8.1 ENTALPIA DE REACCION Y ENTALPIA
DE FORMACION
Durante
toda su existencia, la humanidad ha utilizado reacciones químicas para producir
energía. Éstas han ido desde las más rudimentarias, como la combustión de
madera o carbón, hasta las más sofisticadas, como las que tienen lugar en los
motores de aviones, naves espaciales, lanchas ultrarrápidas y automóviles de
carreras. Como sabemos, las reacciones químicas van acompañadas de un
desprendimiento o de una absorción de energía. (En el mundo se han utilizado las
diferentes energías que hoy son de buen útil)
Las
reacciones químicas provocan una variación de energía, que suele manifestarse
en forma de calor. Su estudio es muy importante, por lo que en este bloque se
determinara el calor absorbido o desprendido en las reacciones, así como los
posibles métodos para su determinación.(Siempre se ha estudiado el calor que es una de las
principales fuentes de energía mas conocida en el mundo)
Antes
de continuar, se establecerá el significado de algunos términos que se emplean
con frecuencia, como la palabra sistema. Por sistema se entiende la porción
especifica del universo en la cual se enfoca la atención.
Por
ejemplo, si se quisieran considerar los cambios que se producen en una solución
de cloruro de sodio y nitrato de plata, la solución es el sistema, mientras que
el vaso de precipitados y todo lo demás son los alrededores.
Para
explicar los cambios que se producen en un sistema, es necesario definir con
precisión sus propiedades, antes y después de que se produzca el cambio. Por lo
regular, esto se hace al especificar el estado del sistema, es decir, al reunir
un grupo especifico de condiciones de presión, temperatura, numero de moldes de
cada componente y su forma física (por ejemplo, gas, liquido, solido, forma cristalina).Al
especificar estas variables, se han fijado todas las propiedades del sistema.
Por tanto, el conocimiento de estas características permite definir sin
ambigüedad las propiedades del sistema.
Continuando
con el tema, diremos que en los siglos xvll y xvlll, los mundos de la química y
la física parecían estar bien delimitados. La química se enfocaba al estudio de
aquellos cambios que implicaban alteraciones en la estructura molecular, entre
tanto la física se encargaba del estudio de aquellos cambios que no implicaban
dichas alteraciones.(Los científicos se han enfocado en la química y en cambios que ocurren en la estructura
molecular)
De
esta manera, mientras que en la primera parte del siglo xlx Davy
se ocupaba de alterar la ordenación molecular de los compuestos inorgánicos y Berthelot
la de los compuestos orgánicos, los físicos Joule, Mayer y Helmholts estudiaban el flujo
del calor, al que denominaron termodinámica (de las palabras griegas que
significan movimiento de calor).En 1840, su trabajo comprobó que en los cambios
sufridos por el calor y otras formas de energía, no se destruye ni se crea energía.
A este principio se le llamo la LEY DE LA CONSERVACION DE LA ENERGIA O PRINER PRINCIPIO
DE LA TERMODINAMICA.(Estos científicos descubrieron esta ley que tardaron
muchos años en descubrilo)
A
estos trabajos se sucedieron las aportaciones de los físicos Carnot,
Thomson,
Kelvin,
Clausius,
quienes demostraron que el calor, abandonado a si mismo, fluyen espontáneamente de un punto con mayor temperatura hacia otro
con menor temperatura, y que a partir del calor se puede obtener trabajo
solamente cuando existe tal flujo de calor a través de una diferencia de
temperaturas. Esta indiferencia se generalizo para aplicarla a cualquier forma
de energía que fluye desde un punto de mayor intensidad hacia otra de menor
intensidad.(Los
físicos hablaron acerca del calor y sus diferentes reacciones y cambios de
temperatura)
Por
su parte, en 1850,Clausius estableció el termino entropía para
designar la proporción entre el calor contenido en un sistema aislado y su
temperatura absoluta. Asimismo, demostró que en cualquier cambio espontaneo de
energía, la entropía del sistema se incrementa. Este principio se le llamo
segundo principio de la termodinámica.(Este científico descubrió que el calor puede ser aislado
hasta su temperatura)
Tales
avances en el terreno de la física no podían aislarse de la química, ya que
después de todo, aparte del sol, la mayor fuente de calor en el mundo del siglo
xlx residía en las reacciones químicas, como la combustión de la madera, el
petróleo y el carbono. Por esta misma época, también se observo que otras
reacciones químicas desarrollaban calor, por ejemplo, la neutralización de
ácidos por bases. De hecho, todas las reacciones químicas implican algún tipo
de transferencia térmica, ya sea de emisión de calor (y a veces luz) al
entorno, o bien de absorción de calor (y a veces de luz) desde el entorno.(Se ha
