Este documento trata sobre cambios físicos y químicos en sistemas naturales. Explica que los cambios físicos no alteran la composición de las sustancias, mientras que los cambios químicos sí producen nuevas sustancias. También define conceptos como reacción química, ecuación química y leyes de conservación de la materia y de las proporciones definidas. Por último, describe procesos industriales como la obtención de amoníaco y ácido clorhídrico.

1. TEMA 7.-
CAMBIOS EN SISTEMAS NATURALES
CAMBIOS FÍSICOS
En los CAMBIOS FÍSICOS las sustancias no cambian. En los cambios de
estado se produce una variación de las fuerzas de interacción entre
moléculas o partículas, pero se mantiene la naturaleza de la sustancia. En
los procesos de condensación, fusión y solidificación del agua (por ejemplo)
no cambia su naturaleza, sigue siendo agua pero en sus distintos estados
de agregación.
El proceso de disolución de una sustancia es un cambio físico porque tanto
los solutos como el disolvente mantienen su naturaleza.
CAMBIOS QUÍMICOS
En los CAMBIOS QUÍMICOS se produce una reorganización de los átomos,
desaparecen unas sustancias y se crean otras. La naturaleza de las nuevas
sustancias es distinta a la de las iniciales y sus propiedades también. Se
produce una reacción química donde se realiza este cambio.
La combustión de la leña ardiendo, por ejemplo, es un proceso químico ya
que el resultado da unas sustancias diferentes a las iniciales.
SUSTANCIAS
Las sustancias están formadas por átomos, unidad más sencilla con
identidad propia. Los átomos pueden formar ELEMENTOS o COMPUESTOS y
podemos encontrarlos de diferentes formas.
- MOLÉCULAS como el dióxido de carbono (CO2), cloro (Cl2), agua
(H2O), o oxígeno (O2).
- ESTRUCTURA CRISTALINA como es el caso de las sales (NaCl, CaCl2)
o elementos como el hierro (Fe), cobre (Cu), etcétera.

2. ¿CÓMO DETECTAMOS UN CAMBIO QUÍMICO?
En el proceso (reacción química) las sustancias finales tienen color diferente
a las iniciales. Se produce un cambio de color.
En una reacción química (cambio químico) puede necesitar calor o
desprender calor. Habrá entonces un intercambio de calor con el exterior.
Puede producir luz. La luz es una forma de energía que se libera de una
reacción química. En una combustión se produce luz pero también existen
otras reacciones que liberan luz como ocurre en los peces abisales o en las
luciérnagas.
Se puede producir desprendimiento gaseoso, lo detectaríamos por el
burbujeo que se produce. Puede conducir a error porque en un refresco se
produce burbujeo y no es una reacción ya que es una disolución de un gas
en un líquido (es un proceso físico).
¿QUÉ ES UNA REACCIÓN QUÍMICA?
Tanto en nuestro alrededor como en nuestro propio cuerpo, se producen
una enorme cantidad de reacciones químicas.
Una REACCIÓN QUÍMICA es un proceso por el cual unas sustancias se
transforman en otras nuevas. Las sustancias iniciales o de partida se
denominan REACTIVOS y las sustancias finales PRODUCTOS.
𝑅𝑒𝑎𝑐𝑡𝑖𝑣𝑜𝑠 → 𝑃𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜𝑠
El número de reactivos y productos es diferente en cada reacción, así como
la naturaleza de los mismos.
En una reacción química se produce la reordenación de los átomos con lo
que aparecen nuevas sustancias como productos diferentes a las que
teníamos como reactivos.

