fasciculo18 el mundo de la quimica

8/14/2019 Fasciculo18 El Mundo de La Quimica

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El mundo de la qumica

Fascculo 18

Captulo VI:Las t ransformaciones qumicas

Los valiosos catalizadoresReducir la energa de activacin para que una reaccin ocurrams rpidamente es una de las bsquedas ms interesantesde la qumica. Los catalizadores son sustancias qumicas quedisminuyen la energa de activacin de las reacciones qumicasy logran que la reaccin ocurra ms rpidamente. Recuerdasel problema sobre cmo reducir la cantidad de contaminantesen la atmsfera producidos por los automviles? All el monxidode carbono era eliminado hacindolo reaccionar con dioxgenopara formar dixido de carbono. Bien, la ecuacin termoqumicacorrespondiente es:

CO(g) + 1/2 O2(g) CO2(g); q = -282,7 kJA pesar de que la reaccin produce suficiente energa como

para continuar tan pronto se inicie, ella tiene una elevadaenerga de activacin que la hace muy lenta. Ahora bien, si enel interior del tubo de escape se coloca un catalizador conplatino (Pt) o rodio (Rh) disperso sobre el soporte adecuado,la reaccin ocurre muy rpidamente, pues en la superficie deestos metales el CO y el O2 se absorben con facilidad yreaccionan. El CO2 formado se desprende de la superficiedejndola libre para que se fijen ms el CO y el O2, continuandoas la reaccin.

Energa de activacinLos combustibles son sustancias que producen gran cantidadde energa cuando se queman. Lo fue el coque en el caso delhorno. Lo son los gases domsticos utilizados tanto paracalentar como para cocinar en tu casa. Sin embargo, no bastaque el gas y el oxgeno del aire se pongan en contacto paraque empiece el calentamiento de la olla sobre la cocina, esnecesaria una chispa para que se inicie la reaccin. Una vezcomenzada la reaccin exotrmica, sta producir tanta energaque la combustin continuar hasta que se interrumpa elsuministro de combustible o de oxgeno. A la energa que hacefalta para que se inicie una reaccin se la llama energa deactivacin.Este trmino fue introducido en 1888 por el qumico suecoSvandte Arrhenius. Las energas de activacin generalmentetienen valores menores que 400 kJ. Mientras menor sea laenerga de activacin, ms fcilmente ocurrir la reaccin.

Un convertidor cataltico es un dispositivo para tratar los gasesproducidos por los automviles y disminuir la contaminacin queellos provocan. Estos gases se generan durante la combustin dela gasolina. Los carros modernos provistos de estos convertidoresdeben utilizar gasolina sin plomo, pues este elemento envenenaal convertidor anulando su accin benfica.

Parados de izquierda a derecha: Heydweiller, Rasch, SvanteArrhenius y Walther Nernst; (sentados) Palazzo, FriedrichKohlrausch y Sheldon. Instituto de Fsica, Universidad de Wrzburg,semestre invernal 1886/1887.Fuente: Ernst H. Riesenfeld. Svante Arrhenius. AkademischeVerlagsgesellschaft, Leipzig, 1931. http://www.nernst.de/ kohlrausch1887.htm


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Imprescindibles enzimasLos catalizadores biolgicos son vitales dentro de nuestrocuerpo. Estos catalizadores se denominan enzimas.Mientras los otros catalizadores son mayormente metalesu xidos, las enzimas generalmente son protenasproducidas dentro de las clulas.

Las enzimas son sustancias altamente especficas yeficientes que participan prcticamente en todo lo queocurre en nuestro organismo.Las enzimas no slo aumentan la rapidez de las reaccionesqumicas, sino que permiten que ocurran a temperaturasmucho ms bajas de las que se requeriran en su ausencia.Basta un sencillo ejemplo para ilustrar lo anterior: lacombustin de la sacarosa (C12H22O11) que se representapor la siguiente ecuacin:

C12H22O11(s) + 12 O2(g) 12 CO2(g) + 11 H2O(l);q = -643,4 kJ

Ni la sacarosa ni la reaccin arriba sealada te son extraas.La primera (C12H22O11) no es ms que el azcar queconsumes normalmente y en cuanto a la reaccin, la hasvisto ocurrir muchas veces en tu casa, por ejemplo, alhacer el caramelo para un quesillo.Afortunadamente los resultantes de esa reaccin no sonlos productos que obtienes en tu hogar: un gas (CO2) yagua (H2O). Esto nos dice que tal reaccin es difcil derealizar hasta llegar a esos productos; ni siquieraaumentando mucho la temperatura. Sin embargo, en nuestroorganismo las enzimas logran realizarla a slo 37 C(nuestra temperatura corporal). La van realizando en variospasos, una enzima diferente interviene en cada paso, ytoda esa inmensa cantidad de energa va siendo liberadapoco a poco.