descubierto que las emisiones de calor son producidas al quemar diferentes
combustibles, las que ya son comnocidas)
En
1840, los mundos de la química y de la física se unieron y comenzaron a marchar
juntos gracias al trabajo del químico ruso-suizo Germain Henri Hess (1802-1850).Hess
dio a conocer los resultados de cuidadosas medidas que había tomado sobre la
cantidad de calor desarrollada en las reacciones químicas entre cantidades
fijas de algunas sustancias.(El científico ruso conoció la reacción química a través
del calor producido)
Logro
demostrar que la cantidad de calor producida (o adsorbida) en el paso de una
sustancia a otra era siempre la misma, sin importar la ruta química por la que
había ocurrido el cambio, ni encutas etapas. Debido a esta generalización (la
ley de hess), esta personalidad es considerada en ocasiones como el fundador de
la termoquímica (química del calor de las reacciones químicas).Con base en
dicha ley, parecía altamente probable que la ley de la conservación de la
energía se aplicase tanto a los cambios químicos como a los físicos.(Habían métodos
diferentes con que se producía el calor mediante sustancias)
Entre
1860 y 1869, Pierre berthelot, quien había hecho importantes trabajos en síntesis
orgánica, concentro su atención en la termoquímica. Para ello, ideo algunos
métodos parta efectuar reacciones químicas dentro de cámaras cerradas rodeadas
por agua a temperatura conocida y a partir del incremento en la temperatura del
agua circundante al finalizar la reacción, podía medirse la cantidad de calor
desarrollada por la misma. Utilizando este tipo de calorímetro (de la palabra
latina que significa medida de calor), berthelot obtuvo determinaciones
cuidadosas de la cantidad de calor desarrollada por cientos de diferentes
reacciones químicas.(Desarrollo el método de calorímetro, que determinara la
cantidad de calor que se producía)
A
partir de la anterior explicación sobre el calor en las reacciones químicas,
podemos decir que una razón por la cual se lleva a cabo es porque los productos
alcanzan un estado de energía menor, más estable que el de los reactivos. Para
que los productos alcancen este estado más estable, se debe liberar y emitir
energía a los alrededores en forma de calor (o como trabajo y calor).(Se habla de
las diferentes reacciones que se producían mediante el calor)
Cuando
se neutraliza una solución de una base agregado un acido, la liberación de
energía se nota por un aumento inmediato de temperatura en la solución. Por
ejemplo, cuando el motor de n automóvil quema gasolina, desde luego se libera
calor, y al mismo tiempo parte de la energía efectuada el trabajo de mover el
automóvil.(El
acido es el que neutraliza el aumento de calor en vehículos)
8.3 VELOCIDAD DE REACCION
¿Cómo
se define la velocidad de una reacción química? ¿En que unidades se mide? ¿Qué
factores afectan la velocidad de una reacción? ¿Qué es la catálisis? ¿Por qué
cuando se agrega un acido a un clavo reacciona inmediatamente? ¿Por qué la
leche se descompone mas rápido en lugares mas calurosos que en clima templado o
frio? ¿Por qué un clavo tarda mas en disolverse en acido sulfúrico, que si
estuviera pulverizado o en forma de viruta de hierro? Al concluir el estudio de
este tema podrás contestar estas preguntas.(Existen muchos utensilios que usamos, en un tiempo se
oxidad o se descomponen)
En la
vida diaria los cambios suceden a diferente velocidad; por ejemplo, en la
Ciudad de México el transito se hace muy lento en las horas pico (de 6 a 8 de
la mañana y de 2 a3 de la tarde), pero de las 10 a las 12 del día se puede
circular a muy buena velocidad por las principales calles de la ciudad.(Mediante la
velocidad, hay diferentes tiempos en que cambia de menor a mayor en nuestra
vida cotidiana)
También
puedes regular la velocidad a la que gira un ventilador según la cantidad de
aire que quieras recibir. Respecto a los alimentos, ¿Por qué al partir un
aguacate se ennegrece rápidamente?, y si lo metes al refrigerador, ¿dura mas
tiempo sin ennegrecerse? ¿A qué se debe eso? La velocidad es una medida del
cambio que ocurre por unidad de tiempo.(Hay diferente métodos para regular el tiempo, en el caso
de los alimentos)
En la
mayoría de las reacciones químicas lo que interesa es acelerar las
transformaciones, por ejemplo, en la fabricación de productos industriales;
aunque en algunos casos el propósito es retardar una reacción, como la
corrosión del hierro, la descomposición de alimentos, etcétera.(En los
productos, se pueden descomponer hasta corrocerse, que son los alimentos y el
hierro)
Por
lo anterior, es muy importante saber como ocurren las reacciones químicas y los
factores que efectúan la velocidad de reacción.
La
parte de la química que estudia la velocidad de las reacciones se llama cinética
química y la velocidad de una reacción se define como la cantidad de uno de los
reactivos que se transforma por unidad de tiempo, o bien la cantidad de uno de
los productos que se forma por unidad de tiempo.
Es
frecuente confundir los conceptos velocidad de reacción y tiempo de reacción.
Este último puede definirse como el tiempo transcurrido desde el inicio de una
reacción hasta la aparente terminación de la misma.(En ciertas ocasiones, nos preguntamos
acerca de la velocidad, que reacciones tendrán
con el tiempo lo productos)
La
velocidad de una reacción depende del numero de choques eficaces (es decir, de
los que producen una reacción) entre las moléculas reaccionantes.
El
numero de choques eficaces esta en función de:
1.
Numero de choques totales, que dependen a su vez de las concentraciones de los
reactivos y de su estado físico
2.
Numero de moléculas con energía cinética suficiente, que aumenta en gran medida
con la temperatura.
De
acuerdo con lo anterior (que se denomina teoría de las colisiones), existen
cuatro factores que efectúan la velocidad de una reacción: naturaleza de los
reactivos, concentración y estado físico de los reactivos, temperatura y
catalizadores.(En
nuestro ambiente habrá cambios que no podemos ver a nuestro alrededor)
TEORIA DE LAS COLISIONES
Muchos
han sido los esfuerzos realizados para comprender las propiedades de la materia
y para establecer una teoría sobre la naturaleza del calor. En la actualidad
estas dos vertientes convergen para dar paso al modelo cinético molecular. Éste
abarca una de las teorías científicas que tiene una gran influencia en el
desarrollo de la física y la química. De dicha teoría surge la explicación del
comportamiento de cada uno de los estados de agregación de la materia,
describiendo como ocurren algunos fenómenos.(Se han explicado acerca de este modelo que
tiene un comportamiento en los estados de agregación)
La
teoría cinética de la materia es el intento mediante el cual se desean explicar
las propiedades observables en escala macroscópica de cualquier sistema que nos
rodea y que se encuentran al menos en alguna de las tres fases: gaseosa,
liquida o solida, a partir de las leyes que nos gobiernan las microscópicas que
los forman; es evidente que en alguna forma es necesario recurrir a la
imaginación, a la intuición y, en cierta medida, a la observación, para
conceptualizar y definir dicho sistema.(Implica esta teoría acerca de las propiedades de la
materia)
Esto
quiere decir que la información que se puede obtener de este sistema está
limitada a la observación y medición de algunos de sus atributos accesibles a
nuestros sentidos, los cuales reflejan su naturaleza macroscópica, como su
volumen, masa, presión, temperatura, color, energía, etc. Pero a partir de esta
información muy poco se puede aprender del comportamiento individual de cada
uno de los millones y millones de átomos o moléculas que los forman. Por ello
es necesario recurrir a la imaginación para crear mentalmente un modelo en el
cual, por medio de ciertas hipótesis, se describan algunas características de
esta enorme población de átomos o moléculas.(Hay muchas moléculas que forman cualquier materia como las estamos
viendo en nuestro alrededor)
Este
modelo tendrá un mínimo de hipótesis y con base en ellas habrá que deducir si
las propiedades macroscópicas del sistema, descrito por dicho modelo,
concuerdan con las observaciones realizadas en el laboratorio de las
propiedades de un sistema real. Si la concordancia es satisfactoria, el modelo
es apropiado para describir el sistema, si no, habrá que modificarlo hasta
obtener uno que si lo sea.
