Objetivo 6: Cinética Química (Rapidez de la Reacción, Comportamiento del Estado Gaseoso y las Enzimas como Catalizadores Biológicos):

Este campo estudia la velocidad de reacción de los procesos químicos en función de la concentración de las especies que reaccionan, de los productos de reacción, de los catalizadores e inhibidores, de los diferentes medios disolventes, de la temperatura, y de todas las demás variables que pueden afectar a la velocidad de una reacción.

Cuando algunas sustancias reaccionan lo hacen en forma lenta, por ejemplo el hierro en presencia de aire; otras reaccionan rápidamente, como por ejemplo el sodio también en presencia de aire; y hay sustancias como el papel en presencia de aire que no reaccionarían jamás sin el auxilio del fuego, pero una vez comenzada la reacción ésta se desarrolla rápidamente.

Rapidez de las Reacciones Químicas:

Reacciones Químicas: Cuando reaccionan dos o más sustancias se producen nuevos materiales, lo cual ocurre en un tiempo determinado; todo depende de un conjunto de factores que influyen en la rapidez de reacción, tales como: naturaleza de los reaccionantes, división de los materiales reaccionantes, concentración, temperatura y la presencia de catalizadores. Todos estos factores hacen que unas reacciones sean más rápidas y otras más lentas: podemos determinar la rapidez con que reaccionan dos sustancias, tomando en cuenta la cantidad de sustancia transformada o producida en función del tiempo.

Entonces, tanto para que una reacción ocurra, como para modificar su velocidad, se deberán tener en cuenta varios factores.

Velocidad de reacción: La cinética química busca la relación entre la forma precisa en que varía la velocidad de reacción con el tiempo, y la naturaleza de las colisiones intermoleculares (que controlan la velocidad) implicadas en la generación de los productos de reacción. La velocidad de reacción se define como la cantidad de reactivos que se transforma o producto que se forma por unidad de tiempo. En una reacción química pueden intervenir diversos factores que se encargan de modificar (ya sea aumentando o disminuyendo) la velocidad de la misma. Estos factores son:

• Temperatura: A mayor temperatura, mayor velocidad de reacción. La temperatura representa uno de los tipos de energía presente en la reacción. El sentido del flujo de energía entre los miembros de la reacción, determina si esta es exotérmica o endotérmica. Según la Teoría Cinética, la temperatura aumenta la energía cinética de las moléculas o iones y por consiguiente el movimiento de estos, con lo cual, aumenta la posibilidad de choques entre las moléculas o iones de los reactivos, aumentando la posibilidad de que ocurra la reacción o acelerando una reacción en desarrollo. 
• La Naturaleza de los Reactantes: Determina el tipo de reacción que se efectúa. Las reacciones en las cuales se redistribuyen enlaces o se transfieren electrones pueden ser más lentas que las que no involucran estos cambios. Las reacciones iónicas se efectúan inmediatamente, esto se debe a las frecuentes colisiones entre iones con cargas opuestas. En una reacción iónica no hay transferencia de electrones. La mayor parte de las colisiones moleculares son elásticas, por lo tanto, las moléculas simplemente rebotan y se apartan sin cambios. 
• Superficie de contacto: A mayor superficie de contacto, mayor velocidad de reacción. La superficie de contacto determina el número de átomos y moléculas disponibles para la reacción. A mayor tamaño de partícula, menor superficie de contacto para la misma cantidad de materia. Cuando una o todas las sustancias que se combinan se hallan en estado sólido, la velocidad de reacción depende de la superficie expuesta en la reacción. 
• Luz: Hay reacciones que en la oscuridad son muy lentas, como por ejemplo, la combinación del hidrógeno con el cloro. La luz solar acelera la reacción de modo tal, que a la luz solar directa, la reacción se hace explosiva. Lo mismo ocurre en la formación de glúcidos por los vegetales verdes a partir del agua y el dióxido de carbono en la fotosíntesis. 
• Concentración: A mayor concentración, (mayor presencia de moléculas por unidad de volumen), mayor velocidad de reacción de uno de los reactivos. La concentración se refiere a la cantidad de átomos y moléculas presentes en un compuesto o mezcla. Si las sustancias que reaccionan son gaseosas, la concentración de las mismas aumenta disminuyendo el volumen, lo que se logra aumentando la presión. 
• Catalizadores: Se llaman catalizadores a las sustancias que intervienen en las reacciones, acelerándolas o retardándolas y que siguen presentes al finalizar la reacción, es decir que no se consumen en esta, no son parte de los productos reaccionantes.

