CATALIZADORES

Esta sesión tiene como objetivo que el estudiante identifique el factor que afecta la velocidad de la reacción efectuada.

Para ello vamos a agregar solución de peróxido de hidrógeno al 30 % a un tubo de ensayo que contiene una pequeña cantidad de dióxido de manganeso. ¿Qué ocurrió? ¿Qué gas se desprende? ¿Cómo se comprueba?

Se observa la descomposición del peróxido de hidrógeno en agua y oxígeno:

MnO₂

2 H₂O₂ (ac)  ————–> 2H₂O (l)  +  O₂ (g)

Sin el MnO₂ la reacción ocurre muy lentamente.

¿Qué papel juega el MnO₂ en la reacción?

Un catalizador no actúa ni como reactivo ni como producto, al final de la reacción se conserva intacto, por lo que puede recuperarse.

APLICACIONES DE LOS CATALIZADORES

Muchos metales de transición como el Fe, Ni, Pd, Pt, Au, y sus compuestos, como el MnO₂ utilizado en la reacción, tienen propiedades catalíticas, las cuales se aprovechan en importantes reacciones, como en la síntesis de amoníaco a partir de hidrógeno y nitrógeno, que emplea hierro como catalizador, más una pequeña cantidad de  óxidos de potasio y aluminio. La reacción ocurre a aproximadamente 500°C.  El amoníaco es un compuesto inorgánico muy valioso para la producción de fertilizantes.

En los últimos años, los catalizadores han adquirido enorme importancia en la disminución de la contaminación del aire provocada por automóviles, que emiten monóxido de carbono, CO, óxido nítrico, NO, entre otros peligrosos contaminantes. Los autos de fabricación reciente están equipados con convertidores catalíticos  que contienen paladio, platino y rodio, los cuales, catalizan la oxidación  del monóxido de carbono y los hidrocarburos que no se queman, hasta dióxido de carbono CO₂ y H₂O; además, reducen el óxido nítrico, NO, y dióxido de nitrógeno, NO₂, a N₂ y O₂.  Debido a que los catalizadores no son compatibles con los antidetonantes de la gasolina que contienen plomo, los autos más recientes se construyen para consumir gasolina sin plomo.

Otra aplicación importante de los catalizadores se encuentra en el asfalto ecológico que ya se ha utilizado en ciudades europeas como Madrid, Londres, París para absorber la contaminación de los tubos de escape. El asfalto contiene óxido de titanio que actúa en una reacción de fotocatálisis, con el efecto de los rayos ultravioleta, que da como resultado la eliminación de óxidos de nitrógeno de los tubos de escape de los automóviles, que junto con los de azufre, son los responsables de la lluvia ácida y de la niebla que se forma en las ciudades con gran tránsito vehicular.

BIOCATALIZADORES

Ahora veremos lo que sucede cuando agregamos un poco de hígado de res molido al peróxido de hidrógeno o agua oxigenada. Se observa la rápida descomposición del peróxido de hidrógeno en agua y oxígeno. ¿Por qué? ¿Qué contiene el hígado de res que acelera  la reacción?

El peróxido de hidrógeno es una sustancia fisiológicamente tóxica debido a su poder  oxidante;   se produce durante la degradación de lípidos. La sangre y el hígado de los mamíferos contienen una enzima denominada catalasa que protege a las células acelerando la descomposición del peróxido de hidrógeno en agua y oxígeno. Las células se rompen al moler el hígado y por esta razón la reacción se lleva a cabo con mayor rapidez.

REACCIONES QUÍMICAS

En la naturaleza o en la industria se llevan a cabo importantes reacciones químicas que proporcionan valiosos productos. Durante la fotosíntesis que realizan las plantas  se libera oxígeno necesario para la respiración de los seres vivos, se produce alimento y mantiene el equilibrio ecológico al procesarse el dióxido de carbono atmosférico. En nuestro organismo ocurren un gran número de reacciones químicas que nos mantienen con vida, como la oxidación de la glucosa en el interior de las células, para obtener energía.

Pero, ¿Qué es una reacción química? ¿Cómo se comprueba que se ha efectuado una reacción?

Podemos contestar estas preguntas realizando lo siguiente:

En un tubo de ensayo colocamos solución acuosa de sulfato cúprico al 5 % hasta un poco más de la mitad del tubo e introducimos un clavo de hierro limpio. Al cabo de 10 minutos sacamos el clavo del tubo y observamos.

¿Qué le sucedió al clavo? ¿Qué color adquirió la solución? ¿Por qué? ¿Cómo se representa el cambio efectuado?