3. ECUACIÓN QUÍMICA
El metano (gas natural) es un combustible utilizado en calefacciones que
reacciona con el oxígeno desprendiendo energía y dando como productos
dióxido de carbono y agua.
Tanto el agua como el dióxido de carbono (productos) son sustancias
diferentes a las de los reactivos, metano y oxígeno.
Expresada en lenguaje químico, la reacción anterior será:
𝐶𝐻4 + 2 𝑂2 → 𝐶𝑂2 + 2 𝐻2 𝑂
Esta expresión se conoce como ecuación química y nos proporciona la
información sobre la relación entre los distintos componentes de la reacción.
A la izquierda se colocan los reactivos, de haber más de uno, se coloca el
signo +. A la derecha se sitúan los productos que igualmente están
separados por el signo de suma.
Entre los reactivos y los productos se coloca una flecha. Ésta puede tener
doble sentido indicando que la reacción puede ser reversible.
Los números aparecidos antes de las fórmulas de reactivos y productos se
denominan COEFICIENTES ESTEQUIOMÉTRICOS. Si no tiene nada, el
coeficiente estequiométrico es 1. Este número indica la cantidad de
moléculas que intervienen en la reacción de cada sustancia.
La ecuación química anterior se lee de la siguiente manera: una molécula
de metano (CH4) reacciona con dos moléculas de oxígeno (O2) para dar una
molécula de dióxido de carbono (CO2) y dos moléculas de agua (H2O).

4. La cantidad de átomos de cada elemento permanece constante desde los
reactivos a los productos. En ambos lados tenemos cuatro átomos de
hidrógeno (H), un átomo de carbono (C) y cuatro de oxígeno (O).
FÓRMULA QUÍMICA DE ALGUNAS SUSTANCIAS COTIDIANAS
ALGUNAS FÓRMULAS QUÍMICAS DE USO COMÚN
Agua H2O Metano CH4
Amoníaco NH3 Ácido clorhídrico HCl
Oxígeno O2 Nitrógeno N2
Dióxido de
carbono
CO2
Monóxido de
cobre
CuO
Hidrógeno H2
Óxido de
hierro(II)
FeO
Cloro Cl2
Hidróxido de
sodio
NaOH
Cloruro de sodio NaCl Ácido sulfúrico H2SO4
Monóxido de
nitrógeno
NO Ácido nítrico HNO3
LEY DE CONSERVACIÓN DE LA MATERIA
Una ley fundamental para la Química es la LEY DE CONSERVACIÓN DE LA
MASA, ley de conservación de la materia o ley de Lomonósov-Lavoisier.
Esta ley fue elaborada independientemente por Mijaíl Lomonósov en 1748 y
por Antoine Lavoisier en 1785.
Se puede enunciar como “en una reacción química ordinaria, la masa
permanece constante, es decir, la masa consumida de los reactivos es igual
a la masa obtenida de los productos”.
∑ 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑅𝐸𝐴𝐶𝑇𝐼𝑉𝑂𝑆 = ∑ 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑃𝑅𝑂𝐷𝑈𝐶𝑇𝑂𝑆

5. En una reacción química la materia se conserva, la masa de los reactivos es
igual a la masa de los productos. Esta ley es fundamental para la
comprensión de la Química y de las reacciones químicas.
En el ejemplo de la combustión de metano:
𝑚 𝑚𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜 + 𝑚 𝑜𝑥í𝑔𝑒𝑛𝑜 = 𝑚 𝑑𝑖ó𝑥𝑖𝑑𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑟𝑏𝑜𝑛𝑜 + 𝑚 𝑎𝑔𝑢𝑎
Una salvedad que hay que tener en cuenta es la existencia de las reacciones
nucleares, en las que la masa sí se modifica de forma sutil, en estos casos
en la suma de masas hay que tener en cuenta la equivalencia entre masa y
energía.
LEY DE LAS PROPORCIONES DEFINIDAS
La ley de las proporciones definidas, enunciada en 1795 por Proust,
establece que cuando se combinan dos o más elementos para dar un
determinado compuesto, siempre lo hacen en una relación constante de
masas.
Además, establece que en una reacción química las masas de los reactivos
y de los productos guardan una relación constante. Cuando dos sustancias
se combinan para formar un compuesto, ellas deben guardar entre sí unas
proporciones ciertas y definidas.
Ejemplo:
𝐹𝑒 + 𝑆 → 𝐹𝑒𝑆
Para obtener sulfuro de hierro(II), FeS, debemos combinar el hierro con el
azufre en la siguiente proporción: siete partes de hierro por cada cuatro
partes de azufre. Así obtenemos once partes de sulfuro de hierro(II).
Si combinamos 9 g de hierro con 4 g de azufre, aun así, conseguimos 11 g
de sulfato de hierro, pero sobran 2 g de hierro.
De la misma forma, al combinar 7 g de hierro con 5 g de azufre, vamos a
obtener también 11 g de sulfuro de hierro(II), pero ahora nos sobrará 1 g
de azufre.
Observa que, en esta combinación, la cantidad de hierro y azufre puede ser
diferente de 7 g y 4 g, respectivamente, pero ambas sustancias reaccionan
siempre en la relación de 7 a 4.
La razón reside en las masas atómicas de los elementos, hierro y azufre. Se
verá en los próximos cursos.

