del tubo de ensayo, quiere decir que se produjo algo completamente diferente.
El color de la sustancia líquida dentro del vaso precipitado cambió del verde que tenía la sustancia en el tubo de ensaye, a azul. Lo que parece indicar que ocurrió una reacción química.
Exacto, claramente hubo una reacción debido al cambio de color en la disolución, no es ni incolora ni de color verde como la del tubo de ensayo, quiere decir que se produjo algo completamente diferente.
La disolución del vaso de precipitado no se volvió verde como la del tubo de ensayo, entonces al menos no fue una simple mezcla. Entonces hubo un cambio de lo que había en la disolución.
Los cambios de color al mezclar dos sustancias, pueden indicar que hubo una reacción química porque se produce algo completamente diferente a lo que se tenía al inicio. Éste fue el caso.
Ahora vierte la disolución del vaso de precipitado del lado izquierdo al del lado derecho oprimiendo el botón de reproducir.
¿En cuál de los vasos crees que se forma el compuesto más estable?
Como pudiste observar, al mezclar ambas disoluciones, el color azul desaparece, lo cual nos indica que el compuesto responsable de este color ya no está. Por tanto, el más estable (con menor energía), es el responsable del color amarillo.
Fíjate de nuevo. ¿Cuál es el color que se mantiene?
En el vaso con la disolución amarilla se forma el compuesto más estable.
Exacto, a pesar de que esta vez no pusimos níquel con cianuro, el vaso de precipitado de la izquierda ya contenía níquel. Entonces como el compuesto de cianuro-níquel es el más estable, hace que el compuesto de níquel y amoniaco se rompa para dar lugar a la formación del compuesto de níquel-cianuro, es por eso que desaparece el color azul y forma el color amarillo.
Recuerda qué compuesto es el más estable.
A pesar de que esta vez no pusimos níquel con cianuro, el vaso de precipitado de la izquierda ya contenía níquel. Entonces como el compuesto de cianuro-níquel es el más estable, hace que el compuesto de níquel y amoniaco se rompa para dar lugar a la formación del compuesto de níquel-cianuro, es por eso que desaparece el color azul y forma el color amarillo.
Conclusión
Las especies químicas responsables de las reacciones involucradas son: iones de níquel en el tubo de ensayo, amoniaco en el vaso de precipitado izquierdo y cianuro en el vaso del lado derecho.
El compuesto de níquel con cianuro (amarillo), es mucho más estable que níquel con amoniaco (azul), es por eso que el color amarillo se mantiene al mezclar las disoluciones, ya que se rompen los enlaces del compuesto níquel-amoniaco formando iones de níquel, produciendo más del compuesto amarillo con el cianuro restante de la disolución amarilla.
Conclusión
En las reacciones químicas se ve favorecida la formación de los compuestos más estables. Cuando se tienen dos o más reactivos que pueden reaccionar con la misma especie química, la especie reaccionará primero con el reactivo o los reactivos con el que forme el compuesto más estable.
Es por esto que, por ejemplo, una botella de agua no reacciona con el agua que contiene, debido a que tanto el agua como el plástico son compuestos estables, lo cual no da lugar a que se den otras reacciones fácilmente.
Oprime el botón de reproducir para comenzar la agitación. Después se verterán dos cucharadas de azúcar dentro del vaso de precipitado.
Aumenta la temperatura de la parrilla oprimiendo el botón de reproducir.
Muy bien, el azúcar se disolvió en el agua. La agitación ayudó a que este proceso se lleve a cabo de manera más rápida.
¿Qué le ocurre al azúcar cuando la viertes en tu café?
El azúcar se disolvió en el agua. La agitación ayudó a que este proceso se lleve a cabo de manera más rápida.
Correcto, en un momento verás por qué tienes razón.
Continúa con la siguiente parte del ejercicio para ver si lo que contestaste estuvo bien.
Sí, en el fondo hay azúcar. Lo que significa que el azúcar nunca cambió a pesar de disolverla en agua. Una característica importante de las reacciones químicas, es que se transforma la materia. Los reactivos se transforman en otras sustancias que son los productos.
Lo que hay en el fondo del vaso es azúcar, lo que significa que el azúcar nunca cambió a pesar de disolverla en agua. Una característica importante de las reacciones químicas, es que se transforma la materia. Los reactivos se transforman en otras sustancias que son los productos.
Oprime el botón de reproducir para comenzar el experimento.
