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Física y Química 3.º ESO · La reacción química y la teoría de colisiones

Recuerda: en una reacción los átomos se reorganizan (modelos de bolas)

Objetivo: Al terminar, sabrás representar reacciones sencillas con modelos de bolas, dibujando cómo están los átomos antes y después, y comprobar contando átomos que no se crean ni se destruyen: solo se reorganizan.

Recuerda

¿Qué pasa con los átomos en una reacción?

En una reacción química unas sustancias, los reactivos, se transforman en otras sustancias distintas, los productos. Por ejemplo, el hidrógeno y el oxígeno reaccionan y forman agua.

¿Qué les pasa a los átomos?

Las moléculas de los reactivos se rompen: se rompen los enlaces que unían sus átomos.
Los átomos se unen de otra forma: se forman enlaces nuevos y aparecen las moléculas de los productos.
Los átomos no se crean, no se destruyen y no cambian de elemento. Antes y después hay los mismos átomos de cada elemento; solo cambian de «compañeros».

Modelos de bolas

Representamos cada átomo con una bola, y cada elemento con un color o forma. En esta lección usaremos:

Símbolo	○	●	■	△	◆
Elemento	hidrógeno (H)	oxígeno (O)	carbono (C)	nitrógeno (N)	cloro (Cl)

Los átomos que están unidos se escriben juntos; las moléculas distintas se separan con un espacio. Así, ○○ es una molécula de hidrógeno ( $\text{H}_2$ ), ●● una de oxígeno ( $\text{O}_2$ ) y ○●○ una de agua ( $\text{H}_2\text{O}$ ).

Formación del agua

	Antes (reactivos)	Después (productos)
Dibujo	○○ ○○ ●●	○●○ ○●○
Moléculas	2 de hidrógeno y 1 de oxígeno	2 de agua
Átomos de H (○)	4	4
Átomos de O (●)	2	2

Fíjate: había 3 moléculas y quedan 2, pero los átomos son los mismos (4 de H y 2 de O). Para comprobar que un dibujo está bien, cuenta los átomos de cada elemento antes y después: tienen que coincidir.

Qué cambia y qué se conserva

	¿Cambia en la reacción?
Las sustancias (las moléculas)	Sí: se forman sustancias nuevas
El número de moléculas	Puede cambiar
Los átomos de cada elemento	No: hay los mismos antes y después

Esta idea viene de la teoría atómica de Dalton: en una reacción química los átomos no se crean ni se destruyen, solo se combinan de otra forma. Y como los átomos son los mismos, la masa total tampoco cambia.

Elementos y compuestos en los dibujos

Una molécula formada por átomos iguales (○○, ●●, △△) es de un elemento (sustancia simple).
Una molécula formada por átomos distintos (○●○, ■●) es de un compuesto.

Puntos clave

En una reacción, los reactivos se transforman en productos, que son sustancias nuevas.
Se rompen los enlaces de los reactivos y se forman enlaces nuevos: los átomos se reorganizan.
Los átomos no se crean ni se destruyen ni cambian de elemento: antes y después hay los mismos átomos de cada elemento.
El número de moléculas sí puede cambiar.
Para comprobar un dibujo de bolas, cuenta los átomos de cada elemento a cada lado.
Moléculas de átomos iguales: elementos; moléculas de átomos distintos: compuestos.

Errores frecuentes

ErrorDibujar en los productos átomos que no estaban en los reactivos (o que falte alguno).
Cómo corregirloCuenta las bolas de cada tipo antes y después. Si no coinciden, el dibujo está mal: los átomos solo se reorganizan.
ErrorDibujar el oxígeno o el hidrógeno como bolas sueltas (● ●) en vez de moléculas (●●).
Cómo corregirloEl hidrógeno, el oxígeno, el nitrógeno y el cloro gaseosos están formados por moléculas de dos átomos: ○○, ●●, △△, ◆◆.
ErrorPensar que si hay menos moléculas después de la reacción, se han perdido átomos.
Cómo corregirloLo que se conserva son los átomos, no las moléculas. En la formación del agua, 3 moléculas dan 2, pero hay 4 H y 2 O antes y después.

