2.7: Átomos, isótopos, iones y moléculas - Reacciones químicas y moléculas

Objetivos de aprendizaje

• Describir las propiedades de las reacciones químicas y los compuestos

Según la regla del octeto, los elementos son más estables cuando su caparazón más externo está lleno de electrones. Esto se debe a que es energéticamente favorable que los átomos estén en esa configuración. Sin embargo, dado que no todos los elementos tienen suficientes electrones para llenar sus cáscaras más externas, los átomos forman enlaces químicos con otros átomos, lo que les ayuda a obtener los electrones que necesitan para lograr una configuración electrónica estable. Cuando dos o más átomos se unen químicamente entre sí, la estructura química resultante es una molécula. La familiar molécula de agua, H ₂ O, consiste en dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno, que se unen para formar agua. Los átomos pueden formar moléculas donando, aceptando o compartiendo electrones para llenar sus capas externas.

Figura\(\PageIndex{1}\): Los átomos se unen para formar moléculas: Dos o más átomos pueden unirse entre sí para formar una molécula. Cuando dos hidrógenos y un oxígeno comparten electrones a través de enlaces covalentes, se forma una molécula de agua.

Las reacciones químicas ocurren cuando dos o más átomos se unen para formar moléculas o cuando los átomos unidos se rompen. Las sustancias utilizadas al inicio de una reacción química se denominan los reactivos (generalmente se encuentran en el lado izquierdo de una ecuación química), y las sustancias que se encuentran al final de la reacción se conocen como los productos (generalmente se encuentran en el lado derecho de una ecuación química). Típicamente se dibuja una flecha entre los reactivos y los productos para indicar la dirección de la reacción química. Para la creación de la molécula de agua mostrada anteriormente, la ecuación química sería:

\[\ce{2H2+O2→2H2O}\]

Un ejemplo de una reacción química simple es la descomposición de las moléculas de peróxido de hidrógeno, cada una de las cuales consiste en dos átomos de hidrógeno unidos a dos átomos de oxígeno (H ₂ O ₂). El reactivo peróxido de hidrógeno se descompone en agua (H ₂ O), y oxígeno, que consiste en dos átomos de oxígeno unidos (O ₂). En la siguiente ecuación, la reacción incluye dos moléculas de peróxido de hidrógeno y dos moléculas de agua. Este es un ejemplo de una ecuación química equilibrada, en donde el número de átomos de cada elemento es el mismo en cada lado de la ecuación. De acuerdo con la ley de conservación de la materia, el número de átomos antes y después de una reacción química debe ser igual, de tal manera que ningún átomo sea, en circunstancias normales, creado o destruido.

\[\ce{2H2O2→2H2O+O2}\]

A pesar de que todos los reactivos y productos de esta reacción son moléculas (cada átomo permanece unido a al menos otro átomo), en esta reacción solo el peróxido de hidrógeno y el agua son representativos de una subclase de moléculas conocidas como compuestos: contienen átomos de más de un tipo de elemento. El oxígeno molecular, por otro lado, consiste en dos átomos de oxígeno doblemente unidos y no se clasifica como un compuesto sino como un elemento.

Reacciones irreversibles

Algunas reacciones químicas, como la mostrada anteriormente, pueden continuar en una dirección hasta que todos los reactivos se agotan. Las ecuaciones que describen estas reacciones contienen una flecha unidireccional y son irreversibles. Las reacciones reversibles son aquellas que pueden ir en cualquier dirección. En las reacciones reversibles, los reactivos se convierten en productos, pero cuando la concentración de producto supera cierto umbral, algunos de estos productos se convertirán de nuevo en reactivos; en este punto, se invierten las designaciones de productos y reactivos. Esto de ida y vuelta continúa hasta que se produce un cierto equilibrio relativo entre reactivos y productos: un estado llamado equilibrio. Estas situaciones de reacciones reversibles a menudo se denotan por una ecuación química con una flecha de doble punta apuntando tanto hacia los reactivos como hacia los productos.

Por ejemplo, en sangre humana, el exceso de iones de hidrógeno (H ⁺) se unen a iones bicarbonato (HCO ₃ ^—) formando un estado de equilibrio con ácido carbónico (H ₂ CO ₃). Si se agregara ácido carbónico a este sistema, parte del mismo se convertiría en bicarbonato e iones hidrógeno.

En las reacciones biológicas, sin embargo, rara vez se obtiene equilibrio debido a que las concentraciones de los reactivos o productos o ambos cambian constantemente, a menudo siendo un producto de una reacción un reactivo para otra. Para volver al ejemplo del exceso de iones de hidrógeno en la sangre, la formación de ácido carbónico será la dirección principal de la reacción. Sin embargo, el ácido carbónico también puede salir del cuerpo como gas dióxido de carbono (vía exhalación) en lugar de convertirse de nuevo en ion bicarbonato, impulsando así la reacción a la derecha por la ley química conocida como ley de acción masiva. Estas reacciones son importantes para mantener la homeostasis de nuestra sangre.

Elemento interactivo

Interactivo: ¿Qué es una Reacción Química? : Explorar reacciones en las que se forman y rompen enlaces químicos con este modelo. Presione correr, luego intente calentar y enfriar los átomos para ver cómo la temperatura afecta el equilibrio entre la formación del enlace y la ruptura.

Puntos Clave

• Los átomos forman enlaces químicos con otros átomos, obteniendo así los electrones que necesitan para lograr una configuración electrónica estable.
• Las sustancias utilizadas al inicio de una reacción química se denominan los reactivos y las sustancias que se encuentran al final de la reacción se conocen como los productos.
• Algunas reacciones son reversibles y alcanzarán un equilibrio relativo entre reactivos y productos: un estado llamado equilibrio.
• Típicamente se dibuja una flecha entre los reactivos y los productos para indicar la dirección de la reacción química.

Términos Clave

• reactivo: Cualquiera de los participantes presentes al inicio de una reacción química.
• molécula: La partícula más pequeña de un compuesto específico que conserva las propiedades químicas de ese compuesto; dos o más átomos unidos por enlaces químicos.
• reacción: Transformación en la que una o más sustancias se convierten en otra por combinación o descomposición