Reacciones químicas


El propósito de este artículo es proporcionar la definición de reacción química. También se dará una descripción de las distintas formas de energía. Se hará una comparación entre las reacciones químicas exergónicas y endergónicas. Describir el papel de la activación de energía y catálisis en las reacciones químicas. Describir las reacciones de síntesis, de descomposición, de intercambio y reversibles.

Se produce una reacción química cuando se forman uniones nuevas o se rompen uniones anteriores entre átomos. Las reacciones químicas son la base de todos los procesos vitales. Las interacciones entre los electrones de valencia representan la base de todas las reacciones químicas. Como explicación se tomarán las moléculas de hidrógeno y oxígeno para formar moléculas de agua.

Las sustancias al comienzo de la reacción, dos H2 y un O2, se cnocen como reactantes. Las sustancias al final de la reacción, dos moléculas de H2O, son los productos. La flecha en la siguiente imagen indica la dirección en la cual tiene lugar la reacción:



En una reacción química, la masa total de los reactantes es igual a la masa total de los productos. Por lo tanto, el número de átomos de cada elemento es el mismo antes y después de la reacción. Sin embargo, como los átomos se reordenan, los reactantes y los productos tienen distintas propiedades químicas. Tanto la formación de las estructuras corporales como las diversas funciones del organismo se cumplen a través de miles de reacciones químicas distintas. El término metabolismo se refiere a todas las reacciones químicas que se producen en el cuerpo.

Formas de energía y reacciones químicas



Todas las reacciones químicas implican la transferencia de energía. Energía es la capacidad de realizar trabajo. Las dos formas principales de energía son la energía potencial, energía almacenada por la materia gracias a su posición, y la energía cinética, la energía asociada con la materia en movimiento. Por ejemplo, la energía almacenada en el agua de una represa o en una persona a punto de saltar unos escalones es energía potencial. Cuando las puertas de la represa se abren o la persona salta, la energía potencial se convierte en energía cinética.

La energía química es una forma de energía potencial que está almacenada en las uniones de las moléculas y los compuestos. La cantidad total de energía presente al principio y al final de una reacción química no varía. Pese a que no se puede crear ni destruir energía, puede transformarse de una forma a otra. Este principio se conoce como ley de la conservación de la energía.

Por ejemplo, parte de la energía química de los alimentos de transforma finalmente en carios tipos de energía cinética, como la energía mecánica utilizada para caminar y hablar. La conversión de la energía de una forma a otra por lo general libera calor, parte del cual se utiliza para mantener la temperatura corporal dentro de los valores normales.

Transferencias de energía en las reacciones química



Los enlaces químicos representan energía química almacenada, y las reacciones químicas ocurren cuando se forman enlaces nuevos o se rompen enlaces viejos. La reacción total puede liberar energía o absorberla. Las reacciones exergónicas liberan más energía de la que absorben. Al contrario de las reacciones endergónicas que absorben más energía de la que liberan.



Una característica clave para el metabolismo corporal es el acoplamiento de reacciones exergónicas y reacciones endergónicas. La energía que se libera durante una reacción exergónica suele utilizarse para llevar a cabo una reacción endergónica. Por lo general, las reacciones exergónicas ocurren cuando se degradan nutrientes como la glucosa. Parte de la energía liberada puede almacenarse en los enlaces covalentes del adenosín trifosfato (ATP).

Tras la degradación completa de una molécula de glucosa, la energía química de sus enlaces puede producir hasta 38 moléculas de ATP. La energía que se transfirió a las moléculas de ATP se utiliza luego para llevar a cabo las reacciones endergónicas necesarias en la formación de las estructuras corporales, como los músculos y los huesos. La energía del ATP también se utiliza para realizar el trabajo mecánico en las contracciones musculares o en el movimiento de sustancias hacia adentro o hacia afuera de las células.

Energía de activación

Dado que las partículas de materia como los átomos, iones y moléculas tienen energía cinética, se mueven y chocan entre sí continuamente. Una colisión con fuerza suficiente puede alterar el movimiento de los electrones de valencia y ocasionar la ruptura del enlace químico ya establecida o la formación de uno nuevo. La energía de colisión necesaria para romper los enlaces químicos de los reactivos se denomina energía de activación de la reacción. Se necesita este aporte inicial de energía para comenzar una reacción. Los reactantes deben absorber suficiente energía como para que se desestabilicen sus enlaces químicos y sus electrones de valencia formen nuevas combinaciones. Luego, cuando se forman nuevos enlaces, se libera energía al medio.

Tanto la concentración de partículas como la temperatura influyen sobre la posibilidad de que ocurra una colisión y se produzca una reacción química.

- Concentración. Cuanto mayor sea la cantidad de partículas de materia presentes en un espacio determinado, mayor será la posibilidad de que choquen entre sí. La concentración de partículas aumenta cuando se agregan más partículas a un espacio determinado o cuando aumenta la presión en ese espacio, lo cual las acerca entre só de manera que colisionan con mayor frecuencia.

