Reacciones Químicas - Química PDF

93126-02.qxd 10/1/12 11:20 AM Page 37 2.3 REACCIONES QUÍMICAS 37 2.3 REACCIONES QUÍMICAS...

93126-02.qxd 10/1/12 11:20 AM Page 37 2.3 REACCIONES QUÍMICAS 37 2.3 REACCIONES QUÍMICAS ca, energía asociada con la materia en movimiento. Por ejemplo, la energía almacenada en el agua detrás de un dique o en una persona OBJETIVOS preparada para saltar algunos escalones hacia abajo es energía poten- cial. Cuando se abren las compuertas del dique o la persona salta, la Definir una reacción química. energía potencial se convierte en energía cinética. La energía quími- Describir las diversas formas de energía. ca es una forma de energía potencial almacenada en los enlaces de Comparar las reacciones químicas exergónicas y endergó- compuestos y moléculas. La cantidad total de energía presente al nicas. comienzo y al final de una reacción química es la misma. Si bien no Describir el papel de la energía de activación y los cataliza- es posible crear ni destruir la energía, puede ser convertida de una dores en las reacciones químicas. forma a otra. Este principio se conoce como ley de conservación de la energía. Por ejemplo, parte de la energía química de los alimentos Describir reacciones de síntesis, descomposición, intercam- que se consumen se convierte, eventualmente, en diversas formas de bio y reversibles. energía cinética, como energía mecánica usada para caminar y hablar. La conversión de una forma de energía en otra suele liberar calor, Se produce una reacción química cuando se forman nuevos enla- parte del cual se usa para mantener la temperatura corporal normal. ces o se rompen enlaces antiguos entre átomos. Las reacciones quími- cas son la base de todos los procesos vitales y, como se ha comentado, las interacciones de los electrones de valencia son la base de todas las Transferencia de energía en reacciones reacciones químicas. Considérese cómo reaccionan las moléculas de químicas hidrógeno y oxígeno para formar moléculas de agua (Figura 2.7). Las sustancias iniciales −dos H2 y un O2− se conocen como reactivos. Las Los enlaces químicos representan energía química almacenada, y se sustancias finales −dos moléculas de H2O− son los productos. La fle- producen reacciones químicas cuando se forman nuevos enlaces o se cha de la figura indica la dirección en la que procede la reacción. En rompen enlaces antiguos entre átomos. La reacción global puede libe- una reacción química, la masa total de los reactivos equivale a la masa rar o absorber energía. Las reacciones exergónicas (ex = fuera) libe- total de los productos. Por consiguiente, el número de átomos de cada ran más energía de la que absorben. En cambio, las reacciones ender- elemento es el mismo antes y después de la reacción. Sin embargo, gónicas (en = dentro) absorben más energía de la que liberan. como hay un reordenamiento de los átomos, los reactivos y los produc- Una característica clave del metabolismo corporal es el acoplamien- tos tienen diferentes propiedades químicas. Mediante miles de reaccio- to de reacciones exergónicas y reacciones endergónicas. La energía nes químicas diferentes se construyen estructuras corporales y se lle- liberada por una reacción exergónica se suele utilizar para impulsar van a cabo funciones corporales. El término metabolismo hace refe- una endergónica. Por lo general, las reacciones exergónicas se produ- rencia a todas las reacciones químicas que tienen lugar en el cuerpo. cen cuando se degradan nutrientes, por ejemplo la glucosa. Parte de la energía liberada puede quedar atrapada en los enlaces covalentes del adenosín trifosfato (ATP), lo que se describe con más detalle más ade- Formas de energía y reacciones químicas lante en este capítulo. Si una molécula de glucosa es degradada com- Cada reacción química implica cambios de energía. La energía (en- pletamente, la energía química de sus enlaces se puede utilizar para = dentro y –ergon = acción, trabajo) es la capacidad de realizar traba- producir hasta 38 moléculas de ATP. Luego, la energía transferida a jo. Dos formas principales de energía son la energía potencial, ener- las moléculas de ATP se utiliza para impulsar reacciones endergónicas gía almacenada por la materia debido a su posición, y energía cinéti- necesarias para construir estructuras corporales, como músculos y huesos. La energía del ATP también se emplea para realizar el trabajo mecánico involucrado en la contracción muscular o el desplazamien- to de sustancias hacia el interior o exterior de las células. Figura 2.7 Reacción química entre dos moléculas de hidrógeno Energía de activación (H2) y una molécula de oxígeno (O2) para formar dos moléculas de Como las partículas de materia, como átomos, iones y moléculas, agua (H2O). Obsérvese que la reacción tiene lugar rompiendo enlaces tienen energía cinética, se mueven y chocan continuamente entre sí. Una colisión suficientemente enérgica puede alterar el movimiento de antiguos