De
esta manera, haciendo suposiciones simples, relativas a la estructura y
conducta de los átomos en la fase gaseosa, se obtiene una teoría molecular de
los gases que concuerda con las diversas propiedades macroscópicas observadas.(Siempre habrá
muchas formas de obtener cualquier estructura molecular)
NATURALEZA DE LOS REACTIVOS
La
mayor o menor velocidad de una reacción depende de las características de las
sustancias reaccionantes.Por ejemplo, en una solución acuosa las sustancias que
forman iones reaccionan con gran velocidad, difícil de medir, como en la
neutralización acido-base. En cambio, las reacciones que ocurren solidas, la
velocidad de reacción varía dependiendo de la superficie de contacto. Por
ejemplo, cuando se cuece una papa entera su velocidad de reacción es menor que
si se cuece cortada en trozos; en este último caso tardaría menos tiempo en
cocerse porque aumenta la superficie de contacto del vegetal con el agua.(No importa la
velocidad que sea habrá cambios como sustancias solidas entre otras)
INFLUENCIA DE LA CONCENTRACION
De
acuerdo con la teoría de las colisiones, para que se produzca una reacción
química tiene que chocar entre si las moléculas iniciales.Ahora bien, según la
teoría cinética, el numero de choques es proporcional a la concentración de
cada reactivo. Por tanto, a mayor concentración, mayor numero de choques, y
mayor la velocidad de reacción.(La teoría cinetica se encontrara velocidades en las
moléculas)
Así,
en la reacción para formar acido yodhídrico (HI), es evidente que si, por
ejemplo, duplicamos la concentración de yodo (I ), cada molécula de hidrogeno
(H ), al encontrase con un doble numero de moléculas de I , chocara un numero
doble de veces, por lo que la velocidad de reacción se duplicara. Lo mismo
ocurrirá si lo que se duplicara es la concentración de H .
Por
tanto, la velocidad de la reacción será proporcional a la concentración de cada
reactivo.
VELOCIDAD Y TEMPERATURA
Al
elevar la temperatura de un sistema aumenta la velocidad de las moléculas y con
ello el número de choques entre ellas, y viceversa. El notable incremento de la
velocidad de reacción al aumentar la temperatura se debe a que se incrementa el
porcentaje de moléculas activas, esto es, la energía cinética es superior a la
de activación (la necesaria para iniciar una reacción).
CATALISIS
En el
último cuarto siglo xlx, los científicos alemanes fueron pioneros en el estudio
de los cambios físicos asociados a las reacciones químicas. El científico mas importante
en este campo de las fisicoquímicas fue el químico ruso-germano Friedrich
Wilhelm Ostwald (1853-1932), quien procedió casi inmediatamente a poner en práctica
las teorías del físico estadounidense Josiah Wllard Gibbs (1839-1903), el cual
estaba aplicado la catálisis a las reacciones químicas.(Hubo científicos que trataron de estudiar
los cambios físicos en las reacciones químicas)
La
catálisis (palabra sugerida por Berzelius en 1835) es un proceso en el cual la
velocidad de una reacción química determinada se acelera, en ocasiones
enormemente, por la presencia de pequeñas cantidades de una sustancia que no
parece tomar parte en la reacción. Así, el polvo de platino cataliza la
reacción entre el hidrogeno y el oxigeno. Por lo tanto: un catalizador es una
sustancia que modifica la velocidad de una reacción sin sufrir cambios
aparentes en su composición o peso.(En una sustancia habrá catalizadores que aceleran las
reaccione químicas)
En un
principio se creyó que los catalizadores no intervenían en una reacción química
y actuaban por su simple presencia. En la actualidad se ha comprobado que toman
parte activa en la reacción, formando compuestos intermedios inestables que se
descomponen en seguida regenerando el catalizador, por lo que este no se consume.
De esta forma, el catalizador cambia el curso ordinado de la reacción, lo cual
reduce la energía de activación.
Ejemplos
de catalizadores positivos (los que aceleran una reacción) son el dióxido de
manganeso (MnO ), que se utiliza en la obtención del clorato de potasio (KClO
), Y EL PLATINO (Pt), que se emplea en la fabricación del acido sulfúrico (H SO
).
Un
catalizador negativo, es decir, el que retarda una reacción, es el tetraetilo
de plomo (C H ) Pd, que en México se utilizaba como antidetonante en las gasolinas
hace muchos años.
