Reacciones químicas

Una característica de un organismo vivo es el metabolismo, que es la suma total de todas las reacciones químicas que se producen para mantener la salud y la vida de ese organismo. Los procesos de enlace que has aprendido hasta ahora son reacciones químicas anabólicas; es decir, forman moléculas más grandes a partir de moléculas o átomos más pequeños. Pero recuerde que el metabolismo puede avanzar en otra dirección: en las reacciones químicas catabólicas, los enlaces entre los componentes de las moléculas más grandes se rompen, liberando moléculas o átomos más pequeños. Ambos tipos de reacción implican intercambios no solo de materia, sino de energía.

El papel de la energía en las reacciones químicas

Las reacciones químicas requieren una cantidad suficiente de energía para hacer que la materia colisione con suficiente precisión y fuerza para que los viejos enlaces químicos se puedan romper y se formen nuevos. En general, la energía cinética es la forma de energía que alimenta cualquier tipo de materia en movimiento. Imagina que estás construyendo una pared de ladrillos. La energía que se necesita para levantar y colocar un ladrillo encima de otro es energía cinética, la energía que posee la materia debido a su movimiento. Una vez que la pared está en su lugar, almacena energía potencial. La energía potencial es la energía de posición, o la energía que posee la materia debido al posicionamiento o estructura de sus componentes. Si la pared de ladrillo se derrumba, la energía potencial almacenada se libera como energía cinética a medida que caen los ladrillos.

En el cuerpo humano, la energía potencial se almacena en los enlaces entre átomos y moléculas. La energía química es la forma de energía potencial en la cual la energía se almacena en enlaces químicos. Cuando se forman esos enlaces, se invierte energía química, y cuando se rompen, se libera energía química. Observe que la energía química, como toda energía, no se crea ni se destruye; más bien, se convierte de una forma a otra. Cuando comes una barra de energía antes de salir a caminar, la miel, las nueces y otros alimentos que contiene la barra se descomponen y reorganizan por tu cuerpo en moléculas que las células musculares convierten en energía cinética.

Las reacciones químicas que liberan más energía de la que absorben se caracterizan como exergónicas. El catabolismo de los alimentos en su barra de energía es un ejemplo. Parte de la energía química almacenada en la barra se absorbe en las moléculas que su cuerpo usa como combustible, pero parte se libera, por ejemplo, como calor. En contraste, las reacciones químicas que absorben más energía de la que liberan son endergónicas. Estas reacciones requieren un aporte de energía, y la molécula resultante almacena no solo la energía química en los componentes originales, sino también la energía que alimentó la reacción. Debido a que la energía no se crea ni se destruye, ¿de dónde proviene la energía necesaria para las reacciones endergónicas? En muchos casos, proviene de reacciones exergónicas.

Formas de energía importantes en el funcionamiento humano

Ya has aprendido que la energía química es absorbida, almacenada y liberada por enlaces químicos. Además de la energía química, la energía mecánica, radiante y eléctrica son importantes en el funcionamiento humano.

La energía mecánica, que se almacena en sistemas físicos como máquinas, motores o el cuerpo humano, impulsa directamente el movimiento de la materia. Cuando levantas un ladrillo en una pared, tus músculos proporcionan la energía mecánica que mueve el ladrillo.

La energía radiante es energía emitida y transmitida como ondas en lugar de materia. La longitud de estas ondas varía desde ondas de radio largas y microondas hasta ondas gamma cortas emitidas por núcleos atómicos en descomposición. El espectro completo de energía radiante se conoce como espectro electromagnético. El cuerpo usa la energía ultravioleta de la luz solar para convertir un compuesto en las células de la piel en vitamina D, que es esencial para el funcionamiento humano. El ojo humano evolucionó para ver las longitudes de onda que comprenden los colores del arco iris, del rojo al violeta, por lo que ese rango en el espectro se llama "luz visible".

La energía eléctrica, suministrada por electrolitos en las células y los fluidos corporales, contribuye a los cambios de voltaje que ayudan a transmitir los impulsos en las células nerviosas y musculares.

Características de las reacciones químicas.