y formando enlaces nuevos. los electrones de valencia, lo que determina que un enlace químico existente se rompa o que se forme uno nuevo. La energía de colisión necesaria para romper los enlaces químicos de los reactivos se deno- El número de átomos de cada elemento es el mismo antes mina energía de activación de la reacción (Figura 2.8). Se requiere y después de una reacción química esta “inversión” inicial de energía para comenzar una reacción. Los reactivos deben absorber energía suficiente para que sus enlaces quí- O H H micos se tornen inestables y sus electrones de valencia formen nuevas H H combinaciones. Después, a medida que se forman enlaces nuevos, se + O O libera energía a los alrededores. H H Tanto la concentración de partículas como la temperatura influyen O H H en la probabilidad de que se produzca una colisión y cause una reac- ción química. 2 H2 O2 2 H2O Reactivos Productos Concentración. Cuantas más partículas de materia haya en un espacio limitado, mayor será la probabilidad de que choque (pien- ¿Por qué esta reacción requiere dos moléculas de H2? se en la gente entrando en tropel a un vagón de subterráneo en la 93126-02.qxd 10/1/12 11:20 AM Page 38 38 CAPÍTULO 2 EL NIVEL QUÍMICO DE ORGANIZACIÓN hora pico). La concentración de partículas aumenta cuando se agre- Figura 2.9 Comparación de la energía necesaria para que gan más a un espacio dado o cuando aumenta la presión del espa- proceda una reacción química con un catalizador cio, lo que fuerza a las partículas a estar más juntas de manera que (curva azul) y sin un catalizador (curva roja). chocan con mayor frecuencia. Los catalizadores aceleran las reacciones químicas Temperatura. A medida que aumenta la temperatura, las partículas al reducir la energía de activación. de materia se mueven con mayor rapidez. Así, cuanto más alta es la temperatura de la materia, con más fuerza chocarán las partícu- las y mayor será la probabilidad de que una colisión provoque una reacción. Energía de activación requerida sin catalizador Catalizadores Energía de activación requerida Como se ha mencionado, se producen reacciones químicas cuando con catalizador se rompen o forman enlaces químicos o después de que átomos, iones o moléculas chocan entre sí. Sin embargo, la temperatura y las con- Energía potencial centraciones de las moléculas de los líquidos orgánicos son demasia- do bajas para que la mayoría de las reacciones químicas tengan lugar con la rapidez suficiente para mantener la vida. Elevar la temperatura y el número de partículas reactivas de materia del cuerpo podría aumentar la frecuencia de colisiones y, por consiguiente, la tasa de reacciones químicas, pero hacerlo podría dañar o destruir las células del organismo. Este problema se resuelve con sustancias denominadas catalizado- res. Los catalizadores son compuestos químicos que aceleran la velo- cidad de las reacciones químicas al reducir la energía de activación Energía de los reactivos Energía de los productos Progreso de la reacción ¿Modifica un catalizador las energías potenciales de los Figura 2.8 Energía de activación. productos y los reactivos? La energía de activación es la energía necesaria para romper enlaces químicos de las moléculas de reactivos, de manera que pueda comenzar una reacción. necesaria para que tenga lugar una reacción (Figura 2.9). Los catali- zadores más importantes del cuerpo son las enzimas, que se analiza- rán más adelante en este capítulo. Un catalizador no modifica la diferencia de energía potencial entre los reactivos y los productos. Más bien, reduce la cantidad de energía requerida para iniciar la reacción. Para que se produzcan reacciones químicas, algunas partículas de Energía materia −en especial moléculas grandes− no sólo deben chocar con absorbida suficiente fuerza, sino que deben golpearse entre sí en puntos preci- Energía potencial para iniciar sos. Un catalizador ayuda a orientar apropiadamente las partículas Energía la reacción involucradas en la colisión. Así, interactúan en los puntos que hacen de activación Energía que la reacción tenga lugar. Si bien la acción del catalizador ayuda a liberada acelerar una reacción química, el catalizador en sí mismo no presenta cuando modificaciones al final de la reacción. Una sola molécula catalizado- se forman ra puede ayudar en una reacción química después de otra. nuevos enlaces Tipos de reacciones químicas Energía Después de que se produce una reacción química, los átomos de los de los Energía reactivos de los reactivos se reordenan para generar productos con nuevas propiedades productos químicas. En esta sección, se considerarán los tipos de reacciones quí- micas comunes a todas las células vivas. Una vez que las haya apren- Progreso de la reacción dido, podrá comprender las reacciones químicas tan importantes para el funcionamiento del cuerpo humano que se analizan durante todo el ¿Por qué la reacción aquí ilustrada es exergónica? libro. 