Teoría de las Colisiones: Se basa en la idea de que para que una reacción pueda tener lugar, las moléculas de las sustancias deben chocar previamente entre sí, y por lo tanto:

"La velocidad de una reacción es proporcional al número de colisiones producidas por unidad de tiempo entre las moléculas de los reactivos".

De acuerdo con esta teoría, cualquier factor que haga aumentar la frecuencia con la que tienen lugar dichas colisiones, deberá aumentar la velocidad de la reacción (o lo que es lo mismo, su constante cinética). Sin embargo, no todas las colisiones que tienen lugar entre las moléculas de los reactivos van a dar lugar a productos, ya que no todas las colisiones son efectivas. Si así fuera, las reacciones entre sustancias líquidas o disueltas serían muy rápidas, ya que en estos estados, el número de choques es muy grande, y en la práctica, muy pocas reacciones tienen lugar a altas velocidades. La mayoría son relativamente lentas debido a que muchas de las colisiones producidas no son efectivas y no se traducen en la formación de productos.

Comportamiento del Estado Gaseoso:

Los gases tienden a ocupar todo el espacio disponible en el recipiente que lo contiene, ya que sus moléculas poseen gran energía cinética, superando las fuerzas de atracción intermoleculares. Esta propiedad se denomina expansibilidad.

• Como consecuencia de la expansibilidad, los gases no tienen forma ni volumen definido.
• El volumen ocupado por un gas depende de la presión ejercida sobre éste, de forma que poseen una alta compresibilidad.
• Debido a que las fuerzas entre las partículas de un gas son débiles, estas se hallan dispersas en el espacio. Como resultado de esto, el volumen que ocupa un gas es muy superior al volumen de las partículas constitutivas del mismo, pues estas presentan una baja densidad.
• Cuando dos o más gases se hallan ocupando el mismo espacio, sus partículas se entremezclan completa y uniformemente, por lo que se dice que los gases poseen una alta miscibilidad.

Teoría Cinética de los Gases: Es una teoría física y química que explica el comportamiento de los gases, a partir de los siguientes enunciados:

1.  Los gases están compuestos por partículas muy pequeñas llamadas moléculas. La distancia que hay entre las moléculas es muy grande comparada con su tamaño; esto hace que el volumen total que ocupan sea solo una fracción muy pequeña comparada con el volumen total que ocupa todo el gas.
2. No existen fuerzas de atracción entre las moléculas de un gas.
3. Las moléculas de un gas se encuentran en un estado de movimiento rápido constante, chocan unas con otras y con las paredes del recipiente que las contiene de una manera perfectamente aleatoria. 
4. Todas estas colisiones moleculares son perfectamente elásticas, en consecuencia no hay pérdida de energía cinética en todo el sistema.
5. La energía cinética promedio por molécula del gas es proporcional a la temperatura medida en kelvin y la energía cinética promedio por molécula en todos los gases es igual a la misma temperatura.

Los gases que se ajustan a estos enunciados se llaman gases ideales y aquellos que no lo hacen se llaman gases reales, los cuales en condiciones bajas de temperatura o presiones altas se desvían del comportamiento ideal. 

