Conceptos Fundamentales de Química y Estequiometría

Mol

El mol es la unidad de cantidad de sustancia en el Sistema Internacional de Unidades (SI). Se define como la cantidad de sustancia que contiene el mismo número de entidades elementales (átomos, moléculas, iones, electrones, etc.) que el número de átomos de carbono-12 presentes en exactamente 12 gramos (12 g) de carbono-12 puro.

Volumen Molar (Vm)

El volumen molar (Vm) de una sustancia es el volumen ocupado por un mol de dicha sustancia. La unidad en el Sistema Internacional de Unidades (SI) es el metro cúbico por mol (m³/mol). Es importante recordar que un mol de cualquier partícula contiene aproximadamente 6,022 × 10²³ entidades elementales, conocido como el Número de Avogadro.

Masa Molar (Gramo Molecular)

La masa molar (anteriormente conocida como gramo molecular) es la cantidad de sustancia química cuya masa en gramos es numéricamente igual a su peso molecular (o masa molecular relativa). Se expresa comúnmente en gramos por mol (g/mol). Este concepto es fundamental para entender las proporciones en las que las reacciones químicas se producen entre moléculas.

Ley de Conservación de la Masa

La Ley de Conservación de la Masa, también conocida como Ley de Lavoisier, es una de las leyes fundamentales en todas las ciencias naturales. Fue formulada independientemente por Mijaíl Lomonósov en 1745 y por Antoine Lavoisier en 1785. Se puede enunciar de la siguiente manera: «En una reacción química ordinaria, la masa permanece constante; es decir, la masa total de los reactivos consumidos es igual a la masa total de los productos obtenidos».

Ley de las Proporciones Múltiples (Ley de Dalton)

La Ley de las Proporciones Múltiples, también conocida como Ley de Dalton, fue formulada en 1808 por John Dalton. Es una de las leyes estequiométricas más básicas y establece que: «Cuando dos o más elementos se combinan para formar más de un compuesto, una masa variable de uno de ellos se une a una masa fija del otro, y la relación entre las masas variables del primer elemento es de números enteros sencillos.»

Ley de las Proporciones Constantes (Ley de Proust)

La Ley de las Proporciones Constantes, o Ley de Proust, es una ley estequiométrica fundamental. Establece que: «Cuando dos o más elementos se combinan para formar un determinado compuesto, siempre lo hacen en una relación constante de masas.» Fue enunciada por Joseph Louis Proust.

Reactivo Limitante

El reactivo limitante es aquel reactivo que se consume por completo en una reacción química, determinando la cantidad máxima de producto que puede formarse. Una vez que el reactivo limitante se agota, la reacción se detiene, independientemente de la cantidad de otros reactivos presentes.

En relación con esto, cuando se ha ajustado una ecuación química, los coeficientes estequiométricos representan el número de átomos de cada elemento en los reactivos y en los productos. También representan el número de moléculas y moles de reactivos y productos, lo cual es crucial para identificar el reactivo limitante y calcular los rendimientos.

Electroquímica y Reacciones Redox

Electroquímica

La Electroquímica es la rama de la Química que estudia la interconversión entre la energía eléctrica y la energía química.

En el ámbito de la electroquímica, las reacciones químicas espontáneas pueden utilizarse para producir electricidad (transformación de energía química en energía eléctrica). Inversamente, la electricidad puede utilizarse para forzar reacciones químicas no espontáneas (transformación de energía eléctrica en energía química).

Las reacciones electroquímicas son fundamentalmente reacciones redox (reducción-oxidación).

Oxidación y Reducción

• Oxidación:
  • Pérdida de electrones.
  • El agente reductor se oxida.
  • El número de oxidación aumenta.
• Reducción:
  • Ganancia de electrones.
  • El agente oxidante se reduce.
  • El número de oxidación disminuye.

Reacciones Redox en Celdas Electroquímicas

Las reacciones redox pueden ocurrir de diversas maneras, siendo las principales:

1. Por Contacto Directo:

   Ejemplo: Una barra de zinc (Zn) en contacto con una solución de sulfato de cobre (CuSO₄).