93126-02.qxd 10/1/12 11:20 AM Page 39 2.3 REACCIONES QUÍMICAS 39 Reacciones de síntesis – Anabolismo HCl + NaHCO3 → H2CO3 + NaCl Ácido Bicarbonato Ácido Cloruro Cuando dos o más átomos, iones o moléculas se combinan para for- clorhídrico de sodio carbónico de sodio mar moléculas nuevas y más grandes, los procesos se denominan reacciones de síntesis. La palabra síntesis significa “armar”. Una reacción de síntesis puede ser expresada de la siguiente manera: Obsérvese que los iones de ambos compuestos han “cambiado de pareja”. El ion hidrógeno (H+) del HCl se combinó con el ion bicar- bonato (HCO3−) del NaHCO3, y el ion sodio (Na+) del NaHCO3 se se combinan para formar combinó con el ion cloruro (Cl−) del HCl. A + B ⎯⎯⎯⎯⎯⎯n AB El átomo, ion El átomo, ion Nueva molécula AB o molécula A o molécula B Reacciones reversibles Algunas reacciones químicas proceden en una dirección, de reacti- vos a productos, como se indicó antes con las flechas simples. Otras Un ejemplo de reacción de síntesis es la que se produce entre dos reacciones químicas pueden ser reversibles. En una reacción reversi- moléculas de hidrógeno y una molécula de oxígeno para formar dos ble, los productos pueden revertir a los reactivos originales. Una reac- moléculas de agua (véase la Figura 2.7). Otro ejemplo de reacción ción reversible se indica mediante dos hemiflechas de direcciones de síntesis es la formación de amoníaco a partir de nitrógeno e opuestas: hidrógeno: se degrada en AB 34 A+B se combinan para formar N2 + 3H2 ⎯⎯⎯⎯⎯⎯n 2NH3 se combinan para formar Una molécula Tres moléculas Dos moléculas de nitrógeno de hidrógeno de amoníaco Algunas reacciones sólo son reversibles en condiciones especiales: agua Todas las reacciones de síntesis que se producen en el cuerpo se denominan colectivamente anabolismo. En términos generales, las AB 34 A + B calor reacciones anabólicas suelen ser endergónicas porque absorben más energía de la que liberan. La combinación de moléculas simples, como los aminoácidos (analizados en breve), para formar moléculas En ese caso, cualquier cosa que se escriba por encima o por debajo grandes, como las proteínas, es un ejemplo de anabolismo. de las flecha indica la condición necesaria para que se produzca la reacción. En estas reacciones, AB se degrada en A y B cuando se agre- Reacciones de descomposición – Catabolismo ga agua, y A y B reaccionan para producir AB sólo cuando se aplica calor. Numerosas reacciones reversibles del cuerpo requieren cataliza- Las reacciones de descomposición dividen moléculas grandes en dores denominados enzimas. A menudo, diferentes enzimas guían las átomos, iones o moléculas más pequeñas. Una reacción de descompo- reacciones en direcciones opuestas. sición se expresa de la siguiente manera: Reacciones de oxidorreducción se degrada en En el Capítulo 25 aprenderá que las reacciones químicas denomina- AB ⎯⎯⎯⎯⎯⎯n A + B das de oxidorreducción son esenciales para la vida, porque son las La molécula AB El átomo, ion El átomo, ion o molécula A o molécula B reacciones que degradan las moléculas de alimentos para generar energía. Estas reacciones se ocupan de la transferencia de electrones entre átomos y moléculas. Oxidación hace referencia a la pérdida de Las reacciones de descomposición que se producen en el cuerpo se electrones, y en el proceso la sustancia oxidada libera energía. denominan colectivamente catabolismo. En términos generales, las Reducción hace referencia a la ganancia de electrones, y en el proce- reacciones catabólicas suelen ser exergónicas porque liberan más so la sustancia reducida absorbe energía. Las reacciones de oxidorre- energía de la que absorben. Por ejemplo, la serie de reacciones que ducción siempre son paralelas; cuando una sustancia es oxidada, otra degradan la glucosa a ácido pirúvico, con la producción neta de dos es reducida simultáneamente. Cuando una molécula de alimento, moléculas de ATP, son reacciones catabólicas importantes del cuerpo. como la glucosa, se oxida, una célula utiliza la energía producida para Estas reacciones se analizarán en el Capítulo 25. cumplir sus diversas funciones. Reacciones de intercambio P R E G U N TA S D E R E V I S I Ó N Muchas reacciones del cuerpo son reacciones de intercambio; éstas consisten en reacciones tanto de síntesis como de descomposi- 7. ¿Cuál es la relación entre los reactivos y los productos de ción. Un tipo de reacción de intercambio opera del siguiente modo: una reacción química? 8. Compare la energía potencial y la energía cinética. 9. ¿Cómo afectan los catalizadores la energía de activación? AB + CD → AD + BC 10. ¿Cómo se relacionan el anabolismo y el catabolismo con las reacciones de síntesis y descomposición, respectivamente? Se rompen los enlaces entre A y B y entre C y D (descomposición), 11. ¿Por qué son importantes las reacciones de oxidorreduc- y se forman nuevos enlaces (síntesis) entre A y D y entre B y C. Un ción? ejemplo de reacción de intercambio es el siguiente: