Estructura: cómo se ordenan los átomos
Los átomos se unen compartiendo o pasando electrones. Cada átomo de una molécula mantiene los pares de electrones (enlaces y pares libres) lo más lejos posible unos de otros, porque los pares de electrones se repelen. Esta idea sencilla (llamada VSEPR) nos da la forma.
Formas comunes
- Lineal: CO2 (180 grados).
- Angular (doblada): H2O (unos 104.5 grados), porque dos pares libres acercan los enlaces.
- Pirámide: NH3 (unos 107 grados), un par libre.
- Tetraédrica: CH4 (109.5 grados), cuatro enlaces y ningún par libre.
Las estructuras más grandes siguen las mismas ideas: un diamante es una red gigante de átomos de carbono y un cristal de sal es una cuadrícula repetida de iones.
Propiedades: lo que deciden la forma y la carga
Algunos átomos atraen con más fuerza los electrones compartidos; esa atracción se llama electronegatividad. Si los tirones dentro de una molécula no se cancelan, un extremo queda un poco negativo y el otro un poco positivo. La molécula es polar. Si los tirones se cancelan, como en el CO2 recto o el CH4 tetraédrico, la molécula es apolar.
Qué cambia esto
- Las moléculas polares se atraen más entre sí, por eso el agua hierve a 100 °C y el metano cerca de −162 °C.
- Lo semejante disuelve a lo semejante: la sal y el azúcar se disuelven en agua; el aceite no.
- Las redes gigantes (diamante, sílice) son muy duras y se funden a temperaturas muy altas; los metales conducen porque sus electrones se mueven libremente.
Energía: energía de activación, calor y catalizadores
Para empezar una reacción, primero deben aflojarse los enlaces viejos. Esto necesita un empujón mínimo llamado energía de activación (Ea). Piensa en una bola que debe subir una colina antes de poder rodar hacia abajo.
Calor de reacción
Si los productos tienen menos energía que los reactivos, se libera calor (exotérmica, ΔH negativo). Si tienen más, se absorbe calor (endotérmica, ΔH positivo). ΔH no depende de la altura de la colina.
Catalizadores
Un catalizador da a la reacción un camino más fácil, con una colina más baja. La reacción se vuelve más rápida, pero las energías de inicio y de final, y por tanto ΔH, no cambian. Un catalizador no se gasta.
Equilibrio: cuando una reacción parece detenerse
Muchas reacciones son reversibles: A ⇄ B. Al comienzo solo ocurre la reacción directa. Cuando se acumula B, la reacción inversa se acelera. En el equilibrio las dos velocidades son iguales, así que las cantidades de A y B se mantienen constantes. Nada se ha detenido; las dos reacciones siguen ocurriendo (es dinámico).
Constante de equilibrio
Para A ⇄ B, K = [B] / [A]. Una K grande significa que hay sobre todo productos; una K pequeña, sobre todo reactivos. K solo cambia con la temperatura.
La idea de Le Chatelier
Si alteras un sistema en equilibrio (añades más A, cambias la presión o la temperatura), este se desplaza para reducir la alteración. Un catalizador no desplaza el equilibrio; solo ayuda a llegar más rápido.
Pruébalo: ve la polaridad con un peine
Frota un peine de plástico en el pelo seco. Abre un grifo para que caiga un hilo fino de agua. Acerca el peine al hilo: el agua se curva hacia él, porque las moléculas de agua son polares. Ahora prueba lo mismo con un hilo fino de aceite de cocina: casi no se mueve. En el 3D, elige agua y dióxido de carbono por turnos y compara los datos.
Fórmulas y definiciones clave
- Ángulos de enlace: CO2 180, NH3 unos 107, H2O unos 104.5, CH4 109.5 (grados)
- Exotérmica: productos por debajo de los reactivos, dH < 0
- Endotérmica: productos por encima de los reactivos, dH > 0
- Para A <-> B: K = [B] / [A]
- En el equilibrio: velocidad directa = velocidad inversa
Ejemplos resueltos
1. ¿Por qué el dióxido de carbono es apolar aunque cada enlace C=O sea polar?
El CO2 es recto. Los dos tirones de los enlaces son iguales y apuntan en sentidos opuestos, así que se cancelan. La molécula no tiene extremo positivo ni negativo.
2. Una mezcla de reacción en equilibrio tiene [A] = 0.2 mol/L y [B] = 0.6 mol/L para A <-> B. Calcula K.
K = [B] / [A] = 0.6 / 0.2 = 3. Se favorecen los productos.
3. Un catalizador baja la energía de activación de 80 kJ a 50 kJ. Los reactivos están 20 kJ por encima de los productos. ¿Cuánto vale dH y cuál es la nueva barrera directa?
dH = productos menos reactivos = -20 kJ (exotérmica), y el catalizador no lo cambia. La nueva barrera es de 50 kJ.
Errores comunes
- Pensar que un catalizador cambia la cantidad de producto en el equilibrio. Solo cambia la rapidez con que se llega al equilibrio.
- Decir que una reacción se detiene en el equilibrio. La reacción directa y la inversa continúan con la misma velocidad.
- Pensar que los enlaces polares siempre dan una molécula polar. La forma puede cancelar los tirones (CO2).
- Confundir la energía de activación con dH. Una es la altura de la colina; la otra es la diferencia entre el inicio y el final.