Las
acciones catalíticas intervienen en gran número de fenómenos químicos de
importancia científica, industrial y biológica. Puesto que sin los
catalizadores muchas reacciones se verificarían tan rápido o tan lentamente que
sería imposible aprovecharlas, en diversas reacciones entre gases se utilizan
catalizadores sólidos que se llaman de contacto. El proceso se denomina
catálisis heterogenea.En los automóviles se utilizan convertidores catalíticos
de contacto en los tubos de escape. Estos catalizan la oxidación del CO a
CO y los restos de hidrocarburos sin
quemar de la gasolina. Los óxidos de nitrógeno se descomponen en N y O
evitando que se emitan gases muy tóxicos a la atmosfera.(existen
catalizadores que en el caso pueden ser los
automóviles)
CONSUMISMO E IMPACTO AMBIENTAL
En México,
cada año se producen ocho millones de toneladas de residuos peligrosos; en el
Distrito Federal se generan entre dos y tres millones de toneladas.
Solo
el 12% se controla adecuadamente y el problema es agravado por el hecho de que
cerca de 90% de estos residuos se encuentra en estado liquido, acuoso o
semilíquido, lo que facilita su disposición clandestina.(Cada año se produce residuos peligrosos
que pueden ser liquidos)
Muchos
de los productos que usamos diariamente en nuestros hogares están catalogados
como productos nocivos para nuestra salud y el medio ambiente. Esto implica que
debemos tener cuidado con su consumo, manejo y desecho.(Hay que cuidar nuestra salud de los
productos que usamos en el hogar)
Un
material peligroso es cualquier que tenga una o varias de las siguientes categorías:
corrosivo, toxico, reactivo, explosivo, inflamable o infeccioso. Si bien en la
mayoría de las etiquetas de productos con sustancias peligrosas se menciona si
es toxico, explosivo o inflamable y las precauciones que se deben tener en su
uso, manejo y almacenamiento, también es cierto que podemos disponer de estas
sustancias en las que no se informa que su disposición puede ser peligrosa. A
nivel domestico e industrial no existe una cultura del manejo de estos residuos
peligrosos y como emplearlos, por lo que
generalmente terminan de manejar irresponsable en los desagües, ríos, barrancas
y tiraderos. En México, durante el año 2002, se importaron 276 000 toneladas de
residuos tóxicos para su reciclaje.(Los que causan la muerte deben ser usado con mayor
responsabilidad)
Como
pequeños consumidores de residuos peligrosos podemos empezar por nuestro hogar,
ya que una buena parte de los productos de limpieza, como desinfectantes,
limpiahornos, desengrasantes, detergentes, cloro, blanqueadores, destapacaños y
demás productos que usamos diariamente, contienen materiales tóxicos y algunos
están registrados como pesticidas.(En nuestro hogar hay diferente productos de limpieza que
pueden ser peligrosos)
En el
mantenimiento de nuestra casa utilizamos materiales y productos tóxicos, tales
como pintura, barnices y pegamentos. Por ejemplo, una pintura de aceite puede
contener hasta 40% de oxido de plomo, por lo que un galón de puede contaminar
hasta un millón de litros de agua potable. De 28 pesticidas que se usan en
forma común, por lo menos 23 son carcerigenos;
anualamente, 20 000 muertes son causadas por residuos de pesticidas en
los alimentos. Una pila pequeña puede contaminar hasta 600 000 litros de agua.(habrá muchas
soluciones para el contaminante mas peligroso que es la pintura)
México
vive una situación de emergencia ante la acelerada y dramática desaparición de
sus bosques y selvas; en las últimas cinco décadas la superficie forestal se
redujo a la mitad, lo cual pone en riesgos a muchos otros recursos como la
capacitación de agua.(En nuestro país sea tratado de proteger el ambiente que
pude ser dramitico)
8.4 DESARROLLO SUSTENTABLE
La
Ciudad de México y su gran área metropolitana ocupan un espacio geográfico que
ha rebasado por muchos las expectativas de desarrollo y, por consiguiente, se
ha generado una serie de problemas que impacta negativamente al medio ambiente
y demerita la ciudad de vida urbana. Para recuperar una ciudad que genere la
posibilidad de una vida donde haya un ambiente sano para las actuales y futuras
generaciones, es urgente reencauzar y ordenar su crecimiento con lineamientos
racionales y regulado. Este crecimiento ha provocado la sobreexplotación de los
recursos naturales, especialmente del agua; la degradación del medio ambiente
ha afectado la calidad del aire con un vehicular creciente; se ha deteriorado
su fauna y su flora, y se ha roto el equilibrio hidráulico y geohidrologico.(Siempre habrá
contaminación que nosotros podemos reciclar para que no sea un problema
ambiental)