Reacciones químicas

Las reacciones químicas también llamadas transformaciones químicas, son cambios irreversibles de la materia en las que se forman nuevas sustancias a partir de la mezcla de dos o más elementos. Estos fenómenos afectan la naturaleza de las partículas de sustancias, que al reaccionar entre sí generan otras llamadas productos.

Una transformación química debe cumplir con la ley de conservación de la masa, también conocida como ley de Lavoisier que establece 'La materia ni se crea ni se destruye, solo se transforma'

Producción

Una reacción química es cualquier proceso que cambia una sustancia en otra. Esto ocurre cuando se forman o se rompen enlaces entre diferentes átomos. Los nuevos enlaces permiten que los átomos de elementos específicos se unan para convertirse en sustancias diferentes.

Los químicos presentes antes de la reacción se denominan reactivos y los químicos presentes después de la reacción se denominan productos. Ninguna reacción química se puede considerar como tal sin la presencia de estos dos componentes.

Importancia de las reacciones químicas

Las reacciones químicas juegan un papel integral en diferentes industrias, costumbres e incluso en la vida diaria. Están sucediendo continuamente en el entorno general; por ejemplo, en la oxidación de los metales, el metabolismo de los alimentos, la fermentación del vino, la fotosíntesis y mucho más.

Por lo tanto, todo alrededor y lo que permanece internamente de los seres vivos, siempre que no sea un elemento singular es el producto o el resultado final de una reacción química, lo que refleja su vital importancia.

Cambios físicos y químicos en la materia

Si se evalúan los cambios químicos frente a los cambios físicos, se puede notar que en un cambio físico se puede alterar, modificar o transformar la forma de un compuesto, pero no su identidad química.

Por ejemplo, congelar o hervir el agua es un ejercicio clásico que representa un cambio físico. Una vez derretida o hervida, el agua puede tener una manera diferente (hielo o vapor de agua), sin embargo, sigue siendo agua y todavía mantiene su misma composición química (H₂O).

Un cambio químico ocurre cuando se altera la identidad química de una sustancia. Un ejemplo de esto es la oxidación: cuando un clavo de hierro entra en contacto con el agua y luego se expone al aire, se oxida y forma una sustancia marrón rojiza. Este proceso cambia la composición química de la sustancia original.

Si bien algunos cambios físicos son fácilmente reversibles, como volver a congelar el hielo derretido, revertir un cambio químico requiere de otra reacción química.

Características

Según su definición, una reacción química ocurre cuando una sustancia sufre un cambio químico. Por lo tanto, algunas características sirven de indicadores físicos para comprobar si ha ocurrido un cambio químico, incluyendo:

1.- Emisiones de calor o luz

Si una reacción emite calor o luz, es una indicación de que se ha liberado energía de la reacción. Un ejemplo de esto es un incendio o una chispa, que es evidencia de combustión. Si bien muchos cambios físicos también involucran calor o luz, esto no es una evidencia concreta y definitiva de una reacción, pero es un fuerte argumento de que ha ocurrido uno.

2.- Cambio de color

Un cambio de color es una posible indicación de una reacción química.

3.- Formación de gas

Cuando las sustancias reaccionan y aparecen burbujas o vapor, es una indicación de que se está produciendo una reacción química. Un ejemplo de esto es cuando el bicarbonato de sodio y el vinagre reaccionan violentamente para producir gas de dióxido de carbono, la reacción química que se muestra en el famoso experimento del "volcán".

4.- Formación de precipitados

Un precipitado es un producto sólido que se forma como resultado de una reacción química entre reactivos líquidos. Un ejemplo de esto es el sulfuro de cadmio amarillo, que se produce cuando se combinan soluciones acuosas de sulfuro de amonio y nitrato de cadmio.

Por otra parte, es posible que ocurra una reacción entre dos átomos, iones o moléculas, se forme un nuevo enlace y no se destruya ni se cree ningún átomo, pero se forme un nuevo producto a partir de los reactivos.

En una reacción química, cuando se originan enlaces atómicos se libera energía, no obstante para romper enlaces se requiere energía. Debido a esto, las reacciones generalmente liberan o usan energía. Las reacciones que liberan energía en forma de calor se denominan exotérmicas, mientras que las reacciones que necesitan energía, o bajan la temperatura de su entorno, se denominan endotérmicas.

Representación

Debido a la gran cantidad de reacciones químicas que ocurren en todo momento, se desarrolló una nomenclatura para simplificar cómo expresar una reacción química en forma de ecuación.

Una ecuación química no es más que un enunciado matemático que simboliza la formación del producto a partir de reactivos, al tiempo que indica ciertas condiciones para las que se ha realizado la reacción.

Las reacciones químicas se representan típicamente en el formato A+B → C+D, donde los elementos antes de la flecha son los reactivos y los elementos a los que apunta la flecha son los productos.

Si bien esta representación muestra un sentido direccional, las reacciones químicas pueden ser bidireccionales (ocurrir en ambos sentidos); en este caso, se expresa A+B ⇌ C+D, siendo A y B los reactivos de la "reacción hacia adelante" y los productos de la "reacción hacia atrás".

Tipos y ejemplos

Son cientos, incluso miles, los tipos de reacciones químicas que existen. No obstante, de acuerdo a los tipos de cambios que se producen en la reacción, se pueden agrupar en las siguientes cinco categorías básicas:

1.- Síntesis

Este tipo de reacción, también conocida como reacción combinada, ocurre cuando dos –o más– elementos químicos reaccionan para formar un producto más complejo, tomando la forma X + Y → XY. Un ejemplo de síntesis lo observamos cuando el hierro y el azufre reaccionan para formar sulfuro de hierro.

8Fe + S8 → 8FeS

2.- Descomposición

Cuando en una reacción química un compuesto se divide en fracciones más pequeñas, se dice que se trata de una reacción de descomposición (AB → A + B). Uno de los ejemplos más representativos de este tipo de reacción es la electrólisis del agua, en la que la se obtiene oxígeno e hidrógeno gaseoso.

₂H₂O → ₂H₂ + O₂

3.- Combustión

Las reacciones de combustión son aquellas que implican la quema de compuestos. Un reactivo, generalmente un hidrocarburo, reacciona con oxígeno gaseoso (O₂) para producir dióxido de carbono gaseoso (CO₂), vapor de agua (H₂O), así como energía en forma de calor y/o luz.

Por ejemplo, en la combustión del combustible que impulsa el movimiento de los automóviles, el C₈ H₁₈ (octano), o gasolina, reacciona con el oxígeno gaseoso en el aire para producir dióxido de carbono y vapor de agua, pero lo más importante, energía.

2C₈ H₁₈ + 25O₂ → 16CO₂ + 18H₂O

4.- Reemplazo simple

La reacción de reemplazo simple, conocida también como reacción de desplazamiento único o reacción de sustitución, se distingue por el hecho de que un elemento es desplazado de un compuesto por otro elemento (A + BC → AC + B). Esto se puede ver fácilmente en la reacción que ocurre al combinar zinc (Zn) con ácido clorhídrico (2HCl), en la que el hidrógeno es desplazado por el zinc.

Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂

5.- Reemplazo doble

En el reemplazo doble, reacción también llamada metátesis, dos especies químicas intercambian sus enlaces o iones para crear un producto, tomando la forma AB + CD → AD + CB. La reacción que ocurre entre el cloruro de sodio y el nitrato de plata para formar nitrato de sodio y cloruro de plata es uno de los ejemplos más usados para representar esta reacción.

NaCl + AgNO₃ → NaNO₃ + AgCl

La precipitación y la neutralización son reacciones de doble reemplazo. Ambas reacciones dan como resultado dos compuestos completamente nuevos a través de una reacción química de doble reemplazo.