Correcto, se llevó a cabo una reacción química y el producto de la reacción es lo que observas.
¿Realmente crees que eso negro es azúcar?
Lo que se formó no es azúcar, lo que observas es producto de una reacción química.
Muy bien. El líquido dentro del vaso es ácido sulfúrico, un compuesto muy corrosivo. La reacción queda representada por la siguiente ecuación química: C12H22O11(s) + 2H2SO4(ac) → 11C(s) + CO2(g) + 13H2O(l) + 2SO2(g) En esta puedes apreciar el carbono que se produjo.
¿Qué se forma principalmente después de quemar la leña en una fogata?
El líquido que se vertió dentro del vaso era una disolución concentrada de ácido sulfúrico, un compuesto muy corrosivo. La reacción queda representada por la siguiente ecuación química, en la cual puedes observar al carbono como producto: C12H22O11(s) + 2H2SO4(ac) → 11C(s) + CO2(g) + 13H2O(l) + 2SO2(g)
Correcto, algunas reacciones en las cuales se forma agua como producto, se les conoce como deshidratación. En este caso es la deshidratación de la sacarosa.
Trata de recordar cómo se le llama al proceso cuando los seres humanos perdemos agua.
A este proceso se le conoce como deshidratación, algunas reacciones en las cuales se forma agua como producto, se les conoce como deshidratación. En este caso es la deshidratación de la sacarosa.
Conclusión
Como pudiste ver, cuando hay cambios tan notables en la materia es sencillo concluir que hubo una reacción química. No siempre es así, ya que algunas reacciones pueden llevarse a cabo dejando pocas pistas para determinar si así lo hicieron. Entonces es necesario utilizar métodos cuantitativos para determinar si una reacción se llevó a cabo.
Oprime el botón de reproducir para verter la disolución de nitrato de plomo (II) al vaso A.
Oprime el botón reproducir para verter la disolución de yoduro de potasio al vaso A y observa lo que sucede.
Muy bien
Correcto, cuando se forma un sólido en una disolución, producto de mezclar disoluciones, se trata de una reacción química. A este tipo de reacciones se les conoce como reacciones de precipitación. Estas reacciones son de mucha utilidad para separar iones de una disolución. En este caso podríamos precipitar PbI2 (yoduro de plomo (II) ), y filtrarlo de la disolución para separar el plomo de la disolución.
Si se precipitó al fondo, ¿de qué crees que se pueda tratar?
Se formó un sólido. Cuando se forma un sólido en una disolución, producto de mezclar disoluciones, se trata de una reacción química. A este tipo de reacciones se les conoce como reacciones de precipitación. Estas reacciones son de mucha utilidad para separar iones de una disolución. En este caso podríamos precipitar PbI2 (yoduro de plomo (II) ), y filtrarlo de la disolución para separar el plomo de la disolución.
Muy bien, como vimos en experimentos anteriores, la reacción formará el compuesto más estable. Esta estabilidad está dada por la energía, pero no es la entalpía, es la Energía Libre de Gibbs. Esta determina si un proceso es viable o no (espontaneidad).
La energía libre involucra la entalpía y la entropía(aumento del desorden del sistema).
Que un sistema aumente o disminuya su energía, no nos indica si es viable o no. Una prueba de ello son las reacciones endotérmicas y exotérmicas. Inténtalo de nuevo.
Conclusión
La termodinámica nos indica si una reacción puede llevarse a cabo o no. Tan solo el cambio de entalpía no nos da información suficiente para hacer una conclusión. El parámetro es la energía libre de Gibbs. Este no solo determina si una reacción química es posible de manera natural, si no para cualquier sistema (físico o químico) en el que se esté llevando un cambio. Este tema es muy amplio y sumamente interesante, se recomienda consultar un buen libro de texto de fisicoquímica.
Reactivos. Sustancias que interaccionan y se transforman en una reacción química.
Productos. Sustancia generada en una reacción química como consecuencia de la transformación de los reactivos.
Molécula. Es una agrupación de átomos de forma ordenada y definida. Es la porción más pequeña de una sustancia pura y conserva sus propiedades.
Átomo. Es la porción menor de un elemento químico que interviene en las reacciones químicas. Posee las propiedades características del elemento.
Enlace. Es la unión de dos o más átomos para alcanzar la estabilidad energética.
Conductividad térmica. Propiedad de los materiales que mide la capacidad con la que conducen el calor.
Disolución. Mezcla homogénea de dos o más sustancias que no reaccionan entre sí.