Reacciones Químicas
Concepto de entalpía de reacción: ΔHr. Definimos la entalpía de una reacción química como el calor absorbido o desprendido en dicha reacción química cuando ésta transcurre a presión constante, es decir:
ΔH = QP
ΔH : entalpía de la reacción
QP : calor transferido a presión constante
Reacciones endotérmicas y reacciones exotérmicas
En las ecuaciones termoquímicas indicadas previamente aparecen los correspondientes valores de entalpía estándar de reacción para diversas reacciones, y todas ellas tienen signo negativo. ¿Qué significa el signo de la entalpía? Según el criterio establecido por la IUPAC, que hemos explicado al hablar de la transferencia de energía en forma de calor, es negativo el calor desprendido por el sistema, y positivo el calor absorbido por el sistema. Así, si la entalpía de reacción es negativa, significa que durante el transcurso de la reacción, el sistema pierde o libera calor hacia el entorno, mientras que si la entalpía de reacción es positiva significa que durante el transcurso de la reacción, el sistema absorbe calor del entorno. En función del signo de la entalpía, las reacciones se clasifican como endotérmicas y exotérmicas:
Una reacción exotérmica es aquella cuyo valor de entalpía es negativo, es decir, el sistema desprende o libera calor al entorno (ΔH < 0).
Una reacción endotérmica es aquella cuyo valor de entalpía es positivo, es decir, el sistema absorbe calor del entorno (ΔH > 0).
Por ejemplo, la reacción que hemos considerado previamente, de oxidación del monóxido de carbono para dar dióxido de carbono, tiene variación de entalpía negativa:
Esto significa que se desprende calor en el transcurso de la misma y es, por tanto, una reacción exotérmica, mientras que si consideramos la misma reacción pero en sentido contrario, el valor absoluto de la entalpía se mantiene, pero el signo cambia, siendo en este caso la entalpía positiva y, por tanto, una reacción endotérmica:
La Reacción Exotérmica:
Una Reacción Exotérmica es una reacción química que desprende energía en forma de luz o calor. En ella, la energía o entalpía de los reactivos es mayor que la de los productos.
Por lo tanto, en una Reacción Exotérmica:
ΔH = HProductos - HReactivos < 0
Diagrama de una Reacción Exotérmica
La Reacción Exotérmica precisa una determinada energía de activación (Ea) para alcanzar el complejo activado y expontáneamente transformarse en productos.Para calcular la energía desprendida se calcula la diferencia de entalpías de formación (ΔH0) entre productos y reactivos (Ley de Hess):Sea la reacción: 2 H2 + O2 → 2 H2Ocon ΔH0 (H2) = 0; ΔH0 (O2) = 0; ΔH0 (H2O) =-241,81KJ/molEntonces: ΔH = 2·ΔH0(H2O) - 2·0 - 0 = -483,62 KJ/mol < 0
Vemos que la reacción anterior tiene una diferencia de entalpías negativa, por lo tanto se trata de una reacción exotérmica que libera calor.
Etimológicamente, la palabra "Exotérmico" proviene del griego "Exo" (hacia fuera) y "Termo" (calor).
Por el contrario, una Reacción Endotérmica es aquella que absorbe energía para transformar reactivos en productos, siendo la energía o entalpía de los reactivos menor que la de los productos:
ΔH = HProductos - HReactivos > 0 .
Ejemplos de Reacción Exotérmica:
Reacciones de Combustión: desprenden altas cantidades de energía que pueden incluso generar fuego:
CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O + calor
2 H2 + O2 → 2 H2O + calor
C + O2 → CO2 + calor
2 CH3OH + 3 O2 → 2 CO2 + 2 H2O + calor
Combustión de fuel, gasolina, diésel...
...
Reacciones de oxidación:
2 Fe + O2 → 2 FeO + calor
4 Fe + 3 O2 → 2 Fe2O3 + calor
2 Mg + O2 → 2 MgO + calor
...
Reacciones de Ácidos con Bases (reacciones de neutralización):
HCl + NaOH → NaCl + H2O + calor
2 NaOH + H2SO4 → 2 H2O + Na2SO4 + calor
AgNO3 + NOCl → N2O4 + AgCl + calor
...
Transformaciones de estado:
Condensación (de estado gaseoso a líquido)
Solidificación (de estado líquido a sólido)
Reacciones de hidratación como:
CaO + H2O → Ca(OH)2 + calor
3 CaO · Al2O3 + Ca(OH)2 + 12 H2O → 4 CaO · Al2O3 ·13 H2O + calor
3 CaO · Al2O3 + 6 H2O → 3 CaO · Al2O3 · 6 H2O + calor
...
Unión de dos átomos de hidrógeno: H + H → H2 + calor
Otros ejemplos de reacciones exotérmicas:
CaO + H2O → Ca(OH)2 + calor
Fe2O3 + 2 Al → 2 Al2O3 + 2 Fe + calor
Zn + 2 HCl → ZnCl2 + H2 + calor
2 KClO3 → 2 KCl + 3 O2 + calor
Las reacciones exotérmicas son aquellas reacciones químicas que transfieren energía en forma de temperatura a los cuerpos que le rodean.
Cuando una reacción química ocurre, la energía es transferida desde o hacia los alrededores de un cuerpo, ocasionando que haya un cambio en la temperatura en su entorno (Arrington, 2017).
En el curso de la vida cotidiana es común ver cómo tienen lugar de forma natural o provocada diferentes reacciones exotérmicas que generan cambios en la temperatura de diferentes lugares.
Estos cambios de temperatura se pueden medir con la ayuda de un termómetro (BBC, Science, 2014).
La palabra “exotérmica” viene de las palabras “exo” que significa “salir” y “termos” que significa temperatura. De esta manera, se concluye que las reacciones exotérmicas son aquellas que liberan temperatura al exterior.