5.1.- Reacciones de precipitación

Se produce una reacción de precipitación cuando dos compuestos solubles se mezclan para formar un sólido insoluble. El sólido que se separa de la solución se llama precipitante. Un ejemplo clásico de reacción de precipitación es la reacción del nitrato de plata con cloruro de potasio, que forma cloruro de plata, un sólido de color blanco.

AgNO₃ + KCl → AgCl + KNO₃

5.2.- Reacciones neutralización

Las reacciones de neutralización o reacciones ácido-base son reacciones de doble reemplazo que ocurren entre ácidos y bases. Normalmente, las neutralizaciones ácido-base producen agua y una sal. Un ejemplo común de neutralización es la reacción que se produce entre el ácido clorhídrico (HCl), un ácido fuerte, y el hidróxido de sodio (NaOH), una base, para formar cloruro de sodio (NaCl) y agua (H₂O).

HCl + NaOH → NaCl + H₂O

6.- Reacciones de oxidación-reducción (redox)

Aquellas reacciones químicas en las que la oxidación y la reducción tienen lugar simultáneamente se denominan reacciones de óxido reducción, también llamadas redox. La oxidación se refiere a la adición de oxígeno, mientras que la reducción implica la adición de hidrógeno (o la eliminación de oxígeno).

Un ejemplo de este tipo de reacción se observa al combinar sulfuro de berilio + ácido nítrico para obtener nitrato de berilio + azufre + agua + óxido nítrico.

3BeS + 8HNO₃ → 3Be (NO₃)₂ + 3S + 4H₂O + 2NO

Reacciones químicas más comunes

Como se mencionó anteriormente, las reacciones químicas están presentes en el mundo que nos rodea. Cada vez que se cocina o limpia, hay reacciones químicas en acción; de hecho, el funcionamiento del cuerpo humano y la propia existencia hay que agradecerlo a las reacciones químicas. Los siguientes son una pequeña muestra de la gran variedad de reacciones que se experimentan día a día.

La combustión.
La fotosíntesis.
La respiración celular aeróbica.
La respiración anaeróbica (incluida la fermentación).
La oxidación (incluida la herrumbre).
La electroquímica (incluidas las baterías químicas).
La digestión.
Los jabones y detergentes.
Los fuegos artificiales.
La descomposición de la comida.
Los metales de galvanoplastia.
La desinfección de superficies y lentes de contacto.
Los fármacos.
Los blanqueadores.
El color de pelo.
El cambio de color de las hojas con las estaciones.

Velocidad de una reacción química

Algunas reacciones, como las explosiones, se producen de forma sorprendentemente rápida, mientras que otras, como la oxidación de un metal, pueden llevar mucho tiempo. Esto muestra que la velocidad a la que ocurren las reacciones químicas, lo que se denomina velocidad de reacción, no siempre es la misma.

Eso se debe a que la velocidad de reacción depende y se ve afectada por factores como la luz, el calor, la temperatura, la presión, la electricidad y la concentración de reactivos. A veces se usa una tercera sustancia en una reacción química para acelerar o ralentizar la reacción.

En este sentido, los científicos utilizan catalizadores para incrementar la velocidad de reacción, y si el propósito es ralentizar la reacción, entonces usan inhibidores. En la naturaleza, las enzimas actúan como catalizadores para acelerar enormemente las reacciones químicas biológicas, las cuales tardarían demasiado en completarse sin la presencia de estas macromoléculas.

Referencias

Zschimmer y Schwarz. (2021). ¿Qué es una reacción química? Definición, ejemplos y tipos de reacciones químicas. website: https://www.zschimmer-schwarz.es/noticias/que-es-una-reaccion-quimica-definicion-ejemplos-y-tipos-de-reacciones-quimicas/
Carpi, A., Dingle, A. (2003). Reacciones químicas. Visionlearning. website: https://www.visionlearning.com/es/library/Química/1/Reacciones-Químicas/54/reading