Leyes que rigen el comportamiento gaseoso: Las primeras leyes de los gases fueron desarrolladas desde finales del siglo XVII, cuando los científicos empezaron a darse cuenta de que en las relaciones entre la presión, el volumen, y la temperatura de una muestra de gas, en un sistema cerrado, se podía obtener una fórmula que sería válida para todos los gases. Estos se comportan de forma similar en una amplia variedad de condiciones debido a la buena aproximación que tienen las moléculas que se encuentran más separadas, y hoy en día la ecuación de estado para un gas ideal se deriva de la teoría cinética.

Dichas leyes son:

Ley de Boyle y Mariotte: Fue descubierta por Robert Boyle en 1662. Edme Mariotte también llegó a la misma conclusión que Boyle, pero no publicó sus trabajos hasta 1676. Esta es la razón por la que en muchos libros encontramos esta ley con el nombre de Ley de Boyle y Mariotte. La ley de Boyle establece que la presión de un gas en un recipiente cerrado es inversamente proporcional al volumen del recipiente, cuando la temperatura es constante. 

Ley de Charles: En 1787, Jack Charles estudió por primera vez la relación entre el volumen y la temperatura de una muestra de gas a presión constante y observó que cuando se aumentaba la temperatura el volumen del gas también aumentaba y que al enfriar el volumen disminuía. Cuando aumentamos la temperatura del gas las moléculas se mueven con más rapidez y tardan menos tiempo en alcanzar las paredes del recipiente.

Ley de Gay- Lussac: Joseph Louis Gay-Lussac fue un físico francés que en el año de 1802 observó que todos los gases se expanden a una misma fracción de volumen para un mismo aumento en la temperatura, lo que le reveló la existencia de un coeficiente de expansión térmica común. Lussac formuló la Ley de los Volúmenes de Combinación que lleva su nombre, la cual puede enunciarse como: En cualquier reacción química los volúmenes de todas las sustancias gaseosas que intervienen en la misma están en una relación de números enteros sencillos.

Ley Combinada: La ley combinada de los gases o ley general de los gases es una ley de los gases que combina la ley de Boyle, la ley de Charles y la ley de Gay-Lussac. Estas leyes matemáticamente se refieren a cada una de las variables termodinámicas con relación a otra mientras todo lo demás se mantiene constante. La ley de Charles establece que el volumen y la temperatura son directamente proporcionales entre sí, siempre y cuando la presión se mantenga constante. La ley de Boyle afirma que la presión y el volumen son inversamente proporcionales entre sí a temperatura constante. Finalmente, la ley de Gay-Lussac introduce una proporcionalidad directa entre la temperatura y la presión, siempre y cuando se encuentre a un volumen constante. La interdependencia de estas variables se muestra en la ley de los gases combinados, que establece claramente que: La relación entre el producto presión-volumen y la temperatura de un sistema permanece constante.

Ley de Dalton o de las Presiones Parciales: La ley de las presiones parciales (conocida también como ley de Dalton) fue formulada en el año 1801 por el físico, químico y matemático británico John Dalton. Establece que la presión de una mezcla de gases, que no reaccionan químicamente, es igual a la suma de las presiones parciales que ejercería cada uno de ellos si sólo uno ocupase todo el volumen de la mezcla, sin variar la temperatura. La ley de Dalton es muy útil cuando deseamos determinar la relación que existe entre las presiones parciales y la presión total de una mezcla.

Las Enzimas como Catalizadores Biológicos:

Las enzimas son proteínas que catalizan reacciones químicas en los seres vivos. Las enzimas son catalizadores, es decir, sustancias que, sin consumirse en una reacción, aumentan notablemente su velocidad. 

Las enzimas presentan una serie de características notables como las siguientes:

1.     Son proteínas que poseen un efecto catalizador al reducir la barrera energética de
ciertas reacciones químicas.

2.     Influyen sólo en la velocidad de reacción sin alterar el estado de equilibrio.

3.     Actúan en pequeñas cantidades.

4.     Forman un complejo reversible con el sustrato.

5.     No se consumen en la reacción, pudiendo actuar una y otra vez.

6.     Muestran especificidad por el sustrato.

7.     Su producción está directamente controlada por genes.

Mecanismo de Acción Enzimática: Las enzimas actúan acelerando la velocidad de reacción o realizando una reacción, cuando se dice que acelera la velocidad de reacción, quiere decir que, aquellas reacciones que por acción enzimática se efectúan en pocos segundos, demorarían hasta 20 años realizarlas en laboratorio y, cuando se señala que hace posible una determinada reacción, quiere decir que sin la enzima la reacción no se lleva a cabo.

