2009/09/06

Transformaciones Físicas y Químicas


Transformaciones Físicas y Químicas

Los cuerpos que nos rodean y las sustancias que los componen sufren continuamente cambios o transformaciones. Son transformaciones, la evaporación del alcohol, la combustión del papel, el crecimiento de un árbol o la reproducción celular.
La gran variedad de transformaciones se clasifican en dos categorías: las transformaciones físicas y las transformaciones químicas.
Las primeras son aquellas que no alteran la estructura intima del material, es decir, las sustancias que lo componen (tales como el movimiento de un cuerpo).
Por el contrario, las transformaciones químicas, son aquellas que provocan modificaciones en las sustancias que componen a los cuerpos que intervienen en la mencionada transformación (tales como la combustión)
Consideremos algunos ejemplos: Si pulverizamos un trozo de hierro, cada una de las partículas obtenidas presenta la misma composición que la del trozo original. Aquí estamos en presencia de una transformación física. Si sometemos el trozo de hierro a la acción del calor, se funde; sin embargo, pese a que ciertas propiedades del cuerpo puro cambiaron como consecuencia de la modificación del estado de agregación, por el análisis detallado de la estructura comprobará que ésta es la misma para el sólido y para el líquido, puesto que ambos están compuestos por la misma sustancia. Nuevamente tenemos aquí una transformación física. Pero si, durante un cierto tiempo, dejamos el cuerpo en contacto con el aire que contiene oxígeno (O2), en la superficie del trozo, parte de la sustancia se transforma en otra llamada óxido de hierro. Esta es, entonces, una transformación química.
*Reacciones químicas

Las transformaciones químicas, durante las cuales ciertas sustancias se transforman en otras, se denominan reacciones químicas.
Veamos el siguiente ejemplo general:
*Sistema inicial: formado por las sustancias
A y B.
*Sistema final:
formado por las sustancias
C y D y E.
Teniendo en cuenta que las sustancias del sistema final son diferentes de las del sistema inicial, podemos afirmar que se ha producido una reacción química.
El hecho concreto experimental, se expresa simbólicamente mediante una ecuación química, que puede representarse del siguiente modo.

La flecha indica el sentido en que ocurre el proceso. El signo + no debe ser interpretado como una suma matemática, sino como indicación de la presencia simultánea de las sustancias A y B (antes de la reacción) o bien C, D, y E (después de la reacción) Tampoco debe considerarse a la flecha como un signo de igualdad sino simplemente como un símbolo que separa los reactivos (sustancias reaccionantes A y B) de los productos de la reacción (sustancias C, D y E). A + B => C + D + E
Esta ecuación se lee: la sustancia A se combina con la sustancia B y forman las sustancias C, D, y E.
Si en un tubo de ensayo (resistente al calentamiento) se coloca óxido de mercurio (II) (antes llamado óxido mercúrico), que es una sustancia que en la naturaleza se presenta en estado sólido, y se somete a dicho tubo a la acción del calor, luego de un cierto tiempo de calentamiento se observan pequeñas gotas grises con brillo metálico, condensadas en la parte superior del tubo (dichas gotas son mercurio líquido). Si se coloca, en la boca del tubo, una astilla con un punto de ignición, la combustión de la misma se intensifica, poniéndose en evidencia que durante el calentamiento se produce el desprendimiento de oxígeno gaseoso, que es la sustancia que favorece la combustión, por este motivo se dice que el oxígeno es un comburente. Es evidente que estamos en presencia de una transformación química, en la cual a partir de una sustancia (óxido mercúrico) se obtienen otras dos sustancias (mercurio y oxígeno).
*Reacción de Descomposición química:
“Reacción de descomposición química es aquella por la cual se obtienen dos o más sustancias diferentes a partir de una sustancia”. En el ejemplo dado, se produce una descomposición química: el óxido de mercurio (II), por acción del calor, se ha descompuesto en mercurio y oxígeno. Oxido mercúrico -----> mercurio + oxígeno
La ecuación química es la siguiente: 2 HgO => 2Hg + O2 Las reacciones de descomposición se producen siempre mediante el aporte de energía. De acuerdo con esto, las reacciones de descomposición se pueden clasificar en:

*Reacción de descomposición térmica:
"Es aquella en la que por acción del calentamiento una sustancia se transforma en dos o más sustancias diferentes”

*Electrólisis:
“Es aquella reacción de descomposición en la cual una sustancia se transforma en dos o más sustancias diferentes por acción del pasaje de corriente eléctrica"

En este caso el aporte de energía es dado en forma de energía eléctrica.
De acuerdo con el comportamiento térmico de las reacciones, se pueden clasificar en:

