Ciencia MX

FACTORES QUE AFECTAN A LA VELOCIDAD DE UNA REACCIÓN

En química es muy importante conocer la velocidad a la que ocurren las reacciones y por qué tienen lugar a esa velocidad, ya que en unos casos nos conviene acelerarlas y en otros, ralentizarlas.

Las reacciones químicas que se producen en el cuerpo humano tendrían lugar a velocidades muy lentas si no tuvieran la “ayuda” de unas sustancias llamadas enzimas, que aceleran estas reacciones millones de veces. Sin las enzimas, los humanos y otros organismos vivos no podrían sobrevivir.

Las velocidades de reacción se ven alteradas también por otros factores. Por ejemplo, si se calientan las sustancias reaccionantes (o reactivos), normalmente aumenta la velocidad de reacción; si se enfrían, la reacción se ralentiza.

Para reaccionar, las partículas de las sustancias reaccionantes deben chocar entre sí. El calor les proporciona más energía para moverse y, por tanto, aumenta la probabilidad de que colisionen. Además, cuanto más fuerte colisionen, más fácil será que se produzca la reacción. El enfriamiento tiene justo el efecto contrario.

Algunas reacciones son reversibles, es decir, pueden tener lugar en los dos sentidos: los productos que se forman pueden, en determinadas condiciones, reaccionar entre sí para dar de nuevo las sustancias iniciales. Al final, se llega a un equilibrio entre los reactivos y los productos de la reacción.

¿QUÉ ES UNA REACCIÓN QUÍMICA?

Una reacción química es el proceso en el que una o más sustancias (llamadas reactivos) se transforman en otras sustancias diferentes (llamadas productos de la reacción).

Un ejemplo de reacción química es la formación de óxido de hierro (que en el lenguaje común se le llama herrumbre u orín), a partir del hierro y el oxígeno del aire, reacción conocida como oxidación. En este ejemplo, los reactivos son el oxígeno y el hierro, y el producto, el óxido de hierro.

En algunos casos, como en la combustión, las reacciones se producen de forma rápida. En cambio otras reacciones, como la oxidación, tienen lugar con lentitud.

El desgaste que la lluvia ácida causa en las fachadas de los edificios y en las estatuas es muy lento, pero las reacciones que se producen en la explosión de los fuegos artificiales son muy rápidas. La mayoría de las reacciones tienen lugar a una velocidad intermedia entre la de la erosión de la piedra y la de los fuegos artificiales, que es casi instantánea.

TIPOS DE CAMBIOS EN LA MATERIA

Según el tiempo que tarden en producirse los cambios, estos pueden ser:  

Además, los cambios en la materia pueden ser de estos dos tipos:  

• físicos, si tras el cambio la materia sigue siendo la misma; por ejemplo, tras un cambio de estado: el agua se congela transformándose en hielo o se evapora transformándose en vapor de agua, pero el agua líquida, el hielo y el vapor están constituidos por la misma materia;
• químicos, si se transforma en otra materia diferente; por ejemplo, una combustión: la madera al arder se convierte en dióxido de carbono (y otros gases) y cenizas, que son sustancias diferentes a la inicial; se ha producido una reacción química. Una reacción química es el proceso por el que al poner en contacto dos o más sustancias, se transforman en otras sustancias diferentes a las iniciales..

• rápidos: como la descomposición del cuerpo de un animal o la de cualquier otro ser vivo (descomposición de la materia orgánica);
• lentos: como la erosión que sufre una roca por la acción del agua o del viento.

CAMBIOS FÍSICOS

Algunos de ellos son:

Los cambios de estado, que son los pasos de sólido a líquido y a gas, o viceversa.

La dilatación, que es el aumento de volumen que se produce en un cuerpo a consecuencia del aumento de su temperatura.

El movimiento, o cambio de la posición que ocupa un cuerpo en el espacio.

La fragmentación, que es la división de un cuerpo en trozos más pequeños que conservan su misma naturaleza, como cuando partimos una barra de pan en trozos.

La mezcla de varias sustancias sólidas, líquidas o gaseosas, sin que ninguna de ellas pierda o cambie sus propiedades. Las mezclas son un cambio físico bastante frecuente, que vamos a estudiar más detenidamente.

Clases de mezclas y métodos de separación.