Para realizar su acción, la enzima se une al sustrato por absorción, encajando la superficie de una en la otra de forma tal, que podríamos compararla con la llave de una cerradura. Esta combinación origina un complejo reversible enzima-sustrato, que luego se descompone para liberar los productos de la reacción, y la enzima que es capaz de unirse a otra molécula del mismo sustrato para comenzar de nuevo la acción.

Factores que afectan la actividad de las enzimas:

• Concentración del sustrato: A mayor concentración del sustrato, a una concentración fija de la enzima se obtiene la velocidad máxima. Después de que se alcanza esta velocidad, un aumento en la concentración del sustrato no tiene efecto en la velocidad de la reacción.
• Concentración de la enzima: Siempre y cuando haya sustrato disponible, un aumento en la concentración de la enzima aumenta la velocidad enzimática hacia cierto límite.
• Temperatura: Un incremento de 10° C duplica la velocidad de reacción, hasta ciertos límites. El calor es un factor que desnaturaliza las proteínas, por lo tanto si la temperatura se eleva demasiado, la enzima pierde su actividad.
• El pH: El pH óptimo de la actividad enzimática es 7, excepto las enzimas del estómago cuyo pH óptimo es ácido.
• Presencia de Cofactores: Muchas enzimas dependen de los cofactores, sean activadores o coenzimas para funcionar adecuadamente. Para las enzimas que tienen cofactores, la concentración del cofactor debe ser igual o mayor que la concentración de la enzima para obtener una actividad catalítica máxima.

Objetivo 5: La Energía y los Cambios de la Materia:

En la naturaleza, la energía y la materia se encuentran asociados relacionándose entre sí. La energía puede actuar directamente sobre los cuerpos produciendo cambios. Estos cambios pueden ser físicos o químicos.

Los cambios físicos son transformaciones que no cambian la composición de la materia, son cambios en los que no se producen nuevas sustancias y están asociados a modificaciones de las fuerzas de atracción entre las partículas que componen la materia. Ejemplos de dichos cambios son: Cuando moldeamos la plastilina, estiramos una liga, disolvemos una sustancia en otra como sal y agua o alcohol y agua.

    

La energía está acoplada a los cambios físicos, la energía es la capacidad para hacer un trabajo. Existen dos formas básicas de energía: Energía cinética y potencial. La energía potencial está relacionada con la posición relativa de un objeto y la energía cinética se refiere al movimiento. Para la mayoría de las sustancias se dan los cambios de fase que pueden existir en tres estados, dependiendo de la temperatura y la presión. Dichos estados son: Líquido, sólido y gaseoso, se conocen como fases cuando ya existen formando partes físicamente distintas de una mezcla, el agua con hielo es un ejemplo de dos fases: Hielo (sólido) y agua (líquido).

La cantidad de energía necesaria para fundir un mol de un sólido en su punto normal de congelación se conoce como calor molar de fusión y la cantidad de calor necesaria para transformar un gramo de líquido en vapor se llama calor de vaporización y cuando la cantidad de líquido es un mol se llama calor molar de vaporización.

En los cambios químicos, también ocurren cambios energéticos, ya que la energía almacenada en los reaccionantes es diferente a la almacenada en los productos. En las sustancias químicas existe energía potencial que se libera según se formen o rompan enlaces químicos. La energía liberada o absorbida en una reacción química se llama entalpía y puede ser de formación, de combustión o de neutralización, también se puede determinar la entalpía utilizando entalpías de reacción conocidas y combinándolas para que la resultante sea la reacción deseada, esto se llama Ley de Hess. Hay otras magnitudes termodinámicas asociadas a las reacciones químicas como es la entropía. Willard Gibbs definió una función que combina la entropía y la entalpía; ésta se denomina energía libre.

