jueves, 24 de junio de 2021

Ecuaciones químicas

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Para comunicarse entre sí, los químicos han desarrollado un método estandarizado para representar as reacciones químicas llamado, la ecuación química, la cual se componen de fórmulas químicas y símbolos de condiciones de reacción, las cuales en su conjunto deben resumir un proceso que ocurre en el mundo físico.

Una especie química es una sustancia con un comportamiento fijo en sus reacciones. Es decir, podemos tener cantidades diferentes obtenidas de lugares, modos y momentos diferentes, pero al ser la misma especie/sustancia compartirán exactamente sus mismas propiedades como el color, el sabor, la densidad, la conductividad y la reactividad entre muchos otros. Una característica primordial es que una especie es una sustancia que se encuentra en estado de pureza cuyas propiedades se manifiestan de manera igual en cualquier porción que se emplee para estudiarlas.

Muchas especies diferentes poseen un comportamiento análogo, es decir, presentan un grupo de reacciones similares frente a la acción de un buen número de reactivos. Estas especies químicas se reúnen para su estudio y al analizarlas se ha determinado que generalmente comparten un grupo de elementos enlazados de una manera similar. A esta agrupación atómica común la denominamos grupo funcional. Independientemente de si se trata de sustancias o grupos funcionales, el modelo que de ellos nos hacemos en las ecuaciones químicas se basa en las fórmulas químicas que pueden ser moleculares o estructurales, aunque también se pueden emplear símbolos generales no relacionados con una sustancia en concreto, en este caso generalmente se emplean mayúsculas.  Toda ecuación química intenta ser una representación de la balanza estequiométrica o ley de la conservación de la materia.

La balanza estequiométrica se representa de cuatro formas:

Se emplea el símbolo de igualdad = únicamente para representar que la masa es constante a un nivel netamente matemático.

La flecha simple nos indica la dirección de una reacción química, la cual puede ser produce que se emplea para reacciones en un solo sentido, típicas de los procesos inorgánicos.

Las líneas dobles empleadas para representar reacciones reversibles que aún no alcanzan el equilibrio químico.

Las flechas se emplean para reacciones reversibles que han alcanzado un equilibrio químico.

El símbolo de suma + sirve para indicar las especies químicas que deben mezclarse para ejecutar la reacción y/o para representar las especies químicas de salida que se desprenden de la reacción, que pueden estar mezcladas inicialmente y separarse posteriormente por diferencias en sus propiedades físicas.

Otro tipo de símbolos comunes son los de carga, que se dividen en virtuales y iónicos, los virtuales (Fe+3) representan los estados de oxidación y se escriben tenuemente o a lápiz sobre el símbolo del elemento, mientras que los iónicos (Fe3+) se representan obligatoriamente como un superíndice en los iones permanentes. La carga iónica en un grupo de átomos afecta globalmente al grupo, por ejemplo, el ion sulfato (SO42-) tiene una carga relativa z(SO42-) = -2, pero a su vez cada elemento en el ion tiene su propia carga relativa virtual que aporta a la carga neta del ion z(O) = -2 y z(S) = +6

Coeficiente estequiométrico o número estequiométrico

Para que la masa se conserve, es común tener que emplear más de una molécula en los reactivos y los productos, para representar más de una molécula por evento de reacción debemos emplear símbolos de cantidad llamados coeficientes o números estequiométricos (vi). Existen tres formas de representar los coeficientes estequiométricos.

- Símbolo general (vi), muy compun en textos de fisicoquímica, pero prácticamente ausente en textos de química general.

- Mediante símbolos algebraicos, en este caso se emplean minúsculas, y nuevamente, se emplean para representar procesos generales aA + bB cC + dD.

- Mediante numerales arábigos O2 + 2H2 2H2O y es el método que empleamos para igualar la cantidad de átomos a ambos lados del símbolo de la balanza estequimétrica.

La ley de la conservación de la masa nos determina que la cantidad de átomos a un lado debe ser la misma al otro.

Los símbolos de estado de materia también pueden ser importantes ya que están asociados a estados energéticos, en este caso se emplean como subíndices al pie de las fórmulas moleculares entre paréntesis, siendo estos: (s) sólidos cristalinos o amorfos, (l) líquidos puros, (g) gases, (aq) mezclas en agua o acuoso y (p) plasma.

La energía puede ser representada de múltiples formas, una de las más comunes es la calórica. El símbolo de energía calórica se representa con la letra griega delta mayúscula Δ, la cual puede ubicarse como reactivo, como producto o como condición física sobre la flecha.

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Ecuación química para una reacción exotérmica.

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Ecuación química para una reacción endotérmica.

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Ecuación química para una reacción endotérmica.

En general la Delta representa calor en forma de fuego, para otras formas de energía se pueden emplear otros símbolos, siendo el más general (E). En las ecuaciones 2, 3, y 4 se muestran diversos modos de representar el calor en una reacción química, sea como producto, reactivo o condiciones. Si existen otros tipos de energía o desea una notación más general puede reemplazar delta por  que implica energía en términos generales.

Cuando tenemos sustancias en estados acuosos o líquidos que reacción para generar gases o sólidos tenemos reacciones de evaporación o precipitación. Cuando el concepto de la evaporación o la precipitación son importantes y se desea remarcarlo, se emplean los símbolos de precipitación () y evaporación () siempre después de la fórmula molecular.

Los catalizadores son sustancias que intervienen en la reacción pero que no se consumen, se colocan como condición de reacción sobre la flecha. Pueden ser elementos, fórmulas moleculares con indicadores de pureza, o nombres de enzimas que pueden ser solo las siglas.

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Reacción catalizada por platino metálico.

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Reacción catalizada por una solución de ácido sulfúrico al 98%

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Reacción catalizada por una enzima "proteína especializada en catalizar". Las proteínas son productos de los seres vivos generadas por el ADN.

Otras condiciones físicas pueden aparecer en las fórmulas, como la electricidad simbolizada como e-, la luz, la presión y la temperatura. La luz no tiene un símbolo estándar, así como la presión o la temperatura por lo que se emplean sus valores numéricos con sus unidades asociadas, por ejemplo la luz verde se asocia a rangos entre 495 y 570 nm; para la presión normalmente se emplea la unidad atmósfera, por ejemplo la presión estándar normal es de 1 atm al nivel del mar, aunque se pueden emplear otras unidades; para la temperatura se pueden emplear las unidades °C o K, por ejemplo la congelación del agua en condiciones estándar es a 0°C o 273,15 K.

En ocasiones, especialmente en bioquímica, dos líneas de rutas de reacción pueden combinarse en un paso denominado reacción acoplada, para volver a separarse. Estos pasos de acoplamiento generalmente involucran una ruta principal que se simboliza normalmente y una ruta acoplada que se simbólica con una flecha de produce curvada.

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La deshidrogenación del etanol es una reacción clave en las rutas metabólicas relacionadas con las bebidas alcohólicas.

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