Hay dos tipos de mezclas:  

Hay seis métodos físicos principales para separar los componentes de una mezcla, eligiéndose uno u otro según que la mezcla sea sólida o líquida, y según las características de sus componentes:  

• Por tamización: si la mezcla está formada por granos de diferentes tamaños, haciéndola pasar por un tamiz, la separaremos en sus componentes. Los buscadores de oro usaban esta técnica para buscar las pepitas del mineral.
• Por filtración: separamos un sólido del líquido en el que está suspendido, vertiendo la mezcla en un embudo con un filtro poroso por el que el líquido puede penetrar fácilmente. Así podemos separar arena y agua.
• Por decantación: separamos dos líquidos de diferentes densidades, vertiendo la mezcla en un embudo de decantación; cuando ha reposado y se han formado dos capas, abrimos la llave inferior del embudo y dejamos caer el más denso, quedando el menos denso en el embudo. Así separamos una mezcla de aceite y agua, por ejemplo.
• Por separación magnética: si una de las sustancias de la mezcla tiene propiedades magnéticas, como el hierro, la podemos separar con un imán.
• Por evaporación: si en una mezcla líquida conseguimos que uno de los componentes se evapore, quedando el otro.
• Por cristalización y precipitación: algunas mezclas líquidas, como la del sulfato de cobre en agua, tras calentarlas y filtrarlas, se dejan en un cristalizador (recipiente bajo y ancho), de manera que al enfriarse, el agua se evapora y el sulfato de cobre queda separado en forma de cristales.

• homogéneas: si no podemos distinguir a simple vista sus componentes; por ejemplo, el aire que respiramos es una mezcla de gases: oxígeno, nitrógeno y, en menor proporción, dióxido de carbono, vapor de agua y otros; el agua de mar es una mezcla de agua y diferentes sales;
• heterogéneas: si podemos distinguir sus componentes; por ejemplo, un vaso con agua y aceite: ambos se distinguen perfectamente; o una piedra de granito, en la que se aprecian sus tres componentes, cuarzo, feldespato y mica, al tener cada uno diferente color.

CAMBIOS QUÍMICOS

Algunos de ellos son:

La oxidación, que es el cambio lento que sufren algunas sustancias en contacto con el oxígeno; por ejemplo, cuando partimos una manzana por la mitad y la dejamos en un plato, al cabo de uno o dos días vemos como la parte sin piel se ha oscurecido; o cualquier objeto de hierro, como una verja o una llave, que con el tiempo aparece recubierto de una capa de óxido de hierro.

La combustión, que es una oxidación con desprendimiento de calor.

La fermentación, que es la transformación que sufre el azúcar en alcohol y agua, por ejemplo el zumo de las uvas se convierte en vino.

La putrefacción, que es la descomposición de cualquier ser vivo tras su muerte.

CARACTERÍSTICAS DEL AGUA

El agua está compuesta por hidrógeno y oxígeno, y en estado puro no tiene color, ni olor, ni sabor (a veces el agua que bebemos tiene un poco de sabor porque ha sido tratada con distintas sustancias para poderla beber sin riesgos para nuestra salud).

El agua líquida puede disolver muchas sustancias, como las sales minerales que necesitan las plantas y la mayoría de los organismos vivos; puede incluso disolver gases: el oxígeno que respiran los peces está disuelto en el agua del mar.

Debido a sus propiedades, utilizamos el agua como patrón para definir muchas unidades físicas, por ejemplo, para definir la caloría (la unidad de calor), el grado centígrado (la unidad de temperatura) o el gramo (la unidad de masa).

EL AGUA EN ESTADO SÓLIDO

El hielo tiene una densidad de 0,92 g/cm³ o g/ml, más baja que la del agua en estado líquido, que como sabes, es igual a 1 g/cm³. Esto hace que el hielo flote sobre el agua, y como es un mal conductor del calor, protege al agua líquida de las bajas temperaturas exteriores, impidiendo que se hiele por completo.

Si fuera más denso, se hundiría y depositaría en el fondo de lagos, ríos y mares, hasta que se congelaran por completo: la mayoría de los seres vivos que viven en el agua no podrían sobrevivir.

En los polos, hay unos inmensos casquetes de hielo, que flotan sobre el mar, de los que en épocas de deshielo (en primavera y verano) se desprenden grandes moles de hielo, llamadas icebergs, peligrosos para la navegación.

El hielo ocupa un volumen mayor que el agua líquida, para una misma cantidad o masa de ambos. Esto hace, por ejemplo, que si queremos congelar agua en un recipiente cerrado, no podamos llenarlo del todo, porque si lo hiciéramos, al formarse el hielo el recipiente reventaría.

EL AGUA EN ESTADO LÍQUIDO

El agua pasa del estado sólido al líquido (o del líquido al sólido) a la temperatura de 0 grados centígrados. Precisamente para calibrar los termómetros, se toma como valor cero (0 ºC) el punto de congelación del agua.