En la reacción el hierro del clavo toma el lugar del cobre en el sulfato cúprico,     formándose cobre y sulfato ferroso en solución de color verde-azul. Este cambio químico se puede representar por medio de la siguiente ecuación química:

Fe_(s) +      CuSO_{4 (ac)   →} Cu_(s) +   FeSO_4(ac)

Por lo anterior podemos afirmar que una reacción química es:

Ecuaciones Químicas

Las ecuaciones químicas nos proporcionan valiosa información en forma abreviada, de lo que sucede en una reacción química, por medio de símbolos y fórmulas de los reactivos y productos.

A las sustancias que inicialmente participan en una reacción se les llama reactivos y se escriben a la izquierda de una flecha, que indica el sentido de la reacción;  las que se obtienen al final de la reacción son llamadas productos y se escriben a la derecha de la flecha.

La reacción efectuada anteriormente:

REACTIVOS                      PRODUCTOS

Fe_(s) +   CuSO_{4 (ac)     →} Cu_(s) +   FeSO_{4 (ac)}

Los símbolos empleados comúnmente en las reacciones químicas son:

El empleo del hidrógeno como combustible representa una alternativa provechosa ante el agotamiento de los combustibles fósiles y el daño ambiental que éstos ocasionan. El producto “limpio” de la combustión del hidrógeno es el agua. Esta reacción la representamos por medio de la siguiente ecuación:

Coeficientes

2H₂ +      O_{2    →} 2H₂O

Significado:

Dos moléculas     una molécula        dos moléculas

de hidrógeno       de oxígeno             de agua

.

El coeficiente es el número que se escribe antes de la fórmula de una sustancia e indica el número de moléculas de esa sustancia que participan en la reacción. Cuando el coeficiente es uno se omite el número, como en el caso de la molécula de oxígeno.

Se ha anotado el coeficiente 2 antes del H₂ y del H₂O para tener la ecuación balanceada, es decir, de acuerdo a la ley de la conservación de la masa, deben existir el mismo tipo y número de átomos a ambos lados de la ecuación.

El coeficiente multiplica al subíndice de cada elemento para dar su número de átomos. Así, en el primer miembro de la ecuación (reactivos) se tienen 4 átomos de hidrógeno y dos de oxígeno, y en el segundo miembro (producto), se tienen también 4 átomos de hidrógeno y dos de oxígeno, provenientes de las dos moléculas de agua producidas.

2H₂ +           O₂ →     2H₂O

4       ———–    H  ———-      4

2       ———–    O  ———-      2

REACCIONES DE OXIDO-REDUCCIÓN

Si colocamos alambre de cobre en una solución de nitrato de plata al 17 % después de unos minutos observamos que se empieza a depositar plata metálica sobre el alambre y que la solución adquiere un color azul que indica la presencia de iones Cu⁺²

¿Por qué?

¿Qué procesos ocurrieron?

En la reacción efectuada se demuestra que el cobre es más reactivo que la plata:

Cu_(s) +    2AgNO_{3(ac)    →} 2Ag_(s) +      Cu(NO₃)_{2 (ac)}

En esta reacción los electrones se transfieren de los átomos de Cu⁰ a los iones Ag⁺¹. Cada átomo de Cu⁰ se oxida al perder dos electrones y pasan a la solución como iones Cu⁺².

Cu⁰ → Cu⁺² + 2e^- perdió dos electrones (oxidación)

Cada ión Ag⁺¹ acepta un electrón y se reduce a átomo de Ag⁰.

Ag⁺¹ +       e^-  → Ag⁰ ganó un electrón  (reducción)

Las reacciones de oxidación-reducción involucran la transferencia de electrones de unos átomos a otros, ocasionando cambios en los números de oxidación de los elementos. Como la reacción efectuada:

Cu⁰ +    2Ag⁺¹ NO₃^-1 _→ 2Ag⁰ +      Cu⁺²(NO₃)₂^-1

Un elemento se oxida cuando pierde electrones, aumentando sus números de oxidación positivos y disminuyendo los negativos.

Un elemento se reduce al ganar electrones, disminuyendo sus números de oxidación positivos y aumentando los negativos.

La oxidación de una sustancia se efectúa simultáneamente con la reducción de otra.-

—-Oxidación—→

Números de   -7    -6    -5    -4    -3    -2    -1    0    +1    +2    +3    +4    +5    +6    +7

oxidación        │      │      │      │      │      │      │     │      │        │       │       │       │       │       │

←—Reducción—–

Las sustancias que como el cobre, se oxidan y al mismo tiempo causan la disminución del número de oxidación de otra sustancia, se llaman agentes reductores. Las que, como la plata, se reducen y causan el aumento del número de oxidación de otra sustancia se llaman agentes oxidantes.

