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FÍSICA Y QUÍMICA 2º ESO Cambios en la materia. Reacciones químicas

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1. Cambios físicos y químicos.

2. Las reacciones químicas.

Concepto.

Representación.

La reacción química a nivel microscópico.

Ley de Conservación de la Masa. Ajuste de ecuaciones químicas.

Tipos de reacciones químicas.

3. Las reacciones químicas en nuestro entorno.


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1. CAMBIOS FÍSICOS Y QUÍMICOS.

Vivimos rodeados de cambios. A lo largo de nuestra vida observamos y experimentamos cambios constantemente, generando en nosotros la conocida sensación del “paso del tiempo”.

Desde siempre, la Ciencia estudia los cambios, a los que denomina fenómenos, tratando de encontrar

sus causas y las regularidades que los gobiernan. Pero, ¿son todos los cambios de la misma naturaleza? Sin duda, nuestra propia percepción nos indica que no. Algunos cambios apenas alteran el devenir de

las cosas, mientras que otros modifican considerablemente el curso de los acontecimientos. Desde el punto de vista científico, podemos distinguir entre cambios (o fenóme nos) FÍSICOS y

QUÍMICOS.

- Se consideran cambios físicos aquellos procesos que no alteran la naturaleza de las sustancias implicadas en ellos. Indiquemos algunos ejemplos:

Calentamiento. No cambia la naturaleza de las sustancias, tan sólo lo hace su temperatura.

Deformación. En este caso sólo cambia la forma del objeto.

Movimiento. Únicamente se modifica la posición de un cuerpo.

- En los cambios químicos, las sustancias que intervienen se transforman; se forman nuevas sustancias que no existían antes del cambio y desaparecen las que ya había. Por tanto, la aparición de sustancias nuevas, que no formaban parte del sistema material antes

del proceso es la característica fundamental de un cambio químico: el sistema cambia su

composición. Son ejemplos de cambios químicos:

Combustión. Cuando la madera arde, de ella y el oxígeno atmosférico iniciales pasamos a tener cenizas, dióxido de carbono y vapor de agua.

Síntesis. A partir de una sustancia como el petróleo es posible obtener otras tan distintas como los plásticos.

Oxidación. Cuando un objeto de hierro se oxida se produce una transformación del metal

en herrumbre: “desaparece el hierro” y “aparece el óxido” En ocasiones no es fácil detectar un proceso químico. Algunos hechos pueden servirnos como

indicativos de un cambio químico: - Cambios de color.

- Aparición de sustancias sólidad (precipitados). - Desprendimiento de gases. - Aumento o disminución de la temperatura.


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2. LAS REACCIONES QUÍMICAS.

2.1. CONCEPTO.

Los cambios químicos reciben el nombre general de reacciones químicas.

Una REACCIÓN QUÍMICA es un proceso en el que, a partir de unas sustancias iniciales, denominadas reactivos, se forman otras nuevas llamadas productos.

Por ejemplo, cuando quemamos gas natural en la cocina, los reactivos son el metano y el oxígeno, y los productos son dióxido de carbono y vapor de agua. Se trata de una reacción química porque aparecen sustancias nuevas. De la misma manera, cuando el hierro se oxida, los reactivos son el hierro y el oxígeno

del aire. El producto es el óxido que se forma. También es una reacción química.

2.2. REPRESENTACIÓN.

Para representar el proceso que tiene lugar durante una reacción química se utiliza la ECUACIÓN QUÍMICA. En ella se escriben las fórmulas de los reactivos a la izquierda como si fuesen sumandos,

dibujar una flecha que indica el sentido del proceso y colocar a la derecha las fórmulas de los productos también como sumandos. Además, se escribe también el estado físico en el que se encuentran las sustancias que participan entre paréntesis, a continuación de la fórmula de cada reactivo o producto. Para

ello se utiliza la siguiente notación:


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ESTADO SÍMBOLO

Sólido (s)

Líquido (l)

Gaseoso (g)

En disolución acuosa (ac)

Observa el ejemplo: La reacción química de oxidación del hierro consiste en la combinación del hierro sólido con el

oxígeno gaseoso del aire (O2) para dar trióxido de dihierro sólido. Para escribir la ecuación química que representa el proceso se colocan los reactivos a la izquierda, una flecha y los productos a la derecha. Por

la información que nos dan, los reactivos son el hierro y el oxígeno, y el producto, trióxido de dihierro. Por tanto la ecuación es la siguiente:

Fe (s) + O2 (g) → Fe2O3 (s)

Reactivos Producto La flecha hacia la derecha indica el sentido de la transformación.

2.3. LA REACCIÓN QUÍMICA A NIVEL MICROSCÓPICO.

Aunque nosotros observamos los procesos químicos a nivel macroscópico, es decir, a simple

vista, la realidad es que estos procesos tienen lugar por la interacción entre las moléculas y los átomos, es decir, a nivel microscópico.

¿En qué consiste una reacción química? Como ya hemos dicho anteriormente, es la transformación de unos reactivos en unos productos; pero, ¿qué sucede realmente para que ocurra esta

transformación? La respuesta tenemos que buscarla en la propia naturaleza de la materia. Como sabemos, la materia está formada por átomos, los cuales se agrupan formando compuestos,

y éstos se representan mediante fórmulas químicas. Cuando los reactivos entran en contacto, los átomos que los forman se reordenan. Esto significa que se rompen algunos enlaces químicos entre ellos y se

forman otros nuevos. Por eso desaparecen los reactivos y aparecen los productos. Podríamos decir entonces que una reacción química consiste en una reorganización de átomos. Por tanto, los átomos que forman los productos son los mismos que formaban los reactivos.

Recordemos el ejemplo de la combustión del metano, CH4. este gas se combina con el oxígeno del

aire, O2, dando como productos dióxido de carbono, CO2 y vapor de agua, H2O. Nosotros sólo vemos la llama, ya que la reacción desprende una gran cantidad de calor. Pero, a nivel microscópico, se rompen los enlaces de las moléculas de metano y de oxígeno y se forman otros enlaces nuevos que dan lugar a la

formación de las moléculas de dióxido de carbono y agua. Como vemos son los mismos átomos pero combinados de otra manera.


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En el calentador se produce la combustión del gas natural:

CH4 + O2 → CO2 + H2O

Reactivos Productos

2.4. LEY DE CONSERVACIÓN DE LA MASA. AJUSTE DE ECUACIONES QUÍMICAS.

LEY DE CONSERVACIÓN DE LA MASA

En 1774 el químico francés Antoine L. Lavoisier realizó la siguiente experiencia: - Calentó estaño en un recipiente cerrado que contenía aire. Como resultado, la superficie del

metal cambiaba de aspecto, ya que se había convertido en óxido. - Pesó cuidadosamente el recipiente antes y después del proceso y comprobó que la masa no había

cambiado.

- Comprobó que el óxido del metal tenía más masa que el metal original. Esto lo explicó porque le metal se combinada con algunos de los componentes del aire.

- Repitió la experiencia con otros materiales, como el plomo, y llegó a resultados similares. En 1789 Lavoisier publicó éste y otros resultados de sus investigaciones y enunció la ley que lleva

su nombre, conocida también como Ley de Conservación de la Masa: “ En todas las reacciones químicas ordinarias la suma total de las masas de los reactivos es igual a la suma total de las masas de

los productos”. Esta ley es una de las fundamentales de la Química, y nos permite determinar la cantidad de una

de las sustancias que ha reaccionado o se ha producido, a partir del valor de todas las demás.

AJUSTE DE ECUACIONES QUÍMICAS


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Hemos visto que, a nivel microscópico, los átomos de los reactivos en una reacción química son

los mismos que los átomos de los productos. Vamos a considerar como ejemplo la reacción de oxidación del hierro. Su ecuación química es la siguiente:

En ella observamos que los átomos de hierro se combinan con los de oxígeno, dando lugar al

óxido. Sin embargo, si contamos a partir de la fórmula los átomos de hierro (Fe) y de oxígeno (O) qie intervienen en este proceso, vemos que no coinciden en reactivos y productos:

Esto ocurre porque nos falta indicar la proporción correcta en la que se combinan los reactivos y se forman los productos. Para indicar esta proporción es necesario AJUSTAR la ecuación química. Para ello se escriben

unos números, llamados COEFICIENTES ESTEQUIOMÉTRICOS. Estos números se colocan delante de las fórmulas y nos dicen en qué proporción se combinan las sustancias que intervienen en la

reacción. Fíjate ahora:

Al escribir los coeficientes se cumple que la cantidad de átomos de cada especie químic a es la misma a ambos lados de la ecuación, y por tanto, se cumple la ley de conservación de la masa. Decimos

entonces, que la ecuación química está ajustada. Una ecuación química ajustada nos indica:

1. Cuáles son los reactivos y los productos. En el ejemplo nos dice que reaccionan el hierro y el oxígeno para formar trióxido de dihierro.