En estado líquido, el agua forma parte de los seres vivos, pura o mezclada con sales y otras sustancias.

Las impurezas suspendidas y disueltas en el agua natural hacen que esta no sea adecuada, por ejemplo, para beber. Los materiales indeseables, orgánicos e inorgánicos, se extraen por métodos de criba y sedimentación que eliminan los materiales suspendidos.

Otro método de depurar el agua es tratarla con ciertos compuestos, como el carbón activado, que eliminan los sabores y olores desagradables. También se puede purificar el agua por filtración, o por cloración o irradiación (que matan los microorganismos infecciosos).

EL AGUA EN ESTADO GASEOSO

El agua líquida se transforma en gas a la temperatura de 100 grados centígrados. El segundo valor que se toma para calibrar los termómetros, el valor cien (100 ºC), se corresponde con el punto de ebullición del agua.

En estado gaseoso el agua está por todas partes, incluso en los desiertos. La evaporación y la condensación son procesos que forman un ciclo continuo, llamado ciclo del agua, que hace que esta se reparta por toda la biosfera terrestre.

¿POR QUÉ UNOS CUERPOS FLOTAN EN EL AGUA Y OTROS NO?

Cualquier cuerpo sumergido en el agua, en parte o por completo, experimenta una fuerza que le empuja hacia arriba, fuerza (empuje) que es proporcional al peso del agua que el cuerpo está desalojando.

Este es el famoso teorema o principio de Arquímedes, a quien, según la leyenda, se le ocurrió cuando se estaba dando un baño; al comprobar cómo el agua se desbordaba de la bañera exclamó: “¡Eureka!” (“lo encontré”).

Dependiendo de cuánto pese el cuerpo, al echarlo al agua puede darse una de estas tres situaciones:  

Si soltamos sobre la superficie del agua de una bañera un cubo de plomo, otro de acero, otro de hielo, otro de madera y otro de corcho, todos del mismo tamaño, observaremos que:

1. Los cubos de plomo y de acero se hunden y caen al fondo.

2. El cubito de hielo se queda flotando, con más parte por debajo que por encima del agua (es lo que sucede también con los icebergs).

3. El cubo de madera se queda flotando, mitad por encima y mitad por debajo del agua.

4. El cubo de corcho flota, sobresaliendo casi por completo del agua.

Así pues, queda claro que no todos los cuerpos se comportan igual: el corcho y la madera, que son materiales menos densos, y por tanto pesan menos que el agua, sí que flotan, mientras que el acero y el plomo, mucho más densos, y por tanto más pesados que el agua, se hunden en ella. El hielo es un poco menos denso que el agua líquida, por lo que flota, sobresaliendo sólo 1/10 de su volumen.

• que se hunda y caiga al fondo, si el peso es mayor que el empuje;
• que se hunda, pero sin llegar a irse al fondo, si el peso es igual al empuje;
• que flote, quedando en parte por encima y en parte por debajo del nivel del agua, si el peso es menor que el empuje.

PROPIEDADES FUNDAMENTALES DE LA MATERIA

La materia tiene propiedades que varían de unos cuerpos a otros. Aunque son muchas las que podemos estudiar: el color, el sabor, la dureza…, sabemos que no todas se dan en todas las sustancias; porque ¿qué dureza tienen los líquidos?, ¿a qué huele un trozo de hierro? o ¿qué sabor tiene el aire?

Por ello, nos fijamos en dos que sí tienen todos los cuerpos, llamadas propiedades fundamentales: el volumen y la masa.

El volumen de un cuerpo es el espacio que ocupa. Para medirlo utilizamos como unidad principal el metro cúbico (m³), que es el volumen que ocupa un cubo cuyo lado mide 1 metro. Aunque como esta unidad es bastante grande, con frecuencia usamos otras unidades más pequeñas, sus submúltiplos, en especial el decímetro cúbico (dm³) y el centímetro cúbico (cm³).

Utilizamos las unidades de volumen cuando tratamos con cuerpos sólidos, pero para los líquidos y gases solemos usar las unidades de capacidad, cuya unidad principal es el litro (l), y cuya equivalencia con la unidad principal de volumen es: 1 m³ = 1.000 l

Podemos medir el volumen de un cuerpo de diferentes maneras:

La masa es la cantidad de materia que tiene un cuerpo, y sus unidades principales son el kilogramo (kg), que coloquialmente llamamos kilo, y el gramo (g). Aunque midan igual, no debes confundir masa con peso de un cuerpo, ya que son conceptos físicos diferentes que mezclamos al hablar.