   Cu²⁺(ac) + Zn(s) → Cu(s) + Zn²⁺(ac)

2. En una Celda Electroquímica:

   Las celdas electroquímicas son dispositivos que permiten la interconversión controlada de energía química y eléctrica. Se clasifican principalmente en:

   • Celdas Galvánicas, Voltaicas o Pilas:

     Almacenan y producen energía eléctrica. La energía liberada en las reacciones químicas espontáneas se emplea para generar electricidad.

     • El cátodo (donde ocurre la reducción) se considera el polo positivo (+).
     • El ánodo (donde ocurre la oxidación) se considera el polo negativo (-).
   • Celdas Electrolíticas:

     Consumen energía eléctrica. Emplean una fuente externa de electricidad para forzar una transformación química no espontánea.

Fuerza Electromotriz (FEM) en una Celda Electroquímica

Una celda electroquímica es un dispositivo experimental diseñado para generar electricidad mediante una reacción redox espontánea, o para forzar una reacción no espontánea. En ella, la sustancia oxidante está separada de la reductora, de manera que los electrones deben atravesar un alambre desde la sustancia reductora (que se oxida) hacia la oxidante (que se reduce).

• En una celda, el agente reductor pierde electrones y, por lo tanto, se oxida. El electrodo donde se verifica la oxidación se llama ánodo.
• En el otro electrodo, la sustancia oxidante gana electrones y, por lo tanto, se reduce. El electrodo donde se verifica la reducción se llama cátodo.

La corriente eléctrica fluye del ánodo al cátodo debido a una diferencia de energía potencial entre los electrodos. Esta diferencia de potencial eléctrico entre el ánodo y el cátodo se mide experimentalmente con un voltímetro, y la lectura obtenida es el voltaje o la Fuerza Electromotriz (FEM) de la celda.

Reiterando los tipos de celdas:

• La celda voltaica (o galvánica, pila galvánica, pila voltaica) transforma una reacción química espontánea en una corriente eléctrica, como ocurre en las pilas y baterías.
• La celda electrolítica (o cuba electrolítica) transforma una corriente eléctrica en una reacción química de oxidación-reducción que no tiene lugar de modo espontáneo. En muchas de estas reacciones, se descompone una sustancia química, proceso conocido como electrólisis. A diferencia de la celda voltaica, en la celda electrolítica, los dos electrodos no necesitan estar separados, por lo que a menudo hay un solo recipiente en el que tienen lugar ambas semirreacciones.

Electrodeposición (Galvanoplastia)

La electrodeposición, también conocida como galvanoplastia, es un proceso electroquímico mediante el cual se recubre un objeto con una capa de metal, gracias al paso de una corriente eléctrica a través de una celda electroquímica. Aunque comúnmente se asocia con el recubrimiento de metales sobre otros metales, también puede referirse al depósito de una capa metálica sobre un material no metálico.

La electrodeposición se utiliza principalmente para conferir una propiedad deseada a una superficie que de otro modo carece de ella. Estas propiedades pueden incluir:

• Resistencia a la abrasión y al desgaste.
• Protección frente a la corrosión.
• Mejora de la lubricación.
• Cualidades estéticas (acabados decorativos).

Otra aplicación importante de la electrodeposición es el recrecimiento del espesor de piezas desgastadas, por ejemplo, mediante el cromo duro.

Conceptos Avanzados en Química

Nanoquímica

La Nanoquímica es una rama de la nanociencia relacionada con la producción, las propiedades y las reacciones de nanopartículas y sus compuestos. Se enfoca en las propiedades características asociadas con ensamblajes de átomos o moléculas a una escala nanométrica, que difieren significativamente de las propiedades de los bloques individuales a mayor tamaño.

Catenano

Un catenano es una estructura molecular mecánicamente entrelazada que está compuesta de dos o más macrociclos entrelazados. Los anillos entrelazados no se pueden separar sin romper los enlaces covalentes de los macrociclos. La palabra catenano deriva de la palabra latina catena, que significa «en cadena».

Rotaxano

Un rotaxano es una arquitectura molecular mecánicamente entrelazada que consiste en una «molécula con forma de mancuerna» insertada a través de un «macrociclo». El nombre se deriva del latín rota (rueda) y axis (eje).