*Reacciones Exotérmicas:
"son aquellas en las que la reacción está acompañada por la liberación de energía"

*Reacciones Endotérmicas:
“Son aquellas en las que la reacción está acompañada por la absorción de energía" Si seguimos analizando el ejemplo dado, colocando en este caso mercurio líquido en el tubo de ensayo y lo calentamos, observaremos que el mercurio se evapora y condensa en forma de pequeñas gotas en la parte superior (más fría) del tubo. En este caso se ha producido una transformación física: evaporación y condensación. Por lo tanto, el mercurio, a diferencia del óxido de mercurio (II), no puede descomponerse químicamente. Existen otras sustancias que, como el mercurio, no pueden descomponerse químicamente y otras que, como el óxido de mercurio (II), pueden descomponerse químicamente. Esto nos permite establecer un criterio operacional para clasificar a las sustancias del siguiente modo:
Sustancias Simples:
“son aquellas que no pueden descomponerse químicamente, transformándose en otras sustancias”
Sustancias Compuestas:
"son aquellas que pueden; descomponerse químicamente en dos o más sustancias que pueden ser simples o compuestas”
Otro ejemplo de descomposición térmica, es la descomposición del carbonato de calcio en dióxido de carbono y óxido de calcio: Carbonato de calcio >>> Dióxido de carbono + óxido de Calcio
CaCO3 => CO2 + CaO
A su vez, el óxido de calcio y el dióxido de carbono pueden descomponerse térmicamente en Oxígeno y Calcio; y en Carbono y Oxígeno respectivamente: óxido de calcio => Calcio + Oxígeno =>2CaO => 2Ca + O2 => dióxido de carbono => Carbono + Oxígeno => CO2 => C + O2
El Carbono, el Calcio y el Oxígeno no pueden descomponerse químicamente. Por lo expuesto, podemos afirmar que el carbonato de calcio, el óxido de calcio y el dióxido de carbono, son sustancias compuestas, mientras que el carbono, el calcio y el oxígeno son sustancias simples.
Reacciones de Combinación Química:
Si en un tubo de ensayos se coloca azufre en polvo y limaduras de hierro y se somete el sistema a la acción del calor, se observa la formación de un sistema cuyas propiedades son muy diferentes a las del sistema inicial. Se ha producido una transformación química, que difiere de las reacciones de descomposición, ya que a partir de dos sustancias, se obtiene una nueva sustancia (sulfuro de hierro).
azufre + hierro sulfuro ferroso
S8 + 8 Fe => 8 FeS
“Combinación química es la reacción por la cual dos o más sustancias (simples o compuestas) reaccionan para formar una nueva sustancia que siempre es compuesta”
Si las sustancias reaccionantes son simples y se encuentran en estado natural, (es decir, como se presentan en la naturaleza en condiciones ambientales de presión y temperatura) la reacción de combinación se denomina "reacción de síntesis".

