UNIDAD 11 químicos importantes - Nocturno Giner · Cuando se produce una reacción química se...

238

UNIDAD

Energía de los procesos químicos. Procesos químicos importantes11

a conoces lo que sucede en una reacción química y los cálculos que se pueden realizar

a partir de ellas. En este tema se estudiarán otros aspectos importantes de las reacciones

químicas, como la relación existente entre las reacciones químicas y las diferentes formas

de energía; la utilización de las reacciones químicas para producir energía y, lo contrario, la utilización

de energía para producir reacciones químicas.

Estudiaremos de qué depende la velocidad de una reacción y cómo podemos modificarla.

También se estudiarán algunos de los procesos químicos más importantes en la industria química

y su relación con el medio ambiente.

Los objetivos que nos proponemos alcanzar en esta Unidad son los siguientes:

1. Conocer la relación entre las diferentes formas de energía y las reacciones químicas.

2. Ser capaces de realizar cálculos utilizando las entalpías de formación y aplicando la Ley de

Hess

3. Comprender de qué factores depende la velocidad de una reacción y como se puede modificar

4. Conocer algunas de las reacciones químicas más importante en la industria

5. Conocer las repercusiones que tienen en el medio ambiente algunas de las reacciones

químicas utilizadas por el hombre.

Y

239

1. IMPORTANCIA DE LOS PROCESOS QUÍMICOS EN LA SOCIEDAD ACTUAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2402. PROCESOS QUÍMICOS Y ENERGÍA. LEY DE HESS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241

2.1. La energía. Transformaciones. Conservación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241

2.2. Origen de la energía asociada a los procesos químicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242

2.3. Reacciones exotérmicas y endotérmicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243

2.4. Concepto de entalpía. Ecuaciones termoquímicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244

2.5. Conservación de la energía. Ley de Hess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245

3. VELOCIDAD DE REACCIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2483.1. Interpretación microscópica de la velocidad de una reacción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248

3.2. Factores que influyen en la velocidad de reacción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249

4. DISTINTOS PROCESOS QUÍMICOS EN RELACIÓN CON LA ENERGÍA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2514.1. Reacciones de combustión. Producción de energía calorífica. Aplicaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251

4.2. Reacciones de explosivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254

4.3. Reacciones fotoquímicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255

4.4. Reacciones Redox. Producción de electricidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256

5. PROCESOS QUÍMICOS ÁCIDO-BASE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2586. PROCESOS QUÍMICOS EN LA INDUSTRIA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2607. PROCESOS QUÍMICOS Y CONTAMINACIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2618. UNA ALTERNATIVA: QUÍMICA VERDE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262

Í N D I C E D E C O N T E N I D O S

240

1. Importancia de los procesos químicosen la sociedad actual

Aunque la química es una ciencia muy antigua, sus fundamentos modernos se desarrolla-

ron, fundamentalmente, en los siglos XIX y XX, permitiendo explicar a los científicos gran parte

de las características físicas y químicas de las distintas sustancias. Esto, unido a un gran des-

arrollo tecnológico, ha permitido a los químicos, no solo conocer, sino también diseñar nuevas

sustancias con propiedades específicas, como fármacos y materiales que hacen más cómoda

la vida cotidiana.

Vamos a hacer un pequeño balance de algunos de los grandes logros de la química.

● En el campo de la salud, ha sido de vital importancia la anestesia que ha permitido convertir

en sencillas intervenciones quirúrgicas algunos males que eran incurables, como la apendicitis.

Los antibióticos y vacunas que han permitido curar y prevenir enfermedades infecciosas

que antes ocasionaban graves estragos entre la población.

Ahora se abre un nuevo campo, el de la terapia génica que, probablemente, en un futuro

permitirá vencer enfermedades en la actualidad incurables.

Además, la industria farmacéutica sigue investigando para conseguir fármacos que permi-

tan mejorar el tratamiento de enfermedades como el cáncer y el SIDA, entre otras.

● En el campo de la energía, en la actualidad, nuestras principales fuentes de energía son

los combustibles fósiles: carbón, petróleo y gas natural. A partir de sus reacciones de combustión

obtenemos la mayor parte de la energía que utilizamos. No obstante, debido a los problemas

medioambientales que ocasionan y a su no muy lejano agotamiento, los químicos siguen

investigando para encontrar nuevas fuentes de energía menos nocivas para el medio ambiente,

como la utilización de gas H

2

como combustible y su obtención a partir de agua, utilizando

energía solar.

La transformación de energía solar en energía eléctrica, mediante la utilización de células

fotovoltaicas.

Se estudian también reacciones nucleares menos peligrosas y que generen menos residuos

radiactivos que las utilizadas en la actualidad.

● En el campo de los nuevos materiales, manejamos cotidianamente sustancias sintetizadas

por el hombre, sin las que sería difícil imaginar nuestra vida cotidiana, como polímeros (plásticos,

fibras textiles) cerámicas, detergentes, cristales líquidos (pantallas de televisores y de

ordenadores), pinturas...

En este sentido, algunos de los retos de la química consisten en investigar sobre el posible

reciclaje de distintos materiales o sobre la sustitución de materiales que resulten nocivos

para el medio ambiente por otros que no lo sean; la investigación sobre materiales super-

conductores que posibiliten un transporte de la electricidad con menores pérdidas de ener-

gía; la investigación de chips de silicio para microprocesadores y, en este sentido, el nuevo

campo de los ordenadores moleculares.

ENERGÍA DE LOS PROCESOS QUÍMICOS. PROCESOS QUÍMICOS IMPORTANTES

11UNIDAD

241

● En el campo de la alimentación, la necesidad de aumentar, de manera muy considerable, la

producción de alimentos para una población cada vez mayor se consiguió gracias a la utilización

de fertilizantes y plaguicidas. Aunque, posteriormente, se pudo comprobar que muchos de ellos

eran nocivos para la salud y el medio ambiente. Se continúa investigando para obtener mejores

cosechas, evitando esos efectos nocivos, utilizando, por ejemplo, sustancias que interfieren el

ciclo reproductor de los insectos, para combatir las plagas, en vez de insecticidas que también

resultan nocivos para el medio ambiente y para el ser humano.

2. Procesos químicos y energía. Ley de Hess

2.1. La energía. Transformaciones. ConservaciónEl término “energía” es muy utilizado, aunque, en realidad, representa un concepto bastan-

te abstracto. La energía se reconoce por los efectos que produce, pero, a diferencia de la mate-

ria, es algo que no se puede ver, tocar, oler...

Ya habrás estudiado que energía es la capacidad para realizar un trabajo. En química se con-

sidera trabajo al cambio de energía que se produce en un proceso químico.

Aunque cualquier forma de energía puede realizar un trabajo, a los químicos les interesan,

sobre todo, determinadas formas de energía. Por ejemplo:

● La energía radiante procedente del Sol que, además de ser la principal fuente de energía

de la Tierra, es la responsable de la reacción de fotosíntesis en las plantas.

● La energía térmica que está asociada con los movimientos al azar de átomos y moléculas.

● La energía química almacenada en el interior de las sustancias y que al intervenir en una

reacción, se libera, se almacena o se convierte en otra forma de energía.

● La energía eléctrica, asociada al movimiento de cargas eléctricas en una dirección

determinada. Esta forma de energía tiene gran importancia en las reacciones de oxidación-

reducción.

● La energía cinética, o energía asociada al movimiento y que se da, fundamentalmente, en

procesos en los que intervienen gases y se producen grandes variaciones de volumen que

pueden ocasionar movimiento.

● La energía potencial que depende de la posición de los objetos, pudiéndose considerar la

energía química como un tipo de energía potencial, pues depende de la posición relativa

de los átomos en una sustancia..