Objetivo 4: Las Soluciones (Concentración de las Soluciones, Titulación Ácido-Base y las Propiedades Coligativas):

Las soluciones son mezclas homogéneas formadas por dos componentes (el solvente y el soluto), todos estamos en contacto con una solución química ya sea en jugos, refrescos, café, el mar, entre otros. 

La concentración de una solución constituye una de sus principales características. Su estudio resulta de interés tanto para física como para química; otros ejemplos de soluciones son el oxígeno y el nitrógeno del aire, también el gas carbónico en los refrescos. La sustancia presente en mayor cantidad suele recibir el nombre de solvente y a la de menor cantidad se le llama soluto que es la sustancia disuelta. Al hablar de las soluciones podemos ver que se clasifican en tres:

• Diluidas: Es la solución donde encontramos mayor concentración de solvente que de soluto, normalmente no se pueden apreciar los componentes de este tipo de solución.

• Saturadas: Es la solución donde encontramos la misma cantidad de soluto que de solvente, en esta solución es normal que se puedan apreciar algunas partículas del soluto.
• Sobresaturadas: Son aquellas que tienen mayor concentración de soluto que de solvente, generalmente se puede apreciar la precipitación de parte del soluto en la solución.

 

Titulación ácido-base: Es una técnica o método de análisis cuantitativo muy usada, que permite conocer la concentración desconocida de una disolución de una sustancia que pueda actuar como ácido neutralizada por medio de una base de concentración conocida, o bien sea una concentración de base desconocida neutralizada por una solución de ácido conocido. 

Propiedades Coligativas: Son propiedades físicas que dependen del número de partículas de soluto en una cantidad determinada de disolvente o solvente. Estas propiedades son:

• La presión de vapor: Esta propiedad está reflejada en la Ley de Raoult, un científico francés, Francois Raoult quien enunció el siguiente principio: "La disminución de la presión del disolvente es proporcional a la fracción molar de soluto disuelto". Este principio ha sido demostrado mediante experimentos en los que se observa que las soluciones que contienen líquidos no volátiles o solutos sólidos, siempre tienen presiones más bajas que los solventes puros.
• El punto de ebullición de un líquido: Es la temperatura a la cual la presión de vapor se iguala a la presión aplicada en su superficie. Para los líquidos en recipientes abiertos, ésta es la presión atmosférica. La presencia de moléculas de un soluto no volátil en una solución ocasiona la elevación en el punto de ebullición de la solución. Esto es debido a que las moléculas de soluto al retardar la evaporación de las moléculas del disolvente hacen disminuir la presión de vapor y en consecuencia la solución requiere de mayor temperatura para que su presión de vapor se eleve o iguale a la presión atmosférica. La temperatura de ebullición del agua pura es 100°C.
• El punto de congelación de un líquido: Es la temperatura a la cual la presión de vapor del líquido y del sólido se igualan. El punto de congelación se alcanza en una solución cuando la energía cinética de las moléculas se hace menor a medida que la temperatura disminuye; el aumento de las fuerzas intermoleculares de atracción y el descenso de la energía cinética son las causas de que los líquidos cristalicen. Las soluciones siempre se congelan a menor temperatura que el disolvente puro. La temperatura de congelación del agua pura es 0°C.
• Presión osmótica: Esta propiedad se basa en el fenómeno de la ósmosis en el cual se selecciona el paso de sustancias a través de una membrana semipermeable que tiene poros muy pequeños que sólo permiten el paso de las moléculas del disolvente pero no del soluto. Esto permite que dos soluciones de diferentes concentraciones separadas mediante una membrana semipermeable igualen sus concentraciones, debido al paso de las moléculas de solvente de la solución más diluida a la solución más concentrada, hasta alcanzar ambas la misma concentración.