Elemento químico
Las sustancias simples diamante y grafito están compuestas por Carbono. Las propiedades físicas y químicas de estos sólidos difieren notablemente, de modo que deben ser considerada sustancias simples diferentes compuestas por Carbono, que se presentan en el mismo estado de agregación. Las sustancias que mantienen entre sí este tipo de relación, se denominan “variedades alotrópicas” . A diferencia del agua y del hielo (una misma sustancia en distinto estado de agregación), el grafito y el diamante son sustancias simples diferentes, en igual estado físico (sólido), constituidas por el mismo elemento: Carbono.
La diferencia en la estructura cristalina que presenta el diamante y el grafito, explica la particular dureza y densidad del diamante, y la blandura, poder lubricante y alta conductividad eléctrica del grafito. En otros casos como el Oxígeno y el ozono, que también son variedades alotrópicas del elemento Oxígeno, en este caso en el mismo estado de agregación (gaseoso), difieren en el número de átomos que forman la molécula.
En condiciones especiales de presión y temperatura, el diamante se puede convertir en grafito y viceversa, lo mismo ocurre con el Oxígeno y el ozono. Esta es otra característica de las variedades alotrópicas, en determinadas condiciones de presión y temperatura, pueden convertirse entre sí:
diamante <=> grafito oxígeno <=> ozono 3 O2 <=> 2 O3
El pasaje de una forma alotrópica a otra es una transformación química, puesto que una sustancia se transforma en otra.
Si consideramos las siguientes sustancias: diamante, grafito (sustancias simples), dióxido de carbono y carbonato de calcio (sustancias compuestas) podemos comprobar que todas tienen algo común en su composición, precisamente el elemento carbono. A partir de este ejemplo, y del conocimiento de otros, podemos dar la siguiente definición: "Se llama elemento químico al componente común a una sustancia simple, a sus variedades alotrópicas, y a las sustancias compuestas que por descomposición total originan dicha sustancia simple”.
Elementos de la naturaleza
Los elementos conocidos en la actualidad son alrededor de 107. Algunos de ellos fueron obtenidos sintéticamente en el laboratorio, los demás se encuentran en la naturaleza. Cada uno de ellos, forma sustancias simples que presentan propiedades diferentes. De la combinación de los elementos, resultan las sustancias simples y compuestas que forman todas las sustancias de origen inorgánico y orgánico que existen en el universo. Por lo tanto, los materiales se hallan constituidos por elementos químicos que forman las sustancias simples y las compuestas.
La abundancia de los elementos en la corteza terrestre, expresada en porcentajes de masa, es aproximadamente la siguiente: 50% de Oxígeno y un 25% de Silicio. Es decir las tres cuartas partes de la corteza terrestre están constituidas por Oxígeno y Silicio, y solamente un cuarto de la misma por el resto de los elementos.
Una composición más exacta es la siguiente:
Oxígeno: 49,5% Silicio: 25,8% Aluminio: 7,5% Hierro: 4,7% Calcio: 3,4% Sodio: 2,6% Potasio: 2,4% Magnesio: l,9% Hidrógeno: 0,9% Titanio: 0,6% Otros: 0,7%
A cada elemento se le asigna un nombre y un símbolo que lo identifica. Los símbolos actuales fueron introducidos por el químico sueco Jöns Berzelius en el siglo XIX.
El símbolo de cada elemento está representado por una letra mayúscula que corresponde a la primer letra de su nombre en griego o latín o hace referencia a una región o un científico. Cuando el nombre de dos o más elementos comienza con la misma letra se le agrega una segunda letra minúscula que corresponde, generalmente, a la segunda del nombre.
Clasificación de los elementos
Los elementos se pueden clasificar, de un modo amplio e introductorio, adoptando como criterio de clasificación las propiedades de las sustancias simples que forman cada uno de ellos. Debe tenerse en cuenta, que las propiedades son de la sustancia simple (estado de agregación, color, conductividad, brillo, etc.) y no las del elemento que forma dicha sustancia simple.
De acuerdo con este criterio, los elementos se clasifican en:
Metales: se presentan en estado sólido a la temperatura ambiente con excepción del Mercurio que es Líquido. El Cesio se presenta en estado sólido por debajo de los 28,5 oC que corresponde a su punto de fusión. Poseen un brillo característico (metálico), son buenos conductores del calor y de la electricidad. Se combinan con el Oxígeno para formar óxidos básicos y con el Hidrógeno para formar hidruros. Son metales el Hierro (Fe), el Sodio (Na), el Litio (Li), el Magnesio (Mg), el Cobre (Cu), el Mercurio (Hg),
No metales: pueden presentarse en estado sólido (por ejemplo el Azufre), líquido (por ejemplo el Bromo) y gaseoso (por ejemplo el Cloro) No poseen brillo metálico, son en general malos conductores del calor y de la electricidad (una excepción es el elemento Carbono que forma la sustancia simple grafito) Se combinan con el Oxígeno para formar óxidos ácidos y algunos se combinan con el Hidrógeno para producir hidrácidos. Son ejemplos de no metales: el Nitrógeno (N), el Cloro (Cl), el Yodo (I), el Azufre (S), el Fósforo (P). Inértidos: las sustancias simples que forman, se conocen con el nombre de gases inertes, gases nobles o gases raros, son malos conductores del calor y de la electricidad. La característica esencial de estos gases es su casi total inactividad química, es decir, que prácticamente no se combinan con otras sustancias. Hasta hace algunos años se consideraba que los gases inertes eran completamente inactivos; en la actualidad se logró obtener algunos compuestos, trabajando para ello, en condiciones extremas, sometiéndolos a altas temperaturas y a altas presiones.
Los elementos inértidos son: el Helio (He), el Neón (Ne), el Xenón (Xe), el Argón (Ar), el Kriptón (Kr) y el Radón (Rd). Las sustancias simples que forman algunos de ellos están presentes en pequeñas proporciones en la atmósfera.
Es importante resaltar, nuevamente, que esta clasificación de los elementos se basa en las propiedades de las sustancias simples que los elementos forman, ya que los mismos generalmente no se encuentran libres en la naturaleza, sino combinados formando sustancias simples y compuestas. Se debe tener presente que para entender mejor esta clasificación, se debe considerar la definición de elemento químico.