Mediante una balanza podemos medir la masa de cuerpos pequeños.

• Usando instrumentos de medida. Por ejemplo, con ayuda de una probeta u otro recipiente graduado podemos saber el volumen de un líquido. También podemos conocer el volumen de un cuerpo pequeño e irregular sumergiéndolo en un líquido y viendo la diferencia entre la altura del nivel del líquido después y antes de sumergirlo.
• Efectuando cálculos matemáticos, si se trata de un sólido de forma sencilla, multiplicando el área de su base por su altura.
• Como los gases ocupan todo el recipiente que los contiene, su volumen es el volumen del recipiente.

DENSIDAD

La relación entre la masa de un cuerpo y el volumen que ocupa recibe el nombre de densidad. Cada sustancia, en su estado natural, tiene una densidad característica. Por ejemplo, 1 litro de agua en estado líquido tiene una masa de 1 kilogramo: decimos que la densidad del agua es 1 kg/l. Y 1 litro de hierro, en estado sólido, tiene una masa de 7,9 kg: decimos que su densidad es de 7,9 kg/l.

Los cuerpos más densos que el agua, como una llave o un objeto de hierro, se hunden en ella; los menos densos, como un tapón de corcho o un trozo de madera, flotan sobre ella.

Si en un vaso echamos agua (densidad = 1 kg/l), aceite (densidad = 0,92 kg/l) y alcohol etílico (densidad = 0,8 kg/l), vemos cómo se forman tres capas de líquido: la de arriba de alcohol, la de en medio de aceite y la inferior de agua. Los tres líquidos se sitúan según el valor de sus densidades, sin mezclarse.

Para calcular la densidad de una sustancia hemos de medir primero su masa y su volumen. Su densidad será el resultado de dividir la masa entre el volumen hallados.

Para obtener la densidad de un sólido, lo podemos pesar en una balanza para saber su masa, y sumergirlo en un vaso con agua para calcular su volumen por diferencia entre los niveles del líquido.

Para medir la densidad de un líquido podemos utilizar un vaso graduado: primero hemos de pesar el vaso vacío y después lleno con el líquido, y restando obtenemos su masa. El volumen que ocupa lo vemos sobre la escala graduada. La densidad de un líquido también se puede medir directamente con un aparato llamado densímetro.

Para obtener la densidad de un gas utilizamos un recipiente cerrado de volumen conocido. Primero hemos de pesar el recipiente vacío, y luego lleno con el gas; restando obtenemos su masa. El volumen que ocupa es el del recipiente.

¿CÓMO SE ALIMENTAN LAS PLANTAS?

Las plantas son organismos autótrofos, porque son capaces de fabricar la comida que necesitan utilizando la energía del Sol. Cuando tú haces una tarta o un pastel, necesitas muchas cosas: son los ingredientes que vas a utilizar. ¿Sabes lo que necesita la planta para preparar su comida? Le basta con agua, sales minerales, dióxido de carbono y la luz del Sol.

¿Dónde crees que consigue todos estos ingredientes? Es bastante sencillo. Las raíces se encargan de absorber el agua y las sales minerales, que forman la savia bruta. Luego, unos tubos que la planta tiene en su tronco llevan el agua y las sales hasta la hoja, que es la encargada de fabricar el alimento. ¡Es algo así como su cocina! El dióxido de carbono es un gas presente en el aire. Las hojas cuentan con unos agujeros muy pequeñitos, llamados estomas, que se encargan de absorber el dióxido de carbono. Con la energía del Sol y el dióxido de carbono, las hojas transforman la savia bruta en savia elaborada, muy rica en azúcares. Este proceso recibe el nombre de fotosíntesis.

La fotosíntesis consta de dos partes: la fase luminosa y la fase oscura.  

• En la fase oscura no hace falta luz. El dióxido de carbono que las plantas absorben del aire se transforma en azúcar, utilizando la energía química que se había almacenado en las hojas.

El azúcar se disuelve en agua y forma la savia elaborada, que es transportada por toda la planta. Así que recuerda: las plantas fabrican su alimento mediante un mecanismo llamado fotosíntesis.

• En la fase luminosa hace falta luz, por eso tiene lugar durante el día. Las hojas cuentan con una sustancia, llamada clorofila, que captura la energía del Sol. Utilizando el agua que absorben las raíces, las hojas transforman la energía del Sol en otra forma de energía, llamada energía química. En este proceso se desprende oxígeno. Esto significa que las plantas solo desprenden oxígeno por el día, no por la noche.