De manera opuesta a estas reacciones, se encuentran las endotérmicas, que absorben energía (BBC, 2014).
La energía se hace evidente de múltiples formas, incluyendo la temperatura, la luz, el sonido o la electricidad.
La energía normalmente se obtiene cuando los vínculos entre las moléculas de los materiales son rotos, ya que la mayor parte de la energía contenida en la materia se encuentra en estos vínculos.
Cuando una reacción ocasiona la ruptura de estos vínculos, hace que la energía en ellos sea liberada, generando una reacción exotérmica.
Ejemplos de reacciones químicas exotérmicas
Las reacciones exotérmicas siempre vienen acompañadas de un aumento de temperatura, y en su mayoría por chispas, llamas, humo, o algún sonido (Helmenstine, 2016).
Entre los ejemplos más comunes de reacciones exotérmicas se pueden listar los siguientes:
1 – Viruta de Acero + Vinagre: Esta mezcla funciona como una forma de combustión lenta en donde el acero sufre un proceso de oxidación gracias a la acción del vinagre.
2 – “Ladrido de Perro”: A esta reacción se le da este nombre puesto que de ella se desprende un sonido similar al del ladrido del perro.
Esta reacción se lleva a cabo al interior de un tubo de laboratorio donde óxido nitroso y óxido nítrico y bisulfato de carbono son mezclados.
3 – Botella de Vidrio + Alcohol: Similar a la reacción que genera el experimento anteriormente nombrado, está el de frotar una botella de vidrio con alcohol de forma tal que se produzca una llama.
4 – Detergente de Ropa + Agua: Cuando se disuelve jabón detergente para ropa, se puede apreciar la presencia de una reacción exotérmica.
Éste es uno de los ejemplos de reacciones exotérmicas más fácilmente observables en el hogar.
5 – Dentífrico de Elefante: Éste es un experimento comúnmente utilizado para explicar la dinámica de las reacciones exotérmicas.
Consiste en la disolución de peróxido de hidrógeno en algún medio jabonoso, para que de esta manera se produzca una gran cantidad de espuma.
A esta mezcla se le agrega un catalizador (yoduro de potasio) que ayuda a la rápida descomposición del peróxido.
6 – Ácido Sulfúrico + Azúcar: El proceso de deshidratación del azúcar produce una evidente reacción exotérmica.
Al mezclar ácido sulfúrico con azúcar, ésta es deshidratada y una columna de humo negro aparece, haciendo que el ambiente huela a mámelos quemados.
7 – Termita: La termita es una mezcla volátil de aluminio y óxido. Esta mezcla produce una reacción exotérmica conocida como reacción termita, donde una gran cantidad de calor y luz son producidos en el momento en el que la mezcla reacciona.
8 – Sodio + Agua: El sodio o cualquier medio alcalino reacciona fuertemente con el agua. Al agregar cualquier metal alcalino al agua (litio, sodio, potasio, rubidio o cesio) éste debe reaccionar.
En la medida en el que el número del elemento sea mayor en la tabla periódica, la reacción será más fuerte.
9 – Acetato de Sodio: El acetato de sodio es conocido como hielo caliente. Este material parte de la cristalización de soluciones congeladas que, en vez de liberar frío, liberar calor.
Por su apariencia, se le llama “hielo”, pero en realidad, el acetato de sodio cristalizado es uno de los materiales más comúnmente utilizados para fabricar calentadores de manos.
10 – Soda + Vinagre: Esta mezcla produce una reacción exotérmica que genera grandes cantidades de espuma, por tanto, es comúnmente utilizada para asemejar la explosión de un volcán.
11 – El Genio de la Botella: En este experimento, se mezclan peróxido de hidrógeno (agua oxigenada) con permanganato de potasio.
De esta forma, el permanganato descompone el agua oxigenada, haciendo que se libere una gran cantidad de humo y calor.
12 – Ositos de Goma Explosivos: Los ositos de goma son ricos en sacarosa (azúcar), sustancia que al mezclarse con clorato de potasio a altas temperatura produce una explosión violenta y el movimiento de los ositos de goma.
13 – Relámpago en un Tubo: Esta reacción se produce cuando se mezcla un ácido corrosivo con alcohol o acetona.
De esta manera, se puede ver una vigorosa reacción química que resulta en la generación de luz dentro de un tubo de forma similar a la de un relámpago.
14 – Congelar Agua: Durante este proceso el agua libera energía en forma de calor, por lo tanto, cuando se congelan cubitos de agua, tiene lugar una reacción exotérmica.
15 – Una Vela Encendida: El proceso de combustión de la parafina y la mecha de la vela producen una reacción exotérmica que genera calor y luz (TutorVista, 2017).
16 – Quemar leña: Al igual que la combustión de la parafina, quemar la madera produce una reacción exotérmica en cuanto a que el producto resultante de esta reacción se manifiesta como calor y temperatura.
17 – Respiración: Es proceso de respiración produce una reacción exotérmica al interior de las células durante el intercambio gaseoso.
De esta manera, la glucosa junto con el oxígeno es transformada en dióxido de carbono y calor.
18 – Corrosión de los Metales: Los metales puros, es decir, en su estado natural al entrar en contacto con el aire producen una reacción de oxidación junto con la generación de calor, por tanto, se dice que este proceso es exotérmico.
19 – Proceso de Combustión de Gases: El proceso de combustión de cualquier gas, como el metano o el natural, produce una reacción exotérmica que se manifiesta en la generación de calor y en algunas ocasiones, cuando la combustión se da de forma controlada, también puede producir luz.
20 – Encender un Fósforo: Cuando se enciende un fósforo, se genera una reacción entre las sustancias químicas que lo componen y el oxígeno presente en el aire.