2. La proporción de átomos en la que transcurre el proceso. En este caso nos dice que 4 átomos

de hierro reaccionan con 3 moléculas de oxígeno y se forman 2 moléculas de trióxido de dihierro.


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Es importante que tengas en cuenta lo siguiente:

Los coeficientes estequiométricos deben ser números enteros lo más sencillos posibles.

Para que sean correctos, el recuento de los átomos de cada clase en los reactivos y en los productos debe coincidir.

Pasos para ajustar una ecuación química:

1º. Escribimos la ecuación sin ajustar.

2º. Hacemos un primer recuento de átomos. 3º. Escribimos coeficientes para igualar el número de átomos, repitiendo el recuento en cada paso.

4º. Cuando el número de átomos de cada clase coincide en reactivos y productos, damos por terminado el ajuste.

Observa el siguiente ejemplo:


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TIPOS DE REACCIONES QUÍMICAS.

Existen millones de compuestos químicos, tanto de origen natural como sintético. Por este motivo, la cantidad y variedad de reacciones químicas conocidas es enorme.

Para poder estudiarlas con más facilidad, las reacciones químicas se clasifican según el proceso químico que está teniendo lugar. Por ejemplo.

Reacciones de síntesis o de formación.

Son reacciones en las cuales se forma un compuesto a partir de sus elementos

constituyentes:

2 H2 (g) + O2 (g) → 2 H2O (g)

C (s) + O2 (g) → CO2 (g)

Como puedes observar, en estas reacciones hay varios reactivos y un solo producto.

Reacciones de descomposición.

En este tipo de reacciones un compuesto se descompone, dando lugar a varios elementos o

compuestos más sencillos:

CaCO3 (s) → CaO (s) + CO2(g) Carbonato de calcio Óxido de calcio(cal viva) Dióxido de carbono

En este caso, a partir de un solo reactivo se forman dos productos.

Reacciones de combustión.

Se trata de un grupo de reacciones muy importante, ya que, a partir de ellas obtenemos

gran parte de la energía que utilizamos.


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En una reacción de combustión, una sustancia combustible reacciona con el oxígeno, obteniéndose como productos, dióxido de carbono y vapor de agua, con desprendimiento

de una gran cantidad de energía calorífica. De hecho, es esta energía lo que nos interesa aprovechar, y no los productos de la reacción. El combustible puede ser de muchos tipos, pero los más habituales son el metano, el

propano y el butano, a nivel doméstico, y la gasolina y el gasóleo, para los motores de vehículos. A continuación puedes ver algunos ejemplos de reacciones combustión:

CH4 (g) + 2 O2 ( g) → CO2 (g) + 2 H2O (g) Metano Oxígeno Dióxido de carbono Agua

2 C4H10 (g) + 13 O2 (g) → 8 CO2 (g) + 10 H2O (g) Butano

Es importante que recuerdes lo siguiente: Los elementos sin combinar se representan mediante sus símbolos químicos correspondientes,

pero en el caso de ciertos elementos gaseosos, como el cloro, el oxígeno, el nitrógeno o el hidrógeno,

debes indicarlos como moléculas diatómicas (Cl2, O2, N2, H2).

3. LAS REACCIONES QUÍMICAS EN NUESTRO ENTORNO.

La Química nos rodea. Los materiales que utilizamos, las fibras con que nos vestimos, la conservación de los alimentos que consumimos, los productos cosméticos y de limpieza, los fármacos que

ayudan a preservar nuestra salud, el funcionamiento de nuestro cuerpo, todo está directamente relacionado con los avances que esta ciencia ha experimentado en su andadura de siglos. Tampoco debemos olvidar que las reacciones químicas tienen mucho que ver con el medio ambiente, puesto que la

actividad humana ejerce un tremendo impacto sobre la naturaleza, del que comenzamos a tener conciencia hace algunas décadas.