6. PROCESO DE HABER
En Química, la reacción de nitrógeno e hidrógeno en estado gaseoso para
producir amoníaco se conoce como el proceso de Haber o proceso de Haber-
Bosch.
La importancia de esta reacción radica en la dificultad de producir amoníaco
a un nivel industrial.
Alrededor del 78,1% del aire que nos rodea es nitrógeno molecular, N2. El
elemento como molécula diatómica gaseosa es muy estable y relativamente
inerte debido al enlace triple que mantiene los dos átomos fuertemente
unidos.
Este proceso fue desarrollado en los primeros años del siglo XX para
obtener nitrógeno del aire y producir amoníaco.
Reacción:
𝑁2 + 3 𝐻2 → 2 𝑁𝐻3
El amoníaco, al unirse con el oxígeno (oxidación) forma compuestos tales
como nitritos y nitratos.
Estos compuestos son necesarios para la obtención de ácido nítrico (HNO3)
y fertilizantes como el nitrato de amonio (NH4NO3).

7. OBTENCIÓN DE ÁCIDO CLORHÍDRICO (CLORURO DE HIDRÓGENO)
Industrialmente se obtiene mediante la síntesis directa del cloruro de
hidrógeno a partir del cloro e hidrógeno y su posterior disolución en agua.
Para evitar que el proceso se desarrolle con violencia, dado el carácter
explosivo de la reacción entre el cloro y el hidrógeno, los dos gases se
mezclan en el mismo momento en que ha de producirse la reacción, lo cual
se logra haciendo pasar una corriente de cloro gaseoso a través de una
llama de hidrógeno.
Aplicaciones:
- Reactivo para la elaboración de colorantes y tintas.
- Agente blanqueador de grasas y aceites.
- Reactivo para la elaboración de fertilizantes.
- Acidificante y activador de pozos petroleros.
- Agente acidificante, neutralizante y reactivo en procesos de teñido,
mercerizado e impresión en la industria textil.
- En la fabricación de productos de limpieza.
- Interviene en el proceso de obtención de la cerveza.
- En el proceso de refinación de aceites.
- Utilizado en el tratamiento de aguas industriales y de potabilización
de agua.
Reacción:
𝐶𝑙2 + 𝐻2 → 2 𝐻𝐶𝑙
INDUSTRIA QUÍMICA
La industria química realiza la extracción y procesamiento de las materias
primas tanto naturales como sintéticas. En nuestra vida cotidiana podemos
encontrar numerosos productos químicas, tales como combustibles,
pinturas, cosméticos, conservantes, edulcorantes, medicinas, etcétera.
La industria química transforma las sustancias proporcionándoles
características diferentes de las que tenían originalmente, para satisfacer
las necesidades de las personas y mejorar su calidad de vida.
Su OBJETIVO principal es elaborar un producto de buena calidad con el
costo más bajo posible, y tratando de ocasionar el menor daño posible al
medio ambiente.
La industria química es muy variada, ya que abarca un amplio espectro de
empresas dedicadas a diferentes campos, pero donde la Química es el nexo
de unión.