Todas las formas de energía se pueden transformar unas en otras: cuando nos move-

mos transformamos energía química almacenada en nuestro cuerpo en energía cinética; cuan-

do nos frotamos las manos se transforma la energía cinética del movimiento de las manos en

energía térmica, nuestras manos se calientan; en un radiador eléctrico se transforma energía

eléctrica en energía térmica... Se pueden pensar muchos más ejemplos.

En cualquier transformación de energía, la energía se conserva, es decir, no se puedecrear ni destruir.

242

2.2. Origen de la energía asociada a los procesosquímicos

Ya sabemos que la energía química acumulada en las sustancias químicas puede transformarse

en cualquier otra forma de energía, y es en el transcurso de una reacción química cuando se

producen estas transformaciones de energía.

Ya se vio en el Tema 9 que la formación de un enlace siempre va acompañada de un

desprendimiento de energía, la misma energía que se debe aportar para romperlo y que se conoce

como “energía de enlace”.

Cuando se produce una reacción química se rompen los enlaces de los reactivos, hay que

aportar energía, y se forman los enlaces de los productos, tiene lugar un desprendimiento de

energía.

Cuando se necesita más energía para romper los enlaces de los reactivos que energía se

desprende en la formación de los enlaces de los productos, estamos ante una reacción que, al

producirse, consume energía.

Cuando se libera más energía en la formación de los enlaces de los productos que energía

se consume en la rotura de los enlaces de los reactivos, estamos ante una reacción que, al

producirse, libera energía.


11UNIDAD

• 2H

2

+ O

2

→ 2H

2

O + energía

En esta reacción se rompen dos enlaces H−H y un enlace doble O=O. Para ello hay que aportar

menos energía de la que se desprende en la formación de los cuatro enlaces O − H de las dos

moléculas de H

2

O. En este proceso químico se libera energía. El H

2

es un buen combustible,

se libera mucha energía en esta reacción y, además, no se producen sustancias contaminantes.

• La reacción: energía + 2HgO → 2Hg + O

2

requiere un aporte de energía, pues los enlaces que

se forman entre los átomos de Hg (enlace metálico) y los enlaces O=O de la molécula de O

2

desprenden menos energía de la que se necesita para romper las uniones entre los átomos de

Hg y O en el HgO.

E j e m p l o s

1. En los hechos que se describen a continuación indica las transformaciones de energía que tienen

lugar.

a) El gas natural reacciona con el oxígeno del aire y se calienta el agua de la calefacción.

b) Se acciona el interruptor de una lámpara y se enciende.

c) Con un tirachinas se lanza una piedra.

A c t i v i d a d e s

243

2.3. Reacciones exotérmicas y endotérmicasPodemos considerar que todas las sustancias tienen un contenido energético propio debido

al tipo de unión entre sus átomos, al estado de movimiento de sus partículas...

Todo esto constituye lo que se denomina energía interna.

Se puede afirmar que en una reacción química los reactivos tienen contenido energético

propio y los productos otro diferente.

Si al transformarse los reactivos en productos disminuye la energía interna del sistema, en

esa reacción se desprende energía. Esa reacción es exoenergética. Si, por el contrario, al

transcurrir la reacción aumenta la energía interna del sistema, se absorbe energía. Esa reacción

es endoenergética.

La variación de energía en el proceso se puede representar por ΔE

reacción

y será igual a la

energía del estado final (productos) menos la del estado inicial (reactivos).

ΔE

reacción

= E

productos

− E

reactivos

Si E

productos

> E

reactivos

ΔE

reacción

> 0, reacción que absorbe energía o endoenergética.

Si E

productos

< E

reactivos

ΔE

reacción

< 0, reacción que desprende energía o exoenergética.

Esta energia absorbida o desprendida puede ser luminosa, eléctrica..., pero, habitualmente,

se manifiesta en forma de calor. El calor absorbido o desprendido en una reacción se denomina

calor de reacción. Las reacciones que desprenden calor se llaman exotérmicas y las que lo

absorben se llaman endotérmicas.

En el apartado anterior vimos que en la reacción 2H

2

+ O

2

→ 2H

2

O se desprende energía

en forma de calor, es una reacción exotérmica, mientras que en la reacción 2HgO → 2Hg + O

2

se consume energía, es una reacción endotérmica.

Esto lo podemos representar mediante los siguientes diagramas de energía:

2. Usando los valores de las energías de enlace, calcula la energía de formación de dos moles de

bromuro de hidrógeno HBr a partir de sus elementos:

H

2

+ Br

2

→ 2HBr

Energías de enlace:

H − H: 436 KJ / mol Br − Br: 194 KJ / mol; H − Br: 366 KJ / mol


244

Todas las reacciones químicas van acompañadas de una absorción o desprendimiento de

energía en forma de calor, luz, energía eléctrica, sonido... Pero si la reacción se produce en un

recipiente sin ningún dispositivo especial, la energía asociada a la reacción se manifiesta en forma

de calor. Además de calor, si la reacción tiene lugar en un recipiente abierto y se forman gases,

estos tienen que desplazar el aire y se realiza un trabajo. Este trabajo de expansión no es

aprovechable.

Si la reacción se realiza en un recipiente hermético, no se produce este trabajo de expansión

y toda la variación de energía (ΔE

R

) se manifiesta en forma de calor.

2.4. Concepto de entalpía. Ecuaciones termoquímicasSi la reacción se produce en un recipiente abierto, parte de la energía de la reacción se

transforma en trabajo no útil, mientras que el resto de la energía se transforma en calor. Este calor

o esta energía de la reacción, una vez que descontamos el trabajo no útil se llama entalpía y se

representa por ΔH.

Como la mayor parte de los procesos químicos tienen lugar en recipientes abiertos a la presión

atmosférica, el calor de la reacción coincide con la variación de entalpía. Es indiferente utilizar

uno u otro término.

Si se desprende calor en la reacción ΔH < 0 ó Q

R

< 0. Reacción exotérmica. Los productos

tienen menos energía que los reactivos.

Si se absorbe calor en la reacción ΔH > 0 ó Q

R

> 0. Reacción endotérmica. Los productos

tienen más energía que los reactivos.

El calor que se desprende en una reacción se puede incluir en la ecuación química, en la

parte de la derecha, con los productos.

El calor que se consume en una reacción se incluye en la reacción química en la parte de

la izquierda, con los reactivos. Las reacciones químicas que incluyen el calor que interviene en

el proceso se llaman ecuaciones termoquímicas.

E

E

E

2HgO

2Hg + O

2

E

E

2H O

2H +O

22

2

product.

reactiv. product.

Ereac.

Ereac.

Coord. de reacción Coord. de reacción

Productos

Reactivos

Reactivos

Ereactiv.

Reactivos

Figura 1: Diagrama de energía de reacciones endotérmica y exotérmica


11UNIDAD

245

2.5. Conservación de la energía. Ley de HessLas reacciones químicas cumplen el principio de conservación de la energía.

Una reacción que tiene lugar en un sentido desprende calor, por ejemplo:

N

2(g)

+ 3 H

2(g)

→ 2NH

3(g)

+ 92,2KJ.

Por cada 2 moles que se formen de NH

3

se desprenden 92,2KJ.

Si esta reacción se produce en sentido contrario consume la misma cantidad de calor que se

desprendió en el sentido inicial. Escribiríamos la ecuación termoquímica en sentido contrario:

92,2KJ + 2NH

3(g)

→ N

2(g)

+ 3 H

2(g)

Por cada dos moles de NH

3

que se descomponen se consumen 92,2KJ.

Cuando una reacción desprende energía, la reacción opuesta consume esa misma cantidad de energía.

CH

4

+ 2O

2

→CO

2

+ 2H

2

O + 894KJ

Interpretamos que por cada mol de CH

4

que reacciona con O

2

, se desprenden 894KJ. Podemos

hacer cálculos con estas ecuaciones termoquímicas.