- Temperatura. A medida que la temperatura aumenta, las partículas de materia se mueven más rápido. De ahí que, cuanto mayor sea la temperatura de la materia, las partículas chocarán con mayor fuerza y la posibilidad de que estas colisiones produzcan una reacción será más elevada.

Catalizadores

Las reacciones químicas se producen cuando se rompen o se forman enlaces químicos tras la colisión de átomos, iones o moléculas. Sin embargo, la temperatura y la concentración de moléculas en los líquidos corporales son demasiado bajas como para que se produzca la mayor parte de las reacciones químicas en forma suficientemente rápida para mantener la vida. Aumentar la temperatura y el número de partículas reactivas del cuerpo podría aumentar la frecuencia de las colisiones y por ende la velocidad de las reacciones químicas, pero esto podría también dañar o matar a las células.



Algunas sustancias denominadas catalizadores resuelven este problema. Los catalizadores son compuestos químicos que aceleran las reacciones químicas por la disminución de la energía de activación necesaria para que ocurra la reacción. Los catalizadores más importantes son las enzimas, o también conocidas como fermentos.

Un catalizador no altera la diferencia de energía potencial entre los reactantes y los productos, sino que disminuye la cantidad de energía de activación necesaria para que comience la reacción.

Para que se produzcan las reacciones químicas, las partículas, sobre todo las moléculas grandes, no solo deben chocar con suficiente fuerza, sino hacerlo en un lugar específico de la moléculas. El catalizador ayuda a orientar en forma apropiada a las partículas que colisionan, de manera que puedan interactuar en el lugar específico para que la reacción se produzca. Pese a que la acción de un catalizador ayuda a acelerar una reacción química, el catalizador permanece sin cambios al finalizar la reacción. Un mismo catalizador puede actuar en carias reacciones sucesivas.

Tipos de reacciones químicas

Después de una reacción química, los átomos de los reactantes se reordenan para formar productos con nuevas propiedades químicas.

Reacciones químicas de síntesis: anabolismo

Cuando dos o más átomos, iones o moléculas se combinan para formar moléculas nuevas y más largas, el proceso se conoce como reacción de síntesis. La palabra síntesis significa "poner juntos". Las reacciones de síntesis pueden expresarse de la siguiente manera:



Un ejemplo de una reacción de síntesis es la reacción entre dos moléculas de hidrógeno y una de oxígeno para formar dos moléculas de agua. Otro ejemplo es la formación de amoniaco a partir del nitrógeno y el hidrógeno:



Todas las reacciones de síntesis que se producen en el cuerpo se conocen en conjunto como anabolismo. En conjunto, las reacciones anabólicas suelen ser endergónicas ya que absorben más energía de la que liberan. Un ejemplo de anabolismo es la combinación de moléculas simples como los aminoácidos para formar moléculas más grandes como proteínas.

Reacciones químicas de degradación: catabolismo

En una reacción de degradación se dividen moléculas grandes en átomos, iones o moléculas más pequeñas. Una reacción de degradación se expresa de la siguiente manera:



Las reacciones de degradación que tienen lugar en el organismo se conocen en conjunto como catabolismo. Las reacciones químicas catabólicas suelen ser exergónicas puesto que liberan más energía de la que absorben. Por ejemplo, la serie de reacciones que degradan la glucosa a ácido pirúvico con la producción neta de dos moléculas de ATP son reacciones catabólicas importantes en el cuerpo.

Reacciones de intercambio

Muchas de las reacciones en el organismo son reacciones de intercambio, y consisten tanto en reacciones de síntesis como de degradación. La siguiente es un tipo de reacción de intercambio:



Los enlaces entre A y B y entre C y D se rompen (degradación) y se forman enlaces nuevos (síntesis) entre A y D y entre B y C. Un ejemplo de una reacción de intercambio es el siguiente:



Los iones de cada compuesto han "intercambiado pareja": el ion hidrógeno (H+) del HCl de combinó con el ion bicarbonato (HCO3) del NaHCO3, y el ion sodio (Na+) del NaHCO3 se combinó con el ion cloruro (Cl-) del HCl.

Reacciones reversibles

Algunas reacciones químicas sólo se producen en una dirección, de reactivos a productos, como ya mencionó antes con las flechas en un sólo sentido. Otras reacciones químicas pueden ser reversibles. En una reacción reversible los productos pueden volver a formar los reactivos originales. Las reacciones se indican con dos flechas apuntando en direcciones opuestas:



Algunas reacciones son reversibles solo en determinadas condiciones:



En este caso, lo que se ha descrito arroba o debajo de las flechas indica la condición necesaria para que la reacción ocurra. En estas reacciones, AB se divide en A y B sólo cuando se agrega agua, y A y B reaccionan para producir AB sólo cuando se aplica calor. Muchas reacciones químicas reversibles en el cuerpo requieren catalizadores denominados enzimas. Con frecuencia, distintos tipos de enzimas dirigen las reacciones en direcciones opuestas.

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