Las reacciones químicas están en la base de la vida misma, y son el punto de partida del bienestar y el desarrollo social. Para comprender la gran cantidad de procesos químicos que sucede a nuestro

alrededor, vamos a proponer algunos ejemplos.

a) LA QUÍMICA DE LA VIDA.

Los seres vivos basan su actividad vital en las reacciones químicas. Éstas constituyen la base del

metabolismo de cualquier animal o planta, además de proveer el oxígeno que respiramos. Podemos decir sin temor a equivocarnos que somos pura química.

Por citar un ejemplo fundamental entre los muchos que hay, consideremos la fotosíntesis, un proceso químico gracias al cual se regenera el oxígeno atmosférico.

En realidad, la fotosíntesis es un complejo conjunto de reacciones químicas. Los ingredientes son: la

luz, el agua, el dióxido de carbono y una molécula muy importante: la clorofila, propia de las plantas y las algas verdes. Así ocurre:

La clorofila absorbe parte de la radiación solar. De esta forma se consigue la energía suficiente para la síntesis de moléculas más complejas. Se inicia entonces una serie de reacciones químicas encadenadas que conducen a la formación de glucosa y oxígeno. Con la formación de oxígeno se mantiene el

equilibrio en la composición del aire que respiramos. La fotosíntesis puede resumirse en la siguiente ecuación simplificada:


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La fotosíntesis es de vital importancia porque consume dióxido de carbono y produce oxígeno.

Por esta razón es imprescindible mantener las grandes masas forestales del planeta, ya que éstas, junto con las algas marinas, son la garantía de una atmósfera respirable.

Otro ejemplo importante lo constituye la digestión, que consiste en un conjunto de procesos químicos mediante los cuales tiene lugar la transformación de los alimentos que ingerimos en nutrientes

asimilables por el organismo.

b) OXIDACIÓN DE LOS METALES. Se trata de uno de los cambios químicos más evidentes de cuantos nos rodean. El prota gonista es, en

este caso, el oxígeno del aire. La ecuación que representa el proceso es la siguiente:

Desde que se comenzó a usar los metales, el ser humano ha buscado la forma de impedir los

procesos de oxidación. Un recurso tradicional ha sido el recubrimiento con un material protector, como la pintura de minio (óxidos de plomo), de color naranja. Cuando el objeto metálico es de gran tamaño, se recurre al galvanizado, que consiste en recubrir con una fina capa de un metal fácilmente oxidable, como

el cinc, el metal que queremos proteger. Este sistema se usa, por ejemplo, para preservar la carrocería de los coches.

c) LOS COMBUSTIBLES.

Los combustibles son la fuente de energía en la que se basan la industria y el transporte. La combustión se trata de una rápida reacción entre la sustancia combustible y el oxígeno del aire, con

gran desprendimiento de calor, como ya hemos indicado anteriormente.

d) LA OBTENCIÓN DEL PLÁSTICO.


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El plástico es un auténtico material multiusos, imprescindible en nuestra soc iedad tecnológica. Y lo más asombroso: se obtiene del petróleo.

El petróleo es una mezcla de sustancias llamadas hidrocarburos, muy distintas en cuanto a densidad y

propiedades. De él se separan, por métodos físicos como la destilación, distintas fracciones. La más ligera

contiene compuestos importantísimos para la industria química de síntesis. Uno de estos compuestos es , por ejemplo, el eteno o etileno (C2H4). Al calentarlo con oxígeno a altas presiones, las moléculas de

etileno se unen entre sí, formando cadenas de millones de ellas. De esta manera se obtiene el polietileno, el plástico de los envases.

e) LAS REACCIONES QUÍMICAS Y EL MEDIO AMBIENTE.

Como hemos visto, las reacciones químicas y su uso para obtener productos y materiales han

contribuido, sin duda, a mejorar, en gran medida nuestra calidad de vida. Sin embargo, la contrapartida ha sido el deterioro del medio ambiente. La contaminación provocada por el vertido de compuestos químicos sintéticos al entorno, unida a la sobreexplotación de los recursos, ha puesto en

riesgo la preservación de la naturaleza.

El efecto invernadero.

La actividad del ser humano, el aumento de la población y la demanda energética en un mundo

desarrollado ha conducido a una serie de problemas medioambientales de ámbito global, es decir, que afectan a todo el planeta. Uno de los más estudiados es el efecto invernadero. Recibe este nombre el calentamiento de la superficie terrestre debido a la acumulación en la atmósfera de altas concentraciones

de dióxido de carbono y otros gases como el metano y el vapor de agua.

El efecto invernadero se debe a que estos gases mencionados absorben parte de la radiación solar que refleja la superficie de la Tierra. Esta radiación ya no se emite al espacio, y la consecuencia es la elevación de la temperatura del planeta.

Un efecto invernadero moderado es necesario para mantener la vida en la Tierra, ya que, en caso

contrario, la temperatura sería demasiado baja. El problema es que, debido al uso cada vez mayor de la combustión, la cantidad de dióxido de carbono en la atmósfera está aumentando continuamente y de

manera muy rápida.


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La consecuencia puede ser un cambio climático, de desastrosas consecuencias medioambientales sobre gran número de ecosistemas. Se estima que un aumento de tan solo 2ºC en la temperatura media

ocasionaría el deshielo de los polos y un aumento de varios metros en el nivel del mar. Aunque se trata de un problema de ámbito mundial, la solución pasa por las actuaciones colectivas

e individuales de cada persona. Como ciudadanos responsables con el medio ambiente, podemos contribuir potenciando el ahorro energético, preservando la vegetación natural (consumidora de dióxido

de carbono) y adquiriendo productos con mayor eficiencia energética.

REPASEMOS EL TEMA:

♦ Hemos comenzado viendo qué debemos entender por proceso químico.

Un cambio o proceso químico es aquel en el cual las sustancias cambian su naturaleza y se transforman para dar lugar a nuevas sustancias.

Los indicadores que lo ponen de manifiesto son:

Un cambio de color.

La precipitación de sustancias.

El desprendimiento de gases.

Los cambios de temperatura.

♦ Aprendimos a reconocer los reactivos y productos de una reacción.

Una reacción química es un proceso en el que se forman nuevas sustancias. Denominamos reactivos a

las sustancias presentes antes de que tenga lugar la reacción, mientras que los productos son las sustancias nuevas que se forman.

Y también indicamos qué ocurre a nivel microscópico:

Se produce una reorganización de los átomos de los reactivos para dar lugar a la formación de los productos.

♦ Aprendimos cómo ajustar una ecuación química:

Se escribe la ecuación sin ajustar y se realiza un primer recuento de átomos en reactivos y productos.

Se modifican los coeficientes estequiométricos hasta que se consigue igualar este número de átomos.

♦ Distinguimos varios tipos de reacciones químicas.

Reacciones de formación o de síntesis.

Reacciones de descomposición.

Reacciones de combustión.

♦ Finalizamos relacionando algunas reacciones químicas con nuestro entorno.


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Los seres vivos y sus funciones vitales.

La industria.

El medio ambiente y el efecto invernadero.

A C T I V I D A D E S

1. Contesta a las siguientes preguntas: Al mezclar un líquido amarillo y otro blanco, se ha obtenido un sólido azul que se ha depositado

en el fondo del vaso de precipitados. ¿Qué tipo de cambio ha tenido lugar? ¿Por qué?

2. Indica si los siguientes procesos o cambios en la materia son físicos o químicos, justificando tu respuesta:

a) La nieve caída durante el invierno se funde al llegar la primavera. b) En una planta petroquímica se obtiene un polímero plástico a partir de los derivados del

petróleo.

c) Un banco metálico se calienta al Sol. d) Un árbol salió ardiendo al caerle un rayo durante una tormenta eléctrica.

e) Se cuece en el horno el pan elaborado a partir de harina de trigo. f) Calentando suficientemente el agua líquida contenida en un recipiente, hierve y se

transforma en vapor de agua.

g) Al añadir sal al agua, la sal se disuelve y obtenemos una disolución de cloruro de sodio en agua.

h) Mediante un proceso denominado electrolisis, el agua se descompone en oxígeno e hidrógeno.

3. Los procesos químicos se pueden reconocer a partir de algunos fenómenos que los ponen de

manifiesto. a) ¿Cuáles son los indicadores en los que nos basamos para identificar un cambio químico? b) ¿Cuál de ellos se observa al encender una cerilla?

c) Y cuando ponemos una pastilla efervescente en agua, ¿qué fenómeno de los anteriores aparece?

4. Responde a las siguientes cuestiones sobre las reacciones químicas, indicando algún ejemplo:

a) ¿A qué llamamos reactivos? b) ¿Qué son los productos de una reacción química?

c) ¿Cómo se escribe una reacción química? ¿Para qué sirve?


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5. Al poner un trozo de hierro en una disolución acuosa de cloruro de hidrógeno, se observa cómo al cabo de un cierto tiempo comienzan a desprenderse espontáneamente burbujas de gas, y se forma

dicloruro de hierro, que queda en disolución acuosa, e hidrógeno gaseoso. a) ¿Podemos afirmar que se ha producido una reacción química? ¿Por qué? b) En caso afirmativo, ¿cuál será la ecuación química que representa este proceso? Escríbela.

6. La combustión del gas metano consiste en su combinación con el oxígeno del aire para dar dióxido de carbono y vapor de agua. Escribe una ecuación química que represente esta reacción, indicando cuáles son los reactivos y cuáles los productos.

7. ¿Son verdaderos o falsos los siguientes enunciados? Explica tu respuesta.

a) En una reacción química se forman nuevos enlaces. b) Una reacción consiste en un trasvase de átomos desde los reactivos a los productos. c) Durante una reacción pueden perderse átomos, pero no pueden aparecer otros nuevos.

8. Contesta a las siguientes cuestiones: a) ¿Cuándo consideramos que una ecuación química se encuentra ajustada? b) ¿Qué son los coeficientes estequiométricos?

c) ¿Qué información podemos obtener a partir de una ecuación química ajustada?

9. Ajusta la ecuación química de la actividad 6 e interprétala.

10. Contesta a las siguientes cuestiones:

a) ¿Cómo sabemos si una ecuación química está ajustada? b) ¿Podemos utilizar una ecuación química sin ajustar? ¿Qué tipo de información nos daría?

11. La fórmula del propano es C3H8.

a) ¿Cuál sería la reacción de formación del propano? Escribe su ecuación química ajustada. b) El propano es un buen combustible. Escribe y ajusta la ecuación correspondiente a su

combustión.

12. Observa la representación de la siguiente reacción química mediante modelos moleculares y responde a las cuestiones:


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a) ¿Hay los mismos átomos de azufre en cada miembro de la ecuación? b) ¿Y de oxígeno?

c) Escribe la ecuación ajustada.

13. Fíjate en las siguientes ecuaciones químicas que representan reacciones. Para cada una de ellas, justifica si el proceso que representa es correcto y, en caso afirmativo, indica si las ecuación está o

no ajustada. Señala también la información que proporcionan las ecuaciones ajustadas.

a) C2H6 (g) + O2 (g) → CO2 (g) + H2O (g)

b) 2 Al (s) + 6 HCl (g) → 2 AlCl3 (s) + 3 H2 (g)

c) S (s) + O2 (g) → SO2 (g)

d) 2 FeO (s) + C (s) → 2 Fe (s) + CO2 (g)

14. Ajusta las ecuaciones químicas e interpreta el significado de las ecuaciones ajustadas:

a) KClO3 (s) → KCl (s) + O2 (g)

b) Al (s) + O2 (g) → Al2O3 (s)

c) N2O5 (s) + H2O (l) →HNO3 (ac)

d) Cl2 (g) + KI (ac) → I2 (s) + KCl (ac)

e) C2H4 (g) + O2 (g) → CO2 (g) + H2O (g)

15. Busca información en libros de Biología o en Internet acerca de las dos fases que forman el

proceso de la fotosíntesis y toma nota de lo que ocurre en cada una de ellas. ¿Por qué la fotosíntesis no se produce en las horas nocturnas?

16. Contesta a las siguientes cuestiones:

a) ¿En qué consiste el efecto invernadero? ¿Es perjudicial? b) ¿Qué gases producen este efecto? ¿Por qué?

c) ¿Qué relación existe entre el efecto invernadero y la reacción de combustión?

17. Busca información sobre las evidencias científicas del cambio climático. ¿Qué medidas debemos adoptar como ciudadanos para intentar frenarlo?


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