Ejemplos resueltos

Ejemplo 1. El cloruro de hidrógeno, bola a bola modelo de bolas (dibujar el después)
El hidrógeno ( $\text{H}_2$ ) reacciona con el cloro ( $\text{Cl}_2$ ) y forma cloruro de hidrógeno ( $\text{HCl}$ ), un gas que disuelto en agua es el salfumán. En un recipiente hay, antes de la reacción:

○○ ○○ ○○ ◆◆ ◆◆ ◆◆

(○ = H; ◆ = Cl). Dibuja cómo queda el recipiente cuando todo ha reaccionado y comprueba que se conservan los átomos.

Resolución
Cada molécula de $\text{HCl}$ tiene un átomo de H unido a uno de Cl: ○◆.

Se rompen las 3 moléculas ○○ y las 3 ◆◆, y los átomos se emparejan de otra forma:

Después: ○◆ ○◆ ○◆ ○◆ ○◆ ○◆ (6 moléculas de $\text{HCl}$ )

Antes Después

Moléculas 6 6

Átomos de H (○) 6 6

Átomos de Cl (◆) 6 6

Se conservan los átomos de cada elemento. ✔
Ejemplo 2. El gas de la cocina situación real (contar átomos)
El gas natural que llega a muchas cocinas de Madrid es casi todo metano ( $\text{CH}_4$ ): un átomo de carbono unido a cuatro de hidrógeno. Al arder con el oxígeno del aire forma dióxido de carbono y agua. Este es el dibujo de la reacción (■ = C; ○ = H; ● = O):

Antes: ■ unido a cuatro ○ (una molécula de metano) y ●● ●● (dos moléculas de oxígeno)

Después: ●■● (una molécula de dióxido de carbono) y ○●○ ○●○ (dos moléculas de agua)

a) ¿Cuántas moléculas hay antes y después? b) Cuenta los átomos de cada elemento a cada lado. c) ¿Qué átomos han cambiado de «compañero»?

Resolución
a) Antes: 1 + 2 = 3 moléculas. Después: 1 + 2 = 3 moléculas.

b)

Antes Después

C (■) 1 1

H (○) 4 2 + 2 = 4

O (●) 2 + 2 = 4 2 + 1 + 1 = 4

c) Todos: el carbono estaba unido a hidrógenos y ahora está unido a oxígenos; los hidrógenos estaban unidos al carbono y ahora están unidos a oxígenos; los oxígenos estaban unidos entre sí y ahora están unidos al carbono o a hidrógenos.

	Antes	Después
Moléculas	6	6
Átomos de H (○)	6	6
Átomos de Cl (◆)	6	6

	Antes	Después
C (■)	1	1
H (○)	4	2 + 2 = 4
O (●)	2 + 2 = 4	2 + 1 + 1 = 4

Ejercicios

De menos a más. Intenta cada uno antes de mirar la solución.

1. Fácil
El amoníaco ( $\text{NH}_3$ ) se fabrica a partir de nitrógeno ( $\text{N}_2$ ) e hidrógeno ( $\text{H}_2$ ). El dibujo (△ = N; ○ = H) es:

Antes: △△ ○○ ○○ ○○ Después: △○○○ △○○○ (cada △ unido a tres ○)

a) ¿Cuántas moléculas hay antes y después? b) Cuenta los átomos de N y de H a cada lado. ¿Se conservan?

Ver solución
a) 4 moléculas antes y 2 después. b) N: 2 y 2; H: 6 y 6. Sí, se conservan los átomos.
a) Antes: 1 de $\text{N}_2$ + 3 de $\text{H}_2$ = 4 moléculas. Después: 2 de $\text{NH}_3$ . b) N: antes 2, después $2 \cdot 1 = 2$ . H: antes $3 \cdot 2 = 6$ , después $2 \cdot 3 = 6$ . Los átomos se conservan aunque haya menos moléculas.
2. Fácil
El carbón (carbono, que representamos con átomos sueltos ■) arde con el oxígeno (●●) y forma dióxido de carbono (●■●). Antes de la reacción hay:

■ ■ ■ ●● ●● ●●

Dibuja el después, sabiendo que todo reacciona, y comprueba que se conservan los átomos.