Determina cuántos gr. de CH

4

deben reaccionar para que se desprendan 5000KJ.

1 mol CH

4

→ 12 + 4 = 16 gr.

894KJ

________

16gr. CH

4

x = 5000 · 16 / 894 = 89,5 gr. de CH45000KJ

_______

x

}

E j e m p l o

3. Dada la siguiente ecuación termoquímica: 178,2KJ + CaCO

3

→ CO

2

+ CaO

Calcula el volumen de CO

2

medido a P = 1atm y t = 127 ºC, se desprenderá si comunicamos

3.000KJ de calor.

4. El calor de combustión del ácido acético C

2

O

2

H

4

es −874KJ/mol

C

2

O

2

H

4

+ O

2

→ CO

2

+ H

2

O + 874KJ

y el del carbono −393,3KJ/mol

C + O

2

→ CO

2

+ 393,3KJ/mol

¿Qué producirá más calor, la combustión de 1 Kg de carbono o la combustión de 1 Kg de ácido

acético?


246

En ocasiones nos podemos encontrar con reacciones que se producen en un solo paso o a

través de pasos intermedios.

Por ejemplo:

(1) C

(graf.)

+ O

2(g)

→ CO

2(g)

+ 393,5KJ

El C grafito, reacciona con el O

2

del aire para formar CO

2

. Por cada mol de grafito que reacciona,

o por cada mol de CO

2

formado se desprenden 393,5KJ.

Este paso de C

graf

. a CO

2

puede producirse, también, en dos pasos sucesivos:

(2) C

(graf.)

+ ½ O

2(g)

→ CO

(g)

+ 110,5KJ

(3) CO

(g)

+ ½ O

2(g)

→ CO

(g)

+ 283KJ

Si sumamos estas ecuaciones termoquímicas nos da la reacción (1):

La ΔH que se produce en el paso de C a CO

2

es la misma, independientemente de que

este cambio se produzca en una o en varias etapas.

Esto se conoce como Ley de Hess.

Esquemáticamente la podríamos representar así:

La cantidad de calor que interviene en el paso desde la sustancia A hasta la sustancia B es

la misma, independientemente de que se produzca en una sola etapa (ΔH

1

) o en varias etapas

(ΔH

2

+ ΔH

3

+ ΔH

4

).

Esta ley nos permite calcular la ΔH de un proceso a partir de las ΔH de otros procesos

relacionados con él.

A B

C D

H

1

H

2

H

4

H

3

H

1

H

2

H

3

H

4

=+ +

Cuando unos reactivos se convierten en determinados productos, la ΔH, o el calorde reacción es siempre el mismo, independientemente de que la reacción se

efectúe en una etapa o en una serie de etapas.

C(grafito)

+O

2(g)

CO(g) 110,5KJ

CO(g)

+O

2

(g)

CO2(g)

+

283KJ

C + O2

CO2

+ 393,5KJ

½


11UNIDAD

247

1. Calcula el Q que interviene en la reacción: N

2

+ 2O

2

→ 2NO

2

, si conocemos:

9,16KJ + N

2

+ 2O

2

→ N

2

O

4

y 57,20KJ + N

2

O

4

→ 2NO

2

. La reacción 1ª es, en realidad, la suma

de las reacciones 2 y 3.

o si trabajamos con las entalpías:

ΔH

2

= 9,16KJ; ΔH

3

= 57,20KJ. Se dan valores positivos, pues son procesos endotérmicos.

ΔH

1

= ΔH

2

+ ΔH

3

= 9,16 + 57,20 = 66,36KJ

El paso de N

2

y O

2

a NO

2

puede tener lugar en una sola etapa, reacción (1) o en dos etapas,

reacción (2) más reacción (3).

2. Calcula la variación de entalpía ΔH

R

para la reacción de fermentación de la glucosa:

C

6

H

12

O

6

→ 2 C

2

H

5

OH + 2 CO

2

glucosa etanol

Si conocemos las variaciones de entalpía de las reacciones de combustión de la glucosa y del

etanol:

(1) C

6

H

12

O

6

+ 6 O

2

→ 6 CO

2

+ 6 H

2

O ΔH

1

= −2815 KJ.

(2) C

2

H

5

OH + 3 O

2

→ 2 CO

2

+ 3 H

2

O ΔH

1

= − 1372 KJ.

Si a la reacción (1) le restamos la reacción (2) multiplicada por dos, obtenemos la reacción de

fermentación de la glucosa.

Hacemos la misma operación con las variaciones de entalpía:

ΔH

R

= ΔH

1

− 2 ΔH

2

= −2815 − 2 (− 1372) = −2815 + 2744 = − 71KJ.

La fermentación de la glucosa es una reacción exotérmica en la que se desprenden 71KJ/mol.

2

9,16KJ+

N2

+N2O4

57,20KJ

+N

2O

4 2NO 2

66,36KJ +N2

2NO2

2O2

+ 2O2

E j e m p l o s

3. Velocidad de reacciónPara estudiar una reacción química en toda su extensión no es suficiente con conocer las

sustancias que intervienen en ella y en qué proporción reaccionan y se forman, o conocer si la

reacción es favorable o no, sino que también es importante conocer con qué velocidad se produce.

Del estudio de la velocidad de reacción y de los factores que influyen en ella, podemos

obtener información para seleccionar aquellas condiciones de trabajo que nos permitan conducir

la reacción a la velocidad adecuada. Por ejemplo: los alimentos se descomponen demasiado

rápido en verano; el butano y el oxígeno reaccionan demasiado lentamente para obtener energía

de esa reacción, etc. ¿Qué podemos hacer en estos casos? Luego volveremos con otros ejemplos.

La velocidad de reacción se puede expresar como el aumento de las concentraciones de los

productos con el tiempo o como la disminución de las concentraciones de los reactivos con el tiempo.

Estas variaciones se determinan experimentalmente por diferentes procedimientos dependiendo

de las características concretas de productos y reactivos. En una sustancia de color podemos

medir la variación de concentración midiendo la variación de la intensidad del color o en una sustancia

gaseosa podemos medir los cambios de concentración a partir de los cambios de presión.

3.1. Interpretación microscópica de la velocidadde una reacción

Para que un proceso químico se lleve a cabo es necesario que se produzca la rotura de los

enlaces de los reactivos y la formación de otros enlaces diferentes. Es necesario que las moléculas

o átomos choquen entre sí, que se pongan en contacto. Puede ocurrir que dos moléculas choquen

entre sí y no se produzca reacción alguna. Los que producen reacción se llaman choques eficacesy para que un choque sea eficaz o efectivo es necesario:

a) Que las moléculas reaccionantes choquen con suficiente energía para romper o debilitar

sus enlaces y que se inicie la reacción. A esta energía que se debe alcanzar para que se

inicie la reacción se le llama energía de activación. En nuestra vida cotidiana podemos

observar ejemplos de esta energía de activación: el gas natural reacciona con el oxígeno

del aire y esa reacción desprende energía que nosotros aprovechamos, por ejemplo, para

cocinar. Si abrimos la llave del gas, éste entra en contacto con el oxígeno pero no empieza

La velocidad de una reacción es la variación con el tiempo de laconcentración de las sustancias que intervienen en la reacción.

248


11UNIDAD

5. Determina la ΔH

R

de la reacción: 2NO + O

2

→ 2NO

2

(1) a partir de los siguientes datos:

180,6KJ + N

2(g)

+ O

2(g)

→ 2NO

(g)

(2)

66,4KJ + N

2(g)

+ 2O

2(g)

→ 2NO

2(g)

(3)

6. ¿Cómo calcularías la ΔH para el proceso 2B → C, si conoces los valores ΔH

1

e ΔH

2

de los sigu-

ientes procesos:

A → 2B ΔH

1

A → C ΔH

2


249

a reaccionar hasta que no le comunicamos una pequeña cantidad de energía, que puede

ser la llama de un mechero o una cerilla, una chispa eléctrica, etc. Esta pequeña cantidad

de energía es la energía de activación.

b) Que las moléculas reaccionantes choquen con una orientación adecuada para que queden

próximos los átomos que deberán unirse formando nuevas sustancias químicas.