ELEMENTOS QUIMICOS

Un elemento es una sustancia simple que no puede  descomponerse en otras sustancias más simples por medios químicos ordinarios.

            Si tomamos cierta cantidad de un elemento, por ejemplo el oro, y lo dividimos en partes más pequeñas cada vez, llegaríamos a la parte más pequeña que conserva aún las propiedades de ese elemento, el átomo.

El átomo es también la partícula más pequeña de un elemento que puede participar en una reacción química.

            Los átomos, a su vez, están constituidos por partículas subatómicas, pero  éstas ya no tienen las propiedades de los elementos.

            Un elemento es una sustancia que se compone de una sola clase de átomos.

 Los elementos químicos se representan    por medio de símbolos.  El símbolo  consta de la primera letra del nombre del elemento y se escribe con mayúscula.   Por lo que el símbolo del hidrógeno es H, el del oxígeno es O y el del carbono es C. Este sistema sencillo para representar a los elementos fue inventado por Jöns Berzelius, químico sueco que lo introdujo en 1814. La mayoría de los símbolos de los elementos tienen dos letras, la primera siempre se escribe con mayúscula y la segunda con minúscula, así, el símbolo del cloro es Cl. Hay símbolos  que nada tienen que ver con el nombre de los elementos que representan, esto se debe a que los nombres de esos elementos  se tomaron del latín o alemán.

Los elementos varían en su abundancia. Cinco de ellos: oxígeno, silicio, aluminio, hierro y calcio, constituyen más del 90 % de la corteza terrestre. Más del 98 % de la masa del cuerpo humano está constituida por seis elementos: O, C, H, N, Ca y P.

Un compuesto  es una sustancia que resulta de la unión química de dos o más elementos en proporciones definidas.

Los elementos que constituyen un compuesto se han combinado de tal manera que ya no es posible identificarlos por sus propiedades individuales originales y sólo la acción química los puede separar.

La glicerina es un compuesto de fórmula  C₃H₈O_3. Las propiedades de los elementos que lo constituyen: el carbono, negro y los gases hidrógeno y oxígeno, no pueden ya identificarse debido a que se han combinado químicamente. La glicerina es un líquido, viscoso, inodoro, de sabor dulce que es muy utilizado como lubricante y en la fabricación de jabón.

También son compuestos comunes, el azúcar de mesa o sacarosa, el agua y el cloruro de sodio o sal de cocina.

Los compuestos se representan por medio de fórmulas. Una fórmula consta de los símbolos de los elementos que constituyen el compuesto, colocados uno a continuación del otro. Las fórmulas de los compuestos mencionados son: sacarosa C₁₂H₂₂O₁₁; agua H₂O; cloruro de sodio NaCl.

El número que aparece abajo y a la derecha del símbolo se llama subíndice e indica el número de átomos del elemento a cuyo lado se encuentra.

Ejemplo:                  

                                         H ₂  O                                              

                        subíndice 2      subíndice 1

              Indica  dos átomos      indica un átomo de

                     de hidrógeno       oxígeno

Una molécula se forma por la unión de dos o más átomos, iguales si se trata de la molécula de un elemento, como Cl₂, distintos si se trata de la molécula de un compuesto, como en el caso del agua H₂O.

Cambios de la materia

Objetivo: que el estudiante comprenda y compruebe la veracidad de los conceptos relacionados con los cambios de la materia.

Material:                                                                     Reactivos:

1 vaso de precipitados de 250 ml                             Solución de HCl al 50%

1 probeta de 100 ml                                                  cascarón de huevo en trozos

Procedimiento:

Se colocan trozos pequeños de cascarón en un vaso de precipitados, se le agregan unos 25 mililitros de solución de ácido clorhídrico al 50 % y se agita. Observar.

¿Qué gas se desprende? ¿Por qué?

¿Qué cambio de la materia es?

¿Cómo se representa el cambio efectuado?

El cascarón de huevo contiene básicamente carbonato de calcio que reacciona con el ácido clorhídrico diluido produciendo dióxido de carbono gaseoso_. Este cambio químico lo podemos representar de la siguiente manera:

CaCO₃ +     2HCl    →    CO₂ +    CaCl₂ +     H₂O

Actividad experimental 2

MATERIAL:

1 botella de plástico de 600 ml

1 globo de goma

2 recipientes para baño de agua de 1 litro o más capacidad

Al elevar la temperatura de un gas, normalmente su volumen aumenta.