Todas las reacciones químicas comienzan con un reactivo, el término general para la una o más sustancias que entran en la reacción. Los iones de sodio y cloruro, por ejemplo, son los reactivos en la producción de sal de mesa. La una o más sustancias producidas por una reacción química se denominan producto.

En las reacciones químicas, los componentes de los reactivos (los elementos involucrados y el número de átomos de cada uno) están presentes en el producto(s). Del mismo modo, no hay nada presente en los productos que no estén presentes en los reactivos. Esto se debe a que las reacciones químicas se rigen por la ley de conservación de la masa, que establece que la materia no se puede crear o destruir en una reacción química.

Así como puedes expresar cálculos matemáticos en ecuaciones como 2 + 7 = 9, puedes usar ecuaciones químicas para mostrar cómo los reactivos se convierten en productos. Como en matemáticas, las ecuaciones químicas proceden de izquierda a derecha, pero en lugar de un signo igual, emplean una flecha o flechas que indican la dirección en la que se desarrolla la reacción química. Por ejemplo, la reacción química en la que un átomo de nitrógeno y tres átomos de hidrógeno producen amoníaco se escribiría como N + 3H → NH3. En consecuencia, la descomposición del amoníaco en sus componentes se escribiría como NH3 → N + 3H.

Observe que, en el primer ejemplo, un átomo de nitrógeno (N) y tres átomos de hidrógeno (H) se unen para formar un compuesto. Esta reacción anabólica requiere energía, que luego se almacena dentro de los enlaces del compuesto. Dichas reacciones se denominan reacciones de síntesis. Una reacción de síntesis es una reacción química que resulta en la síntesis (unión) de componentes que anteriormente estaban separados. Nuevamente, el nitrógeno y el hidrógeno son reactivos en una reacción de síntesis que produce amoníaco como producto. La ecuación general para una reacción de síntesis es A + B → AB.

En el segundo ejemplo, el amoníaco se cataboliza en sus componentes más pequeños y se libera la energía potencial que se había almacenado en sus enlaces. Dichas reacciones se denominan reacciones de descomposición. Una reacción de descomposición es una reacción química que descompone o "descompone" algo más grande en sus partes constituyentes. La ecuación general para una reacción de descomposición es: AB → A + B.

Una reacción de intercambio es una reacción química en la que se producen síntesis y descomposición, los enlaces químicos se forman y se rompen, y la energía química se absorbe, almacena y libera. La forma más simple de una reacción de intercambio podría ser: A + BC → AB + C. Observe que, para producir estos productos, B y C tuvieron que separarse en una reacción de descomposición, mientras que A y B tuvieron que unirse en una reacción de síntesis. Una reacción de intercambio más compleja podría ser: AB + CD → AC + BD. Otro ejemplo podría ser: AB + CD → AD + BC.

En teoría, cualquier reacción química puede proceder en cualquier dirección en las condiciones adecuadas. Los reactivos pueden sintetizarse en un producto que luego se descompone. La reversibilidad también es una cualidad de las reacciones de intercambio. Por ejemplo, A + BC → AB + C podría revertirse a AB + C → A + BC. Esta reversibilidad de una reacción química se indica con una flecha doble: A + BC ⇄ AB + C. Aún así, en el cuerpo humano, muchas reacciones químicas se llevan a cabo en una dirección predecible, de una forma u otra. Puede pensar en este camino más predecible como el camino de menor resistencia porque, por lo general, la dirección alternativa requiere más energía.

Factores que influyen en la velocidad de las reacciones químicas

Si vierte vinagre en bicarbonato de sodio, la reacción es instantánea; el brebaje burbujeará y burbujeará. Pero muchas reacciones químicas toman tiempo. Una variedad de factores influyen en la velocidad de las reacciones químicas. Esta sección, sin embargo, considerará solo lo más importante en el funcionamiento humano.

Propiedades de los reactivos

Si las reacciones químicas se producen rápidamente, los átomos en los reactivos deben tener fácil acceso entre sí. Por lo tanto, cuanto mayor es el área superficial de los reactivos, más fácilmente interactuarán. Cuando se mete un cubo de queso en la boca, lo mastica antes de tragarlo. Entre otras cosas, la masticación aumenta el área de la superficie de los alimentos para que los químicos digestivos puedan alcanzarlos más fácilmente. Como regla general, los gases tienden a reaccionar más rápido que los líquidos o sólidos, nuevamente porque se necesita energía para separar las partículas de una sustancia, y los gases, por definición, ya tienen espacio entre sus partículas. Del mismo modo, cuanto mayor sea la molécula, mayor será el número de enlaces totales, por lo que se esperaría que las reacciones que involucran moléculas más pequeñas, con menos enlaces totales, se realicen más rápido.