Tal como vimos en el prrafo anterior, un catalizador permiteque una reaccin ocurra por un camino diferente, caminoque requiere una menor energa de activacin para que lareaccin ocurra ms rpidamente. Adems, los catalizadoresno se consumen en las reacciones que catalizan, aunqueno siempre es fcil recuperar o conservar su accin.

Molcula de sacarosa

Sabas que...?En Francia y en el Reino Unido ms de 30% de laproduccin de sacarosa es destinada a la fabricacinde bebidas gaseosas, mientras que en Australia, Mxicoy Brasil ms del 50% de la sacarosa tiene ese destino.


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Si agregas tintura de yodo a una papa omanzana (pelada) se colorear de azuldebido a la reaccin entre el almidnpresente en la papa y el yodo. La amilasa

es una enzima presente en la saliva quedesdobla los almidones en azcares. Tomauna papa y crtala en dos. Cubre con salivauna de las mitades. Deja transcurrir unosminutos y agrega yodo a ambas mitadesde la papa. Anota tus observaciones.Comparte tu conclusin con tu profesor.

Una ocasin para experimentar

Apoyo didcticoUn pas petrolero como Venezuela, con su industria petroqumica asociada,est muy interesado en el desarrollo de catalizadores, principalmente para laproduccin de polmeros. La revista de la Sociedad Venezolana de Qumicapuede ser una ayuda para ilustrar este aspecto (Volumen 26, N 3, por ejemplo)y otros tpicos de relevancia y actualidad en la qumica y, por tanto, en suenseanza.

El agua oxigenada o perxido de hidrgeno(H2O2) se descompone muy lentamente enagua y dioxgeno. La luz y las partculas depolvo aceleran esta reaccin, por esto seexpende en frascos que no sontransparentes y debe mantenerse tapada.La enzima catalasa, presente en la sangre,acelera esta descomposicin. Las bacteriaspatgenas son anaerbicas, es decir, nopueden vivir en presencia de dioxgeno. Poreso se agrega agua oxigenada en lasheridas. Las burbujas blancas que ves sonde dioxgeno.Toma un trocito de carne no congelada oun trocito de hgado y deja caer sobre lunas gotas de agua oxigenada. Anota tusobservaciones. Comparte tu conclusin contu profesor.

Con saliva

Sin saliva Sin saliva

Sin saliva

Con saliva

Con saliva


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Mientras ms concentrado, ms rpidoSeguramente has odo o visto cuas de TV que hablan sobrela conveniencia de adquirir productos comerciales msconcentrados, es decir, que contienen mayor cantidad delingrediente activo en la misma cantidad de producto. Desdeel punto de vista estequiomtrico, esto significa utilizar unamenor cantidad del producto comercial para lograr el mismo

resultado que con otras marcas. Desde el punto de vista dela rapidez de reaccin, significa utilizar menos tiempo paraobtener el mismo resultado. En efecto, la rapidez de reaccinaumenta al incrementar la concentracin de los reaccionantes.

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Imagina una manguera en el suelo conectada a una llave de

agua. Al abrirla, el agua llenar la manguera, comenzar a saliry lo seguir haciendo mientras la llave est abierta. La diferenciade presin entre el tanque y el suelo produce la energa quehar que entre agua a la manguera y salga de ella. El sistemade agua dentro de la manguera es un sistema abierto, puesconstantemente est recibiendo energa y materia. Sin embargo,se mantiene invariable, pues lo que ingresa al mismo es iguala lo que egresa. De un sistema as se dice que est en unestado estacionario. Si se acaba el agua o se cierra la llavedejar de fluir el agua.Algo similar ocurre en los altos hornos. Ellos funcionan mientraestn siendo alimentados, es decir, mientras se les estn

suministrando las materias primas y la energa para quemantengan la reaccin. A su vez, los productos deben ir saliendodel reactor y hacer espacio para que se continen formando.De esta manera se prolonga en el tiempo una condicin cercanaa un estado estacionario, donde prcticamente no hay cambiosen el sistema. Si se corta el suministro de reaccionantes o deenerga, la reaccin cesar.Los seres vivos tambin somos sistemas abiertos, pero noexactamente en condicin de estado estacionario puescambiamos con el tiempo.