Ver solución
●■● ●■● ●■● (3 moléculas de CO₂). C: 3 y 3; O: 6 y 6.
Cada ■ se une a dos ●: hacen falta 3 moléculas ●● para 3 átomos ■. Después: ●■● ●■● ●■●. C: antes 3, después 3. O: antes $3 \cdot 2 = 6$ , después $3 \cdot 2 = 6$ . ✔
3. Media
En un recipiente hay hidrógeno y oxígeno (○ = H; ● = O):

○○ ○○ ○○ ○○ ○○ ●●

Reaccionan y forman agua (○●○) hasta que se acaba uno de los dos gases. a) ¿Cuántas moléculas de agua se forman? b) ¿Qué sobra? Dibuja el después. c) Comprueba que se conservan los átomos.

Ver solución
a) 2 moléculas de agua. b) Sobran 3 moléculas de hidrógeno: ○●○ ○●○ ○○ ○○ ○○. c) H: 10 y 10; O: 2 y 2.
a) Cada molécula de agua necesita 2 H y 1 O. Solo hay 2 átomos de O (una molécula ●●): se forman 2 moléculas de agua, que usan 4 átomos de H (2 moléculas ○○). b) Hay 5 moléculas ○○: se usan 2 y sobran 3. Después: ○●○ ○●○ ○○ ○○ ○○. c) H: antes $5 \cdot 2 = 10$ , después $2 \cdot 2 + 3 \cdot 2 = 10$ . O: antes 2, después $2 \cdot 1 = 2$ . ✔

Para practicar más

1. Fácil
El agua oxigenada ( $\text{H}_2\text{O}_2$ ) se descompone poco a poco en agua y oxígeno; por eso el bote burbujea cuando lo echas en una herida. Antes de la reacción hay (○ = H; ● = O):

○●●○ ○●●○

Dibuja el después (moléculas de agua ○●○ y de oxígeno ●●) y comprueba que se conservan los átomos.

Ver solución
○●○ ○●○ ●●. H: 4 y 4; O: 4 y 4.
Con 4 H se forman 2 moléculas de agua (○●○ ○●○), que usan 2 O. Los otros 2 O forman una molécula ●●. Después: ○●○ ○●○ ●●. H: antes $2 \cdot 2 = 4$ , después $2 \cdot 2 = 4$ . O: antes $2 \cdot 2 = 4$ , después $2 + 2 = 4$ . ✔
2. Fácil
En los motores de los coches, a muy alta temperatura, el nitrógeno y el oxígeno del aire reaccionan y forman monóxido de nitrógeno ( $\text{NO}$ ), uno de los gases que contaminan el aire de Madrid. Dibuja con bolas la reacción de una molécula de nitrógeno (△△) con una de oxígeno (●●) y cuenta los átomos de cada elemento antes y después.

Ver solución
△△ ●● → △● △●. N: 2 y 2; O: 2 y 2.
Antes: △△ ●●. Se rompen los enlaces N–N y O–O y cada N se une a un O. Después: △● △● (2 moléculas de NO). N: 2 y 2. O: 2 y 2. Hay 2 moléculas antes y 2 después.
3. Media
El monóxido de carbono (■●) arde con el oxígeno (●●) y forma dióxido de carbono (●■●). Antes de la reacción hay: ■● ■● ●●.

a) Dibuja el después. b) ¿Cuántas moléculas hay antes y después? c) Un compañero dice: «Como al final hay menos moléculas, se ha perdido materia». ¿Tiene razón? Justifícalo contando átomos.

Ver solución
a) ●■● ●■●. b) 3 antes y 2 después. c) No: hay 2 C y 4 O antes y después.
a) Cada ■● toma un ● más: después hay ●■● ●■●. b) Antes: 3 moléculas; después: 2. c) No tiene razón. C: 2 antes y 2 después; O: $2 + 2 = 4$ antes y $2 \cdot 2 = 4$ después. Lo que se conserva son los átomos, no el número de moléculas; con los mismos átomos, la materia (y la masa) es la misma.