3.2. Factores que influyen en la velocidad de reacciónSegún lo visto anteriormente, para modificar la velocidad de una reacción tendremos que

modificar el número de choques eficaces. Si aumentamos el número de choques eficaces por

unidad de tiempo, aumentará la velocidad de reacción y si los disminuimos, disminuirá la velocidad

de reacción.

Los factores que intervienen directamente en la velocidad de una reacción son los siguientes:

a) Naturaleza de los reactivos.

La reacción de oxidación del hierro con el oxígeno del aire es muy lenta; sin embargo, la

del sodio es muy rápida. El sodio es más reactivo que el hierro.

La reacción del O

2

con H

2

a temperatura ambiente es muy lenta, pero la del F

2

con el H

2

es muy rápida. El F

2

es más reactivo que el O

2

.

La velocidad depende del carácter más o menos reactivo de las sustancias que intervienen

en la reacción. Este factor no se puede modificar ya que en cada reacción intervienen unas

determinadas sustancias que no pueden ser sustituidas por otras.

b) Estado físico de los reactivos.

Para que se produzca la reacción, las moléculas de los reactivos deben estar en contacto;

según esto, en estado líquido o gaseoso las reacciones serán más rápidas que cuando los

reactivos están en estado sólido. En estado sólido la reacción solamente se producirá en

la superficie. Y, en este caso, cuanto mayor sea el grado de división del sólido, más

rápidamente se producirá la reacción, pues mayor será el contacto de los reactivos. Por

ejemplo, la reacción de putrefacción de la carne se produce mas rápidamente si tenemos

carne picada que si tenemos la carne en un solo trozo.

c) Concentración de los reactivos.

Al aumentar el número de partículas por unidad de volumen, aumenta la probabilidad de

que éstas choquen y, por lo tanto, aumentará también el número de choques eficaces,

aumentando así la velocidad de reacción. Por ejemplo, la lejía blanquea la ropa. Este

blanqueo se producirá más rápidamente cuanto mayor sea la concentración de la lejía.

d) Temperatura.

Al aumentar la temperatura, aumenta la energía cinética de las partículas y esto aumenta

la probabilidad de que choquen y de que en estos choques se alcance la energía de

activación. En definitiva, al aumentar la temperatura aumentará el número de choques

eficaces y, por lo tanto, la velocidad de reacción. A este respecto, habrás observado, por

ejemplo, que los alimentos se estropean más rápidamente a temperatura ambiente que en

el frigorífico.

e) Catalizadores.

Un catalizador es una sustancia que, incluso en cantidades muy pequeñas, modifica mucho la

velocidad de una reacción sin sufrir, apenas, ningún cambio. La acción de los catalizadores se

llama catálisis.

250


11UNIDAD

− Si aumentan la velocidad de reacción se llaman catalizadores positivos. Actúan

disminuyendo la energía de activación de la reacción, aumentando así el número de

choques eficaces.

− Si disminuyen la velocidad de reacción se llaman catalizadores negativos o inhibidores.

Actúan aumentando la energía de activación, será menor el número de choques que

alcanzan esta energía y disminuye, por lo tanto, la velocidad de reacción.

Los catalizadores tienen las siguientes características:

− No se gastan en la reacción.

− Con una pequeña cantidad de catalizador se puede catalizar la reacción de grandes

cantidades de reactivos.

− Son específicos para cada reacción.

− No provocan reacciones que normalmente no se producen.

7. Observa la oxidación de un trozo de manzana. La manzana (sin la piel) tiene un color claro, casi

blanco, y al reaccionar con el oxígeno del aire toma color oscuro.

Vas a estudiar la influencia de algunos factores en la velocidad de dicha reacción.

a) Pela una manzana y corta de ella dos trozos prácticamente del mismo tamaño. Uno lo metes

en el frigorífico y el otro lo dejas a temperatura ambiente. Deja pasar medio día.

¿En cual de los trozos está más avanzado el proceso de oxidación?. ¿Cuál está más oscuro?.

¿Qué factor ha hecho que la reacción avance más en un trozo que en otro?. ¿Cómo influye en

la velocidad de una reacción?

b) Corta dos porciones de la manzana. Una de ellos la dejas entera y la otra la cortas en trocitos

pequeños. Dejas las dos porciones a temperatura ambiente durante seis horas.

¿En cual de las porciones está más avanzado el proceso de oxidación?. ¿Qué porción está

más oscura?.

¿Qué factor ha hecho que la reacción avance más en un trozo que en otro?. ¿Cómo influye en

la velocidad de una reacción?

c) ¿Por qué (sobretodo en verano) se producen, con cierta frecuencia, intoxicaciones al comer

carne picada (hamburguesas)?.

8. Reproduce una sencilla reacción en casa, tan solo necesitas un poco de bicarbonato sódico (un

antiácido), que puedes encontrar en cualquier farmacia o supermercado, un poco de vinagre (ácido

acético) o zumo de limón y agua. El bicarbonato reacciona con el ácido del vinagre desprendiéndose

burbujas de gas CO

2

. En dos vasos diferentes echas media cucharadita, de las de moka, de

bicarbonato. A uno de los vasos le añades medio vaso de agua con unas gotas de vinagre y al

otro, medio vaso de vinagre.

¿En cuál de los vasos la velocidad de desprendimiento del gas CO

2

es mayor?. ¿En cuál de los

vasos el bicarbonato se agota más rápidamente?. Justifica estos resultados.

9. El agua oxigenada H

2

O

2

se descompone en agua H

2

O y gas oxígeno O

2

, al que debe su poder

desinfectante. Esta reacción de descomposición nosotros la podemos apreciar por el burbujeo del

gas O

2

.

Escribe la reacción y ajústala.

Prepara dos vasos con agua oxigenada y a uno de ellos le añades unos trocitos de hígado. El

hígado no interviene en esta reacción..

¿En cuál de los vasos se aprecia mayor desprendimiento de gas O

2

?. Justifica este resultado.


251

4. Distintos procesos químicos en relacióncon la energía

4.1. Reacciones de combustión. Producción deenergía calorífica. Aplicaciones

Una reacción de combustión se produce cuando una sustancia reacciona con oxígeno O

2

,

rápidamente, desprendiéndose gran cantidad de energía, normalmente en forma de luz y calor.

Se dice que una sustancia arde en presencia de oxígeno, casi siempre el oxígeno del aire.

Estas reacciones son muy frecuentes, siendo muchas las sustancias que las producen, metales:

Mg + ½ O

2

→ MgO + energía;

otros elementos: H

2

+ ½ O

2

→ H

2

O + energía;

C + O

2

→ CO

2

+ energía,

pero las más conocidas y utilizadas son las reacciones de combustión de sustancias orgánicas

que contienen carbono e hidrógeno y los productos de combustión (si hay suficiente oxígeno) son

CO

2

y H

2

O.

Ejemplo: CH

4

+ 2O

2

→ CO

2

+ H

2

O + energía.

Es la reacción de combustión del metano, principal componente del gas natural.

Si no hubiera suficiente oxígeno se puede formar CO en lugar de CO

2

. El CO es un gas inodoro

y muy tóxico que, por desgracia, provoca muertes todos los años cuando, en recintos cerrados,

las calderas o cocinas no queman bien el combustible, produciéndose CO en lugar de CO

2

.

La llama característica de estos procesos de combustión se debe a la luz que emiten los

gases incandescentes que se producen en la reacción.

Actualmente, la mayor parte de la energía que se utiliza en los países desarro-llados procede de

las reacciones de combustión de los llamados combustibles fósiles: carbón, petróleo y gas natural.

Algunas de las aplicaciones más importantes son:

● Uso doméstico: para cocinar, para calefacción y para agua caliente, se suele utilizar gas

natural, carbón (calefacción) y derivados del petróleo (propano, butano, gasóleo).

● Transporte: se utilizan, fundamentalmente, derivados del petróleo (gasolina, gasóleo).

En la actualidad también se utiliza gas natural en transporte público y, antiguamente se

utilizaba carbón en los trenes y barcos.

● Electricidad: La mayor parte del consumo energético de los países desarrollados se

produce en forma de electricidad, por la versatilidad, comodidad y limpieza de uso de

esta forma de energía. La energía eléctrica se utiliza en los hogares, en el transporte y

en la industria.

252


11UNIDAD

Las fuentes de energía que se utilizan para producir la electricidad son, principalmente, el

uranio, el petróleo y el carbón, aunque una pequeña parte procede de fuentes de energíarenovables, como la energía hidráulica y comienzan a implantarse la energía eólica y la energía

solar.

En las centrales eléctricas térmicas de petróleo o de carbón, a partir de la reacción de

combustión, se obtiene energía calorífica que se utiliza para calentar agua. Esta agua, en forma

de vapor a presión, mueve las turbinas que accionan el gene-rador de electricidad.

Se producen las siguientes transformaciones de energía:

e. química → e. térmica → e. mecánica → e. eléctrica

Las centrales nucleares funcionan básicamente igual, pero en vez de utilizar una reacción de

combustión, utilizan la reacción nuclear de fisión del uranio para calentar el agua.

A la vista de la utilización generalizada de las reacciones de combustión, podríamos pensar

que todo es bueno en estas fuentes de energía, pero empezamos a tener serios problemas con

su uso:

� Agotamiento de recursos. El carbón, petróleo y gas natural se denominan combustibles

fósiles. Se formaron hace millones de años por degradación de la materia orgánica en

determinadas condiciones de presión y temperatura, pero en pocos siglos estamos

consiguiendo agotar lo que tanto tiempo tardó en formarse. En menos de medio siglo

empezaremos a tener serios problemas de abastecimiento, pues los yacimientos de estos

combustibles se están agotando.

� Contaminación atmosférica. En las reacciones de combustión, no solo se produce CO

2

y

H

2

O que son gases no tóxicos (aunque el CO

2

ocasiona, en gran medida, el problema del

efecto invernadero, del que hablaremos más adelante).

● Ya hemos visto que en una mala combustión, con poco O

2

, se forma CO, gas muy tóxico.

● Los combustibles, sobretodo el carbón, contienen, a veces, azufre que, al reaccionar con

O

2

, produce SO

2

: S + O

2

→ SO

2

. Este gas es tóxico, ocasiona problemas en las vías

respiratorias y, además, en la atmósfera, en presencia de O

2

y H

2

O puede llegar a formar

H

2

SO

4

, ácido muy corrosivo y uno de los componentes de la lluvia ácida.

● En determinadas condiciones, en la combustión, se alcanzan elevadas temperaturas que

consiguen que el N

2

del aire (gas bastante inerte en condiciones ambientales) reaccione

Humos

Fuel

BombaCaldera

Agua

de

refrigeración

Generador

Energía Eléctrica

Turbina

Figura 2: Esquema de una Central Térmica

253

con el O

2

del aire, formándose diferentes óxidos

de nitrógeno que se representan con la fórmula

genérica NO

X

.

La mayoría de estos NO

X

son tóxicos por sí

mismos, además, en presencia de la radiación

ultravioleta, reaccionan y forman ozono (O

3

) y

compuestos orgánicos muy tóxicos,

responsables de una buena parte de la

contaminación en las ciudades. El ozono es un

gas muy peligroso si lo respiramos en dosis

elevadas. Afecta a la vista, al sistema

respiratorio y circulatorio y puede lesionar el

sistema nervioso central.

También, los NO

X

, al igual que sucedía con el

SO

2

, en presencia de O

2

y H

2

O, pueden llegar

a formar un ácido muy fuerte, el HNO

3

, otro de

los causantes de la lluvia ácida.

� Efecto invernadero.

Gran parte de la radiación solar que nos llega

durante al día es reflejada y devuelta a la

atmósfera. Actualmente hay una serie de gases

acumulados en la atmósfera, fundamentalmente CO

2

, que impiden que esta radiación

infrarroja escape, de manera que queda retenida, contribuyendo a un calentamiento del

planeta y, como consecuencia, a un cambio climático.

Este es uno de los problemas más graves que ocasionan las reacciones de combustión del

carbón, del petróleo y del gas natural.

El CO

2

es un gas que, no se produce úni-

camente en las reacciones de combustión,

también lo generamos los seres vivos al respirar,

siendo absorbido por los vegetales cuando

realizan la fotosíntesis. Pero, en muy poco

tiempo, hemos liberado a la atmósfera grandes

cantidades de CO

2

(que quedó retenido en la

materia orgánica hace millones de años) y, por

si esto fuera poco, continuamente desaparecen

grandes exten-siones de masa vegetal. Estas

masas arbóreas son las únicas capaces de

absorber parte del exceso de CO

2

existente en la atmósfera, paliando así el problema.

Como ves, los seres humanos tenemos un serio problema que habrá que resolver a corto

plazo.

Afortunadamente ya se está investigando para aportar posibles soluciones a estos

problemas.

Figura 3: Formación de contaminantes fotoquímicos

Figura 4: Formación de lluvia ácida

TT

Figura 5: Efecto invernadero

254

● Se está investigando para poder utilizar otros combustibles, procedentes de plantas

(biocombustibles) o de materia orgánica en descomposición (CH

4

). Aunque también

producen CO

2

en su combustión.

El H

2

puede que sea el combustible del futuro, pues no genera gases nocivos para el

medio ambiente:

H

2

+ ½ O

2

→ H

2

O + 241,6 KJ.

Posee un gran poder energético, más que los combustibles utilizados actualmente (su

poder calorífico por unidad de masa es casi 4 veces el del carbón y casi 2,5 el del gas

natural) y, además, es renovable. El H

2

se puede obtener por la descomposición del H

2

O

y la combustión del H

2

vuelve a formar H

2

O.

Por tanto, se trata de adaptar la tecnología a la utilización del H

2

y a la descomposición

del H

2

O para producir H

2

, a partir de una fuente de energía no contaminante, como puede

ser la energía solar.

● Además, se sigue investigando en el aprovechamiento de fuentes de energía renovables:

los diferentes aspectos de la energía solar (térmica y fotovoltaica, plantas eléctricas y

uso doméstico), eólica, geotérmica...

4.2. Reacciones de explosivosLos explosivos dan lugar a reacciones en las que se produce energía y una variación muy

brusca de volumen. Esta violenta formación de gases calientes en expansión causa la explosión.

Se produce una brusca transformación de energía química en energía mecánica y en energía

térmica.

La energía mecánica se puede aprovechar para mover grandes extensiones de tierra y facilitar

la construcción de carreteras, extracción de minerales... Por desgracia, también se utiliza con

fines no pacíficos (guerras, terrorismo...).

Veamos algún ejemplo de estas reacciones de explosivos:

� Un fertilizante explosivo, el NH4 NO3.

Por su elevado tanto por ciento de nitrógeno se utiliza como fertilizante de los suelos agrícolas

y, aunque es estable a temperatura ambiente, a partir de 250 ºC se puede descomponer:

NH

4

NO

3(s)

→ N

2

O

(g)

+ 2H

2

O

(g)

, y a temperaturas superiores a 300 ºC: 2NH

4

NO

3(s)

→ 2N

2(g)

+

4H

2

O

(g)

+ O

2(g)

.


11UNIDAD

10. Puesto que el consumo de energía acarrea serios problemas medioambientales, indica, al

menos, cuatro cosas que podrías hacer en tu vida cotidiana para ahorrar energía y contribuir así

a paliar estos problemas medioambientales.


255

También aquí se puede observar una gran variación de volumen que, junto al calor que

se libera, provoca la rápida expansión de los gases, lo que confiere un gran poder destructivo.

Este fertilizante ya ha causado graves problemas en industrias que carecían de las adecuadas

condiciones de almacenamiento.

4.3. Reacciones fotoquímicasLas más importantes son reacciones endoenergéticas que se producen por el aporte de

energía radiante. Veamos algunas de las más importantes:

� Fotosíntesis. Las plantas verdes toman CO

2

de la atmósfera a través de sus hojas y H

2

O

a través, fundamentalmente, de sus raíces, transformándolos en glucosa C

6

H

12

O

6

.

El pigmento verde de la clorofila y la presencia de magnesio actúan de catalizadores. Esta

reacción tiene lugar en presencia de luz solar que aporta la energía necesaria para que

se produzca la reacción:

6CO

2

+ 6H

2

O → C

6

H

12

O

6

+ 6O

2

� Reacciones que tienen lugar en las altas capas de la atmósfera y que retienen gran

parte de la radiación ultravioleta procedente del Sol.

El ozono O

3

, se descompone absorbiendo radiación ultravioleta:

Rad. U.V. + O

3

→ O

2

+ O

Ese O vuelve a reaccionar con O

2

y se regenera el O

3

que sigue absorbiendo radiación

ultravioleta:

Rad.U.V. O + O

2

→ O

3

La capa de O

3

, en la alta atmósfera, actúa como escudo protector para que la mayor parte

de la radiación ultravioleta de alta energía no llegue a la superficie terrestre, donde puede

ocasionar graves daños a los seres vivos.

Habrás oído hablar del agujero de la capa de ozono, provocado, fundamentalmente, por

el uso de compuestos clorofluocarbonados, conocidos como CFCs (muy utilizados en

11. El nitrato amónico (NH

4

NO

3

) es un abono sólido, estable a temperatura ambiente, pero si no se

almacena adecuadamente y alcanza una temperatura superior a 300 ºC puede descomponerse

mediante una reacción que tiene carácter explosivo pues se produce un gran desarrollo de

energía mecánica debido a la brusca variación de volumen.

2NH

4

NO

3(s)

→ 2N

2(g)

+ 4H

2

O

(g)

+ O

2(g)

Considera despreciable el volumen inicial del abono y calcula la variación de volumen que se

produce cuando 2 Kg. de abono se descomponen, si P = 1atm y t = 327 ºC.


256

frigoríficos, aerosoles, fabricación de espumas...), cuyos efectos negativos sobre el medio

ambiente eran desconocidos hasta hace relativamente poco tiempo.

Estos compuestos, muy volátiles, al llegar a las altas capas de la atmósfera, consumen el

radical O que se produce en la descomposición del ozono, impidiendo que éste se regenere.

Esto ha ocasionado un considerable deterioro de la capa de ozono (se ha llegado a fotografiar)

con el consiguiente aumento de la radiación ultravioleta que llega a la superficie terrestre y

sus negativas repercusiones sobre los seres vivos (ceguera, cáncer de piel, alteración de

ecosistemas...).

Se ha limitado la fabricación y uso de estas sustancias y ya hay expectativas positivas sobre

la recuperación de la capa de ozono.

� Otras reacciones fotoquímicas de interés son las ya mencionadas de los NO

X

, de los

hidrocarburos... que, en presencia de radiación ultravioleta, forman O

3

y otros gases tóxicos

responsables, en gran parte, de la contaminación de las ciudades. Recuerda que el ozono

resulta nocivo en la superficie de la Tierra.

También son reacciones fotoquímicas las que ocurren en los procesos fotográficos y las

que se utilizan en algunos procesos industriales, como el de la fabricación de HCl a partir

de cloro e hidrógeno:

Cl

2

+ H

2

→ 2HCl

La energía radiante inicia la ruptura de los enlaces Cl − Cl de las moléculas de Cl

2

.

4.4. Reacciones Redox. Producción de electricidadYa vimos que determinados elementos químicos tienen tendencia a perder electrones y otros

a ganar electrones. Cuando un elemento pierde electrones, se oxida, mientras que, cuando un

elemento gana electrones, se reduce.

Si, en el transcurso de una reacción química, un elemento gana electrones, se dice que se

ha producido una reducción. Puesto que los electrones no están sueltos, sino que pertenecen

a los átomos, si un elemento gana electrones es porque existe otro elemento que los pierde, que

se los cede, se produce, por tanto, una oxidación.


11UNIDAD

12. La nitroglicerina C

3

H

5

(NO

3

)

3

que es un líquido a temperatura ambiente, se descompone según la

siguiente reacción:

2 C

3

H

5

(NO

3

)

3(l)

→ 3N

2(g)

+ ½ O

2(g)

+ 6CO

2(g)

+ 5H

2

O

(g)

Explica por qué la nitroglicerina es un explosivo.

13. Explica por qué es beneficioso el ozono en las altas capas de la atmósfera y es peligroso cuando

se forma a nivel de la superficie terrestre.


257

Como ves, oxidación y reducción son procesos simultáneos, por este motivo, a las reacciones

en las que se produce este intercambio de electrones entre dos elementos químicos, se les llama

reacciones de oxidación-reducción o procesos redox.

Existen procesos redox de gran importancia en la industria. Nosotros nos centraremos en

aquellos en los que el intercambio de energía se produce en forma de electricidad.

� Reacciones redox exotérmicas. Pilas voltaicas.

Si ponemos en contacto Zn metal con una disolución de CuSO

4

, se produce una reacciónredox que libera energía en forma de calor:

Zn + CuSO

4

→ Cu + ZnSO

4

Cada átomo de Zn ha perdido dos electrones, pasando a

Zn

+2

(se ha oxidado) y cada ion Cu

+2

ha ganado dos

electrones (se ha reducido), pasando a Cu metálico.

Los electrones se transfieren directamente del Zn al Cu

+2

.

Si separamos físicamente el Zn del Cu

+2

y hacemos que

la transferencia de electrones se lleva a cabo a través de

un hilo conductor habremos conseguido una corriente

eléctrica, y la energía del proceso se liberará en forma de

electricidad, en lugar de hacerlo en forma de calor.

Esta producción de energía eléctrica a partir de un procesoredox exotérmico se lleva a cabo en unos dispositivos

especiales llamados pilas voltaicas o galvánicas como el

que se representa en la figura.

Las pilas que utilizamos para hacer funcionar gran cantidad de pequeños electrodomésticos

son pilas de este tipo. Contienen reactivos de un proceso redox separados entre sí,

transfiriendo electrones, a través de un hilo conductor, generando así energía eléctrica.

� Reacciones redox endotérmicas. Electrolisis

Hay reacciones redox que, al producirse, consumen

energía. Esta energía se puede aportar en forma de

electricidad. Estas reacciones se llevan a cabo en unos

dispositivos llamados cubas o celdas electrolíticas.

Se introducen dos electrodos en un medio conductor que

suele ser una sustancia iónica fundida o disuelta. Los iones

positivos se mueven hacia el electrodo negativo y los iones

negativos hacia el electrodo positivo, y allí ganan o pierden

electrones, completándose el proceso redoxendotérmico.

El electrodo en el que se produce la reducción (ganancia

de electrones) se llama cátodo y el electrodo en el que se

produce la oxidación (pérdida de electrones) se llama ánodo.

Resistencia

e

-

e

-

e

-

Amperímetro

+

+

+

+

+

Cu

SO

4

+

SO

4

-

Zn

Zn

++

Cu

++

ClK

- +

Figura 6: Pila voltaica. Pila Daniell

Na

Cl

2

+

-

+

+

+

++

+

Na

+

Cl

-

Figura 7: Cuba electrolítica. Electrolisis del

NaCl fundido

258

Esto también es válido para las pilas voltaicas.

Ejemplo: 2NaCl

(fundido)

→ 2Na + Cl

2

Los iones Na

+

ganan electrones y se reducen. El Na metálico formado se deposita en el

cátodo.

Los iones Cl

−pierde electrones y se oxidan. Se forma gas Cl

2

que se recoge en el ánodo.

Este proceso de descomposición de una sustancia, a partir de la electricidad, se llama

electrolisis y tiene gran importancia en la industria química para obtener gases como Cl

2

,

O

2

, H

2

... y, sobretodo, para la obtención de metales a partir de disoluciones procedentes de

minerales. Así se obtienen metales como: Zn, Ag. Cd, Hg, Al...

� Reacciones redox reversibles.

Algunos procesos redox se pueden producir en ambos sentidos, de manera que, aportando

energía eléctrica, tiene lugar la reacción endotérmica, se forman unas sustancias que luego

reaccionan liberando energía eléctrica.

Estos procesos son los que se utilizan en los acumuladores y pilas recargables.

Unas sustancias iniciales reaccionan generando energía eléctrica y, cuando se agotan, con

el aporte de energía eléctrica se regeneran.

En todas las pilas siempre se utiliza o se produce corriente continua.

En el próximo curso, dentro de la asignatura de química, estudiarás más a fondo estos

procesos redox.

5. Procesos químicos ácido-baseEntre los procesos químicos más importantes se encuentran las reacciones de unas sustancias

químicas denominadas ácidos, llamadas así por su sabor ácido, desde antes de que la Química

naciera como ciencia, y otras sustancias de comportamiento químico opuesto a los ácidos y que

anulan o neutralizan sus efectos, denominadas bases.

Algunas de las propiedades por las que se identificaban estas sustancias antes de que se

conociera su estructura son las siguientes:

� Ácidos: tienen sabor agrio, producen escozor al atacar la piel, reaccionan con muchos

metales desprendiendo gas H

2

, reaccionan con los carbonatos desprendiendo gas CO

2

...


11UNIDAD

14. Has visto tres tipos de pilas diferentes. Explica en qué se basan y para qué se utilizan cada una

de ellas.


259

� Bases: tienen sabor amargo, son suaves al tacto, producen quemaduras en la piel...

Las reacciones más importantes de estas sustancias suelen tener lugar en disolución acuosa.

Los ácidos están formados por moléculas polares que, al disolverse en agua, se disocian (se

rompe la molécula), desprendiendo iones H

+

.

Ejemplos: HCl → H

+

+ Cl

−; HNO

3

→ H

+

+ NO

3

−

Estos ácidos se llaman fuertes porque se encuentran totalmente disociados en agua. Existen

otros que no se disocian totalmente y se llaman ácidos débiles. Se representa así:

HNO

2

H

+

+ NO

2

−

Las bases son sustancias que, al disolverse en agua, se disocian desprendiendo iones hidroxilo

(OH

−)

Ejemplo: NaOH → Na

+

+ OH

−, Base fuerte, totalmente disociada.

NH

4

OH NH

4

+

+ OH

−, Base débil, no está totalmente disociada

Estas son las definiciones de ácido y de base según Arrhénius. En el próximo curso estudiarás

otras teorías sobre ácidos y bases que explican el comportamiento de un mayor número de

sustancias.

Los iones H

+

y OH

−que proporcionan los ácidos y las bases son los mismos en los que se

descompone el H

2

O cuando se disocia:

H

2

O H

+

+ OH

−

El grado de acidez o basicidad de una disolución se puede conocer mediante la medida del

pH. La escala de pH está establecida del 1 al 14.

Las sustancias ácidas tienen pH < 7, tanto más bajo cuanto más ácidas sean.

Las sustancias básicas tienen pH > 7, tanto más alto cuanto más básicas sean.

El pH del agua o de un medio neutro es 7.

El pH de nuestra piel es ligeramente ácido, tiene un valor entre 5,5 y 6; por este motivo los

productos de limpieza y aseo que son neutros o básicos son irritantes para la piel, es mejor utilizar

los que tienen carácter ligeramente ácido.

Para saber si una sustancia es ácida, básica o neutra se puede utilizar papel indicador, que

en contacto con dicha sustancia tomará un color que nos indica el valor aproximado del pH.

La reacción de un ácido con una base se llama neutralización y en ella se forma

H

2

O.

Cuando un ácido reacciona con una base, se neutralizan las propiedades

de ambos, puesto que los iones que les dan sus características: H

+

y OH

−,

reaccionan entre sí formando H

2

O: H

+

+ OH

− → H

2

O.

260

Ejemplo: HNO

3

+ NaOH → NaNO

3

+ H

2

O.

El carácter ácido o básico de las disoluciones es de gran importancia en numerosos procesos

químicos, pues puede llegar a determinar que se produzcan unas sustancias u otras.

Entre las sustancias químicas de mayor interés industrial se encuentran algunos ácidos como:

HCl, HNO

3

, H

2

SO

4

; y algunas bases como: KOH, NaOH y NH

4

OH.

6. Procesos químicos en la industriaDesde las primeras civilizaciones se ha empleado la química para satisfacer necesidades

humanas, aunque al principio se utilizaron tecnologías muy elementales y a muy pequeña escala,

por ejemplo, para conservar pieles o extraer metales de sus minerales.

Las industrias químicas de finales del siglo XIX y principios del XX no eran muy grandes, pues

la demanda de productos era muy reducida. El diseño de un proceso era realizado por un químico.

Se estudiaban las características del proceso en el laboratorio y se repetía de forma análoga en

la industria química.

En el laboratorio se utilizaban instrumentos de vidrio. El manejo de mayores volúmenes de

sustancias requirió la utilización de recipientes menos frágiles que el vidrio, sustituyéndose por

hierro, acero o incluso madera que es muy resistente al ataque de la mayor parte de los reactivos

químicos.

Después de la segunda guerra mundial se produce un desarrollo espectacular de la industria

química, en parte por el aumento de la demanda de determinados productos, pero, sobretodo,

por la incorporación de avances científicos que mejoraron los rendimientos y disminuyeron los

tiempos de producción, fundamentalmente, modificando algunos factores externos.

Todo ello dio lugar a un cambio radical en los procesos industriales, apareciendo la profesión

de ingeniero químico.

Se deja de tratar el proceso químico como algo global y se fragmenta en fases distintas

denominadas operaciones unitarias: algunas de ellas son físicas (almacén y transporte de materias

primas, trituración, filtración, disolución, decantación, flotación, calefacción, refrigeración,

destilación...), otras son químicas (oxidación, neutralización, hidrólisis, reducción, fermentación...).

De cada una de estas operaciones unitarias se encarga personal especializado, cuya misión

consiste en optimizar el funcionamiento de dicha fase, extrayendo de ella el máximo rendimiento.

Todo esto dio lugar a un gran desarrollo tecnológico que permitió que se pudiera trabajar en

condiciones que hace un siglo eran impensables.

Como hemos podido ver, la forma de realizar los procesos en un laboratorio se ha ido

distanciando paulatinamente de la forma en que los mismos se realizan en la industria.

El esquema general de un proceso de producción industrial puede ser el siguiente:


11UNIDAD

261

Se suele clasificar la industria química en dos grandes bloques.

� Industria química de base: trabaja sobre materias primas naturales (minerales, combustibles

fósiles, aire, vegetales...) y obtiene productos, llamados productos básicos, muchos de

los cuales son utilizados por otras industrias (H

2

SO

4

, N

2

, O

2

, NH

3

, Na

2

CO

3

, NaOH...).

� Industria química de transformación: utiliza como materia prima los productos básicos

y obtiene productos finales, totalmente elaborados y aptos para ser introducidos en el

mercado, o bien productos intermedios que son utilizados por otras industrias, representan

un eslabón intermedio en el proceso de elaboración de otros productos.� Las industrias químicas más importantes son:

7. Procesos químicos y contaminaciónLa mayor parte de la industria química provoca fenómenos de contaminación, debido,

fundamentalmente, a gases que se expulsan a la atmósfera, residuos líquidos que se vierten a

las aguas de ríos o mares y residuos sólidos que se depositan en vertederos.

Es imprescindible que se tomen medidas para disminuir la generación de tantos residuos,

para reciclar algunos de ellos y para evitar que escapen gases tóxicos a la atmósfera, así como

el vertido incontrolado de residuos sólidos o líquidos.

Algunos ejemplos: Metalurgia de obtención de cinc. Industria papeleraVeamos un par de ejemplos de procesos industriales contaminantes:

� Fábrica metalúrgica para obtención del metal Zn

● La materia prima es el mineral blenda(ZnS).

El mineral se almacena al aire libre, pudiendo contaminar el aire con partículas sólidas

cuando hace viento.

● Petroquímica

● Metalúrgica

● Alimentarias

● Farmacéuticas

● Fabricación de productos intermedios

como H

2

SO

4

, NH

3

, HNO

3

...

● Detergentes

● Explosivos

● Agrícolas

● Textil

● Materiales de construcción

● Papel

Materias

primas

Proceso

Industrial

Subproductos

Mercado

UtilizaciónResiduos

Eliminación, tratamiento

262

● El mineral se somete a un proceso de tostación con O

2

del aire:

2ZnS + 3O

2

→ 2ZnO + 2SO

2

El ZnO se disuelve en agua y la disolución resultante se somete a un proceso electrolítico,

en el que el Zn

+2

de la disolución pasa a Zn metal, depositándose en el cátodo. Este

Zn se funde, dándole la forma en la que vaya a ser comercializado: bolas, lingotes,

barras...

● El SO

2

que se produce es un gas contaminante, pudiendo provocar enfermedades en

las vías respiratorias si se libera a la atmósfera, además de ser uno de los responsables

de la lluvia ácida.

● Se podría evitar esta contaminación por SO

2

si, junto a esta fábrica, se instalara una

planta de obtención de H

2

SO

4

, pues ese SO

2

es materia prima para la fabricación de

H

2

SO

4

.

� Industria papelera

● La materia prima es la madera cortada en pequeñas astillas que son sometidas a una

cocción con productos químicos como NaOH y Na

2

S, en unas determinadas condiciones

de presión y temperatura. Con ello se consigue disolver la lignina que es el cemento que

mantiene unidas las fibras de la madera, con lo que éstas quedan sueltas, pudiéndose

fabricar ya la pasta de papel. Pero con este proceso no queda eliminada toda la lignina,

por lo que la pasta obtenida tiene color marrón.

● Por este motivo la pasta resultante ha de someterse a un proceso de blanqueo para

eliminar la lignina residual y conseguir una pasta de color blanco. Es en este proceso de

blanqueo en el que se producen sustancias contaminantes.

Hasta ahora se ha venido utilizando cloro e hipoclorito para el blanqueo. Se producen

compuestos organoclorados, entre ellos dioxinas, uno de los venenos más potentes,

pues a su gran poder cancerígeno se une la persistencia y su condición de ser

bioacumualtivos. Es decir, una vez que las dioxinas entran en un organismo vivo, éste

no es capaz de eliminarlas, por lo que se van acumulando.

● En la actualidad se está investigando para evitar la formación de estas sustancias y ya

se han empezado a utilizar otros blanqueantes que no contienen cloro, como: O

2

, NaOH,

H

2

O

2

, incluso O

3

.

8. Una alternativa: química verdeDurante muchos años la industria química ha contaminado el medio ambiente sin que ello

pareciera importar a nadie. Afortunadamente se han empezado a tomar medidas, por una parte

legislativas, por otra, y esto es lo más importante, se está investigando para hacer de la química

una ciencia compatible con el medio ambiente.

La química que durante tanto tiempo ha perjudicado el medio ambiente es la que, recuperando

sus aspectos más constructivos, puede mejorar la calidad medioambiental, haciendo posible un

planeta más limpio.

Existe un movimiento de químicos concienciados con la problemática medioambiental que

trabaja en este sentido. Surge en 1995 en Estados Unidos con el nombre de GREEN CHEMISTRY.

Esta idea se ha ido extendiendo por otros países, entre ellos España, donde se conoce con

el nombre de Química Verde.


11UNIDAD

263

A continuación se detallan sus doce principios fundamentales:

1. Prevenir antes que tratar o limpiar.

2. Desarrollar métodos de síntesis que incorporen todos los materiales empleados.

3. Emplear procedimientos que no usen o generen sustancias peligrosas.

4. Obtener productos finales con menor toxicidad e igual eficacia.

5. Reducir o eliminar el uso de materiales auxiliares.

6. Reducir el consumo energético en el proceso.

7. Utilizar materias primas renovables, en lo posible.

8. Evitar derivaciones innecesarias de los compuestos.

9. Empleo de catalizadores sobre reactivos estequiométricos.

10. Evitar productos de consumo persistentes, y conseguir otros que se degraden a inocuos.

11. Desarrollar métodos de análisis en tiempo real para productos peligrosos.

12. Reducir el riesgo de accidentes, emisiones, etc. de los procesos, por las sustancias y los

métodos de operación.

En líneas generales, se trata de sustituir los materiales más peligrosos por otros que no lo

sean o que lo sean en menor medida, disminuir la generación de residuos, reutilizar materiales,

ahorrar energía...

Si esto se extendiera, implantándose en todas las industrias químicas, se contribuiría de manera

muy significativa a mejorar el Planeta. Si estudias Química, recuérdalo.

o b ` r b o a^

T Cuando se produce una reacción química se rompen los enlaces de los reactivos, hay que aportar

energía, y se forman los enlaces de los productos, tiene lugar un desprendimiento de energía.

T Cuando se necesita más energía para romper los enlaces de los reactivos que energía se desprende

en la formación de los enlaces de los productos, estamos ante una reacción que, al producirse,

consume energía.

T Cuando se libera más energía en la formación de los enlaces de los productos que energía se

consume en la rotura de los enlaces de los reactivos, estamos ante una reacción que, al producirse,

libera energía.

T Si al transformarse los reactivos en productos disminuye la energía interna del sistema, en esa

reacción se desprende energía. Esa reacción es exoenergética. Si, por el contrario, al transcurrir

la reacción aumenta la energía interna del sistema, se absorbe energía. Esa reacción es

endoenergética.

T El calor absorbido o desprendido en una reacción se denomina calor de reacción. Las reacciones

que desprenden calor se llaman exotérmicas y las que lo absorben se llaman endotérmicas.

T Si la reacción se produce en un recipiente abierto, parte de la energía de la reacción se transforma

en trabajo no útil, mientras que el resto de la energía se transforma en calor. Este calor o esta

energía de la reacción, una vez que descontamos el trabajo no útil se llama entalpía y se representa

por ΔH.

T Cuando una reacción desprende energía, la reacción opuesta consume esa misma cantidad de

energía.

T Cuando unos reactivos se convierten en determinados productos, la ΔH, o el calor de reacción

es siempre el mismo, independientemente de que la reacción se efectúe en una etapa o en una

serie de etapas.

UNIDAD 11 químicos importantes - Nocturno Giner · Cuando se produce una reacción química se...

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