La condicin de estado estacionario

Para pensarConsideras que en un reactorcataltico se alcanza un estado

semejante a un estadoestacionario? Puedes conversar

al respecto con tu profesor.


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Imagina que luego de apagar un automvil cerramos ambosextremos del convertidor cataltico de manera que no entreni salga materia de l pero s energa (sistema cerrado); elconvertidor se ir enfriando hasta alcanzar la temperaturaambiente. Despus de un tiempo, parecera que ya noestuviera ocurriendo ningn cambio con la pequea cantidad

de gases que estn dentro del convertidor. Sin embargo, estono es as. Lo que ocurre es que, paulatinamente, la velocidadcon que se est transformando CO y O2 en CO2 (reaccindirecta) se iguala con la velocidad con que se transformaCO2 en CO y O2 (reaccin inversa), de forma tal que lascantidades de cada una de estas tres sustanciaspermanecern constantes en el tiempo. Se dice as que seha alcanzado un estado de equilibrio, un estado estable quese mantendr mientras no se cambien las condiciones.

2CO(g) + O2(g) 2 CO2(g)

Estado de equilibrio

Cmo saber si en el estado de equilibrio predominanel CO y O 2 o el CO 2?Antes de dar respuesta a esta pregunta, comenzaremos por decir que para cadareaccin existe una constante de equilibrio (K) cuya expresin depende de lassustancias participantes en la reaccin y de sus coeficientes en la ecuacinbalanceada. As, para la reaccin anterior:

K = P(CO2)2 / [P(CO)2 x P(O2)]donde P representa la presin para cada gas en el recipiente. El valor de Kdepende tanto de la reaccin particular como de la temperatura. K toma valorespositivos mucho menores que 1 para las reacciones con el equilibrio muy prximoa los reaccionantes, y valores mucho mayores que 1 cuando el equilibrio estcercano a los productos. Para la reaccin anterior, a 25 C, K = 1 x 1090. ste esun nmero gigantesco, casi impensable, por supuesto K > 1.Luego, el gas dentro del convertidor debe ser casi todo CO2. Sin embargo, estareaccin es extremadamente lenta por lo que requiere de un catalizador.El estado de equilibrio ha sido estudiado ampliamente por los qumicos debidoa sus muchas aplicaciones industriales y biolgicas. En el prximo captulo verssu utilidad al estudiar los equilibrios que ocurren en un medio acuoso. Ahora bien,la gran mayora de los sistemas no se encuentra en condicin de equilibrio, losseres humanos somos un ejemplo. Nuestra temperatura corporal (37 C) esdiferente a la del medioambiente (normalmente, en Venezuela, entre 20 y 30 C).Mantener esa diferencia de temperatura implica un consumo de energa, la cualproviene de reacciones qumicas bajo la indispensable presencia de las enzimas.Hay reacciones que tienen una constante de equilibrio tan pequea a temperaturaambiente que, independientemente de las condiciones de trabajo, no ocurren enforma apreciable ni utilizando catalizadores: Ellos son maravillosos pero nomilagrosos! Los catalizadores slo permiten que las reacciones por ocurrir lohagan ms rpido. Hay muchas reacciones que pueden ocurrir y no ocurren. Porejemplo, todos los compuestos de carbono deberan entrar en combustin enpresencia de oxgeno debido a que tienen K muy altas pero no lo logran atemperatura ambiente (Y menos mal, pues qu sera de nosotros!), ya que la altaenerga de activacin de las combustiones nos protege.

Imgenes de un sensorde temperatura corporal utilizadoen medicina

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Al final de todo esto podras preguntarte qutan importantes son los conceptos deestequiometra, rapidez de reaccin, calor dereaccin, estado estacionario, equilibrio,catalizadores, etc. Es importante laestequiometra? Mencionaremos un ejemplo.El grado de contaminacin ambiental en buenaparte depende de ella. Los automvilesmodernos deben mantener una relacin entreel oxgeno del aire y la gasolina que produzcala combustin completa para procurar que slose obtenga N2, H2O y CO2. Sobre loscatalizadores, despus de lo presentado eneste fascculo, creemos que no te queda dudaalguna sobre su importancia.

Es importante conocer los trminos relacionadoscon las transformaciones de la materia?