Para realizar el experimento necesitamos una botella de plástico de unos 600 ml de capacidad. Debemos adaptar en el cuello del recipiente un globo de goma inflado ligeramente. Se sumerge totalmente la botella en un baño de agua muy caliente. Observar lo que sucede al globo. ¿Qué le ocurre al volumen de aire al calentarse?

¿Por qué? ¿Qué cambio es?

Se sumerge ahora la botella en un baño de agua fría (mezcla de hielo y agua). Observar qué sucede al globo.

INTRODUCCION  A LA QUIMICA:

La química es una ciencia que investiga la composición, estructura y propiedades de la materia, los cambios que la materia sufre, así como la energía necesaria para esos cambios.

¿Por qué es importante estudiar química?

Porque está en todas partes de nuestro entorno; en los alimentos que consumimos, en la ropa que usamos, en el agua y jabón que nos mantienen limpios, en el aire que respiramos, en los materiales de nuestras casas, en todo el universo.

Hay muchas sustancias químicas que pueden dañarnos, por eso es importante estudiar sus propiedades para darles un uso adecuado. También hay muchas otras sustancias químicas que hacen posible la vida y el estudio de ellas permite una mejor comprensión de nuestro cuerpo y su funcionamiento. Más aún, la química puede salvar vidas, ya que los conocimientos que aporta han permitido  la  elaboración  de  medicamentos  para  curar enfermedades  o  para aliviar el dolor; un  análisis químico oportuno de sangre o de orina puede permitir el diagnóstico y  tratamiento de diversas enfermedades.

Para enriquecer los suelos, se producen fertilizantes que aumentan el rendimiento de los cultivos.

Las aportaciones de esta ciencia a la tecnología han permitido la creación de aparatos electrónicos, algunos de los cuales han revolucionado a la sociedad, como las computadoras, que contienen un chip de silicio en el microprocesador.

La industria de los alimentos se ha beneficiado con el uso de aditivos y conservadores. La industria química produce una gran variedad de materiales que nos hacen la vida más fácil  y en la actualidad se ha enfocado a la creación de materiales biodegradables que no dañen al ambiente.

1. La química: una ciencia interdisciplinaria

La química se relaciona con otras ciencias como la física, con la cual comparte el estudio de la materia y la energía. Ha sido fundamental para la biología para la comprensión de la composición química de los seres vivos y los procesos   que ocurren en ellos. Es valiosa para la Ecología, al estudiar el ambiente y dar posibles soluciones a problemas que ocurren en él, como el “efecto invernadero” o la destrucción de la capa de ozono. El reciclaje de algunos  materiales como papel,  metales o vidrio, para conservar nuestros recursos naturales, es también de interés para la química, así como la búsqueda de nuevas fuentes  de energía, más seguras y que no contaminen.

Auxilia a  otras ciencias como la Astronomía, para conocer la composición de los astros; a la Geología le permite conocer los componentes (minerales y rocas)  del planeta, además de  su edad.  Para el fechamiento de objetos y fósiles auxilia a la Arqueología y  Paleontología.

Las contribuciones de la química  a la medicina han mejorado la calidad de vida de las personas y prolongado la edad de las mismas.

La industria química, además de proporcionar productos que satisfacen las necesidades de la sociedad, genera numerosos empleos, influyendo en la economía mundial.

IMPORTANCIA DE LOS CONOCIMIENTOS DE QUIMICA:

Hay cambios químicos que pueden causar daño e incluso la muerte.

Durante la época de invierno algunas personas queman carbón dentro de sus casas o habitaciones para soportar el frío, encontrando la muerte al inhalar monóxido de carbono; este gas se forma al quemar carbono o hidrocarburos con aporte insuficiente de oxígeno:

2C_(s) +     O_2(g) →    2CO_(g)

El monóxido de carbono es un gas incoloro, inodoro e insípido, su toxicidad es debida a su capacidad de unirse a la hemoglobina de la sangre, interfiriendo en el transporte de oxígeno. En concentraciones bajas  el monóxido de carbono produce aturdimiento y dolor de cabeza, en concentraciones más altas puede causar la muerte. Otra fuente de producción de este gas es el motor de automóvil, por combustión incompleta de la gasolina.

LLUVIA ARTIFICIAL

La lluvia artificial es provocada lanzando desde tierra o por avión cartuchos con yoduro de plata a las nubes para acelerar su condensación.  El yoduro de plata actúa como catalizador que al entrar en contacto con  las nubes produce una reacción química que libera hidrógeno y éste, junto con el oxígeno atmosférico, forma agua.

La lluvia así obtenida se puede aprovechar para aliviar sequías, en la extinción de incendios o para tener cielo despejado. China es un país que frecuentemente provoca lluvia artificial con estos fines.