Además, recuerde que algunos elementos son más reactivos que otros. Las reacciones que involucran elementos altamente reactivos como el hidrógeno proceden más rápidamente que las reacciones que involucran elementos menos reactivos. No es probable que ocurran reacciones que involucren elementos estables como el helio.

Temperatura

Casi todas las reacciones químicas ocurren a un ritmo más rápido a temperaturas más altas. Recordemos que la energía cinética es la energía de la materia en movimiento. La energía cinética de las partículas subatómicas aumenta en respuesta a los aumentos en la energía térmica. Cuanto mayor es la temperatura, más rápido se mueven las partículas y es más probable que entren en contacto y reaccionen.

Concentración y presión

Si solo unas pocas personas bailan en un club, es poco probable que se pisen los pies. Pero a medida que más y más personas se ponen a bailar, especialmente si la música es rápida, es probable que ocurran colisiones. Es lo mismo con las reacciones químicas: cuantas más partículas estén presentes en un espacio dado, más probable es que esas partículas choquen entre sí. Esto significa que los químicos pueden acelerar las reacciones químicas no solo al aumentar la concentración de partículas (el número de partículas en el espacio) sino también al disminuir el volumen del espacio, lo que aumentaría la presión correspondiente. Si había 100 bailarines en ese club, y el gerente movió abruptamente la fiesta a una sala de la mitad del tamaño, la concentración de los bailarines se duplicaría en el nuevo espacio, y la probabilidad de colisiones aumentaría en consecuencia.

Enzimas y otros catalizadores

Para que dos productos químicos en la naturaleza reaccionen entre sí, primero tienen que entrar en contacto, y esto ocurre a través de colisiones aleatorias. Debido a que el calor ayuda a aumentar la energía cinética de los átomos, iones y moléculas, promueve su colisión. Pero en el cuerpo, el calor extremadamente alto, como una fiebre muy alta, puede dañar las células del cuerpo y poner en peligro la vida. Por otro lado, la temperatura corporal normal no es lo suficientemente alta como para promover las reacciones químicas que sostienen la vida. Ahí es donde entran los catalizadores.

En química, un catalizador es una sustancia que aumenta la velocidad de una reacción química sin sufrir ningún cambio. Puede pensar en un catalizador como un agente de cambio químico. Ayudan a aumentar la velocidad y la fuerza a la que colisionan los átomos, iones y moléculas, lo que aumenta la probabilidad de que sus electrones de capa de valencia interactúen.

Los catalizadores más importantes en el cuerpo humano son las enzimas. Una enzima es un catalizador compuesto de proteína o ácido ribonucleico (ARN), los cuales se discutirán más adelante en este capítulo. Como todos los catalizadores, las enzimas funcionan disminuyendo el nivel de energía que necesita invertirse en una reacción química. La energía de activación de una reacción química es el nivel "umbral" de energía necesaria para romper los enlaces en los reactivos. Una vez que se rompen esos lazos, se pueden formar nuevos arreglos. Sin una enzima que actúe como catalizador, se necesita una inversión de energía mucho mayor para encender una reacción química.

Las enzimas disminuyen la energía de activación requerida para que ocurra una reacción química dada. Sin una enzima, el aporte de energía necesario para que comience una reacción es alto. Con la ayuda de una enzima, se necesita menos energía para que comience una reacción

Las enzimas son críticas para el funcionamiento saludable del cuerpo. Ayudan, por ejemplo, con la descomposición de los alimentos y su conversión en energía. De hecho, la mayoría de las reacciones químicas en el cuerpo son facilitadas por enzimas.

¿Te sirvió el contenido del tema? ¿tienes alguna duda o sugerencia? 

Puedes escribir un comentario en la parte de abajo y nosotros con gusto te responderemos. Esperemos que tengas un lindo día. ¡Mucho éxito en tus estudios!