Un poco de historiaWilhelm Ostwald naci el 2 de septiembre de 1853 en Riga, LatviaSus contribuciones a la qumica estn estrechamente relacionadascon lo que has aprendido en este captulo.Como se mencion antes, Ostwald introdujo el concepto de mol enla qumica. Fue uno, o quizs el ltimo, de los grandes qumicosque no consider relevante la existencia del tomo, y por tanto, delas molculas. Crea que todo lo que exista era energa, a tal puntoque su casa se llam Energa. Sin embargo, despus de los rayoscatdicos y de los trabajos de Thomson y Rutherford, acept laexistencia de electrones, tomos y molculas.

Su dedicacin a organizar y estructurar el conocimiento ha hechoque se le considere entre los fundadores de la fsico-qumica. Fueun excelente docente e investigador. Escribi un buen nmero detextos para la enseanza de la qumica, as como muchos artculosy, adems, fund seis revistas cientficas. Entre sus alumnos, tresobtuvieron el Premio Nobel: Vant Hoff (1901), Arrhenius (1903) yNernst (1920). l lo recibi en 1909 por sus trabajos sobre catlisisequilibrio qumico y velocidad (rapidez) de reaccin.Sus contribuciones tambin incluyen trabajos en disoluciones yelectroqumica. Adems, se debe a Ostwald el mtodo para obtenerHNO3 a partir de NH3, por lo cual lleva su nombre.Desde muy joven, Ostwald se interes por la qumica y por la fsicaSin embargo, su curiosidad abarc tambin la filosofa, la educacinla msica y la pintura. Esto explica su inters por las reformaseducativas, sus escritos sobre filosofa de la ciencia, su participacinen movimientos pacifistas y el que sus ltimos aos los haya dedicadointensamente al estudio del color, de tal forma que escribi sobreteora e historia del color e, incluso, fabric colores.Muri el 4 de abril de 1932, en Alemania. Haba adquirido lanacionalidad alemana en 1888.Calendario ao 1933, homenaje a Ostwald. Alemania.

La NASA, utilizando un espectmetro, elabor esta imagen tridimensionalque representa el agujero en la capa de ozono sobre la Antrtica.


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Qu decir de la energa de activacin?Veamos este ejemplo. Seguramente has odo oledo sobre el agujero en la capa de ozono y susimplicaciones. El ozono es nuestro escudo contralos peligrosos rayos ultravioleta. Se forma y sedestruye naturalmente, de modo tal que semantiene una condicin de equilibrio (si

consideramos a la estratosfera como un sistemacerrado) o de estado estacionario (si, msacertadamente, la consideramos como unsistema abierto). Pero los compuestoscloroflorcarbonados, debido a los rayosultravioleta, producen tomos de Cl. Recuerdaque los tomos libres son muy reactivos por suinestabilidad. El conjunto de reacciones queocurre en la estratosfera es bastante complejo.Podemos generar un pequeo ejemplo ilustrativoconsiderando solamente lo que pasa entre elozono y un par de tomos (O y Cl).

La menor energa de activacin de la reaccinubicada ms a la derecha, determina que esareaccin se produzca ms rpidamente. Es decir,la eliminacin del ozono provocada supera a lanatural. Esto se agrava pues el ClO formadopuede reaccionar con el O natural para producirO2 y ms Cl libre que destruir ms ozono. Ellote permite comprender el porqu es necesariauna drstica disminucin de la produccin yempleo de los cloroflorcarbonados. H en el diagrama representa la energainvolucrada en la reaccin. Como en ambos

casos los productos tienen menor energa quelos reaccionantes, significa que se hadesprendido energa y calor. Son reaccionesexotrmicas.En cuanto al CO2 producido por los automviles,es cierto que no es un contaminante venenosocomo lo son el NO y el CO, tampoco destruyela capa de ozono, sin embargo, algunos piensanque podran ser parcialmente responsables debuena parte del calentamiento global de nuestroplaneta.Seguramente comprendes ahora el porqu de

la bsqueda de otras fuentes de energa distintasa la de los combustibles tradicionales y el porqude la firma del protocolo de Kioto (Japn, 1997)!

E n e r g

a

Progreso de reaccin

O + O3

O2 + O2

H

Energade activacin

E n e r g

a

Progreso de reaccin

Cl + O3

ClO + O2

H

Energade activacin

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En el mencionado protocolo, los pases se comprometieron a disminuir la emisin de los gases que provocanalteraciones climticas y que inciden en daos al ambiente y la salud. Por ejemplo, en lo que se refiere al CO2implicara, entre otras medidas, la proteccin forestal dado que las plantas absorben este gas durante la fotosntesisPodras investigar sobre estas medidas.


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Captulo VII:

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