8. Dentro de los RECURSOS tenemos:
- Combustibles sólidos como el carbón, líquidos como el petróleo o
gaseosos como el gas natural.
- Minerales como la pirita (sulfuro de hierro), cal y sales.
- Productos vegetales como aceites y animales como grasas para
obtener jabones.
Su proceso de producción puede llegar a ser muy complejo, por lo que el
valor añadido es mayor y no dependen tanto de una localización cercana a
los recursos. Además, los productos químicos necesitan de unas condiciones
de transporte y almacenamiento muy especializadas. Sus trabajadores
deben estar altamente cualificados.
Los productos más comunes que proporciona son: fertilizantes, colorantes,
explosivos, plásticos, gomas, caucho, detergentes, aislantes, fibras
artificiales, productos fotográficos, productos farmacéuticos, etcétera.
El refinado de petróleo es un tipo de industria química especial que
proporciona muchos productos. Todas ellas son potencialmente muy
peligrosas, por lo que suelen ubicarse lejos de las poblaciones.
TIPOS DE INDUSTRIA QUÍMICA
INDUSTRIA QUÍMICA DE BASE. Utilizan las materias primas básicas y
elaboran productos intermedios que, a su vez, sirven de materia prima para
otras industrias. Quizás sea el subsector de más tradición en España, por su
antigüedad y madurez, habiendo sido, en su momento, el más importante
de todo el sector químico.
Sus instalaciones se encuentran repartidas por todo el país, especialmente
concentradas en Puertollano, Barcelona, Bilbao, Zaragoza, Cartagena y, de
forma significativa, Huelva.
Los principales productos de la industria química de base son:
- Ácido sulfúrico: empleado en la fabricación de fertilizantes.
- Ácido fosfórico: empleado en la fabricación de fertilizantes.
- Amoníaco: empleado en la fabricación de fertilizantes.
- Cloro: empleado en la fabricación de plásticos y disolventes.

9. - Hidróxido de sodio: empleado en la fabricación de rayón y en el afino
del plomo para obtener cinc.
A través de la electrólisis de disoluciones muy concentradas de cloruro de
sodio (salmuera) se produce cloro, hidróxido de sodio, ácido clorhídrico,
hipoclorito de sodio e hidrógeno.
INDUSTRIAS QUÍMICAS DE TRANSFORMACIÓN. Están destinadas al
consumo directo de las personas, emplean como materias primas los
productos elaborados por la industria química de base.
La producción de poliéster (C10H8O4)n es una resina plástica proveniente de
fracciones pesadas del petróleo que se obtiene mediante una reacción
química y que es muy resistente a la humedad y a los productos químicos.
Con el poliéster se construyen piscinas.
La QUÍMICA FINA, como se le denomina a este sector industrial, comprende
numerosas industrias especializadas (medicamentos, fertilizantes,
plaguicidas, colorantes, etcétera).
MATERIAS PRIMAS
MATERIA PRIMA NATURAL. Es aquella que se obtiene del medio ambiente,
como son: el agua, el aire, el petróleo, el azufre, el carbón y los minerales
(madera, gas natural).
MATERIA PRIMA SINTÉTICA. Es aquella que está conformada por sustancias
químicas como: ácido sulfúrico, amoníaco, cloro, benceno y otros
compuestos, que sirven para obtener fertilizantes, pinturas plásticas,
etcétera.
MATERIA PRIMA DE RECUPERACIÓN. Son los compuestos capaces de ser
reciclados para volver a usarse en las industrias químicas (papel, vidrio,
cartón, etcétera).
TIPOS DE ENERGÍA
Una industria puede usar, según la finalidad de su producto distintos tipos
de energía para la realización de sus procesos. Los principales tipos de
energía son:
- ELÉCTRICA. Se usa en todas las industrias para realizar procesos
sofisticados y ésta es cada vez más importante.

10. - NUCLEAR. Es el tipo de energía disponible más económica. Con el
objeto de producirla, se puede elegir el sitio más conveniente y estas
centrales no están limitadas por circunstancias geográficas ni
climáticas. Como inconveniente presenta que debe disponer de
instaladores de alta energía con el objeto de evitar la contaminación
o irradiación de radiactividad.
- TÉRMICA. Es la que se emplea en hornos para derretir metales u
otros compuestos para darle forma u amoldarlos.
IMPACTO AMBIENTAL
El incremento del desarrollo industrial y el descubrimiento de sustancias
nocivas provenientes de la actividad industrial, han creado la necesidad de
alarma y vigilancia y, por lo tanto, éstas deben cumplir unas medidas
anticontaminantes que eviten el desequilibrio ecológico. Los desechos
sólidos se deben colocar en lugares apropiados y los gases tóxicos se deben
evitar usando filtros.
Principales agentes contaminantes:
- Dióxido de carbono: se origina en los procesos de combustión de la
producción de energía de las industrias.
- Monóxido de carbono: se origina en los procesos de combustión
incompleta.
- Dióxido de azufre: es el humo de las centrales eléctricas y de las
fábricas.
- Óxidos de nitrógeno: producido por el uso excesivo de fertilizantes.