En el vasto y variado mundo de la química, las fórmulas y ecuaciones son herramientas esenciales que los científicos utilizan para comunicar información compleja de manera clara y concisa. Al igual que en un mapa, estas representaciones nos guían a través de las interacciones químicas, mostrando qué y cómo las sustancias reaccionan entre sí. Esta guía explorará las diferentes formas en que los químicos representan las reacciones y sustancias para ayudarles a entender mejor cómo se transforma la materia a nivel molecular.

¿Cómo los químicos representan las ideas con las que trabajan?

1. Fórmulas Químicas

Las fórmulas químicas son como la identidad de cada sustancia; proporcionan información crucial sobre los elementos que componen una molécula y la proporción en la que estos elementos se combinan.

Tipos de Fórmulas Químicas

- Fórmulas Empíricas:

Muestran la relación más simple entre los átomos de una molécula.

Suele suceder que la fórmula empírica no coincide con la fórmula molecular de una sustancia. Por ejemplo:

El etileno, un gas utilizado en la industria química y en la maduración de frutas, tiene una fórmula molecular de C2H4. Sin embargo, su fórmula empírica es CH2, lo que significa que la relación de átomos de carbono a átomos de hidrógeno es 1:2.

Asimismo, el acetileno, un gas utilizado en la soldadura y la fabricación de productos químicos, tiene una fórmula molecular de C2H2. Su fórmula empírica es CH, lo que indica que la relación de átomos de carbono a átomos de hidrógeno es 1:1.

- Fórmulas Moleculares:

Indican el número exacto de átomos de cada elemento en una molécula. En los ejemplos anteriores, el etileno y el acetileno sólo tienen una fórmula que representa a la molécula real: C2H4 y C2H2 respectivamente; su fórmula empírica sólo muestra la proporción entre los elementos que las forman.

- Fórmulas Estructurales:

Ilustran la disposición espacial de los átomos y los enlaces entre ellos. Son especialmente útiles para entender la estructura molecular y cómo esta influye en las propiedades químicas y físicas de la sustancia.

Por ejemplo, la glucosa y la fructosa tienen la misma fórmula empírica, C6 H12 O6, pero sus fórmulas estructurales muestran las diferencias que hay entre ambas sustancias:

Cuando estos azúcares simples se encuentran en disolución acuosa, se cierran sobre sí mismas adoptando una estructura cíclica:

Para profundizar en la interpretación de una ecuación química, sigue este enlace

2. Ecuaciones Químicas

Las ecuaciones químicas son narrativas que describen detalladamente cómo reaccionan las sustancias. Al igual que una receta describe los pasos para hacer un pastel, las ecuaciones químicas nos dicen cómo los reactantes se transforman en productos.

Elementos de una Ecuación Química

- Reactantes: Las sustancias que se consumen en la reacción.

- Productos: Las nuevas sustancias que se forman.

- Flechas: Indican la dirección de la reacción. La punta de la flecha señala los PRODUCTOS. Una flecha simple (→) muestra una reacción en una dirección, mientras que una doble (↔) indica una reacción reversible.

- Subíndices: Números pequeños colocados a la derecha y abajo de cada elemento químico que indican la cantidad de átomos del elemento. Sólo afecta al elemento al que pertenece.

- Coeficientes: Números grandes colocados a la izquierda de las fórmulas químicas que indican la proporción de las moléculas, o moles, de cada sustancia involucrada en la reacción. En el recuento de átomos, afectan a todos los elementos presentes en la fórmula y a sus subíndices.

Ejemplo de Ecuación:

2 H2 + O2 → 2 H2O

- Esta ecuación explica cómo el hidrógeno y el oxígeno reaccionan para formar agua, mostrando que se necesitan dos moléculas de hidrógeno y una de oxígeno para producir dos moléculas de agua.

Si necesitas estudiar con mayor profundidad el significado de una ecuación química, sigue este enlace.

3. Representaciones Visuales en Química

Además de las fórmulas y ecuaciones, los químicos a menudo utilizan diagramas y modelos para visualizar las estructuras moleculares y las reacciones. Estos incluyen:

- Modelos de esferas y barras:

Utilizados para representar tridimensionalmente las moléculas, donde las esferas representan átomos y las varillas los enlaces.

Para la glucosa, estudiada más arriba:

Las moléculas son demasiado pequeñas como para poder observarlas de manera directa. Una forma efectiva para visualizarlas es mediante el uso de modelos moleculares.

Por lo común se utilizan dos tipos de estos modelos: los modelos de esferas y barras, y los modelos espaciales (figura 2.12). En los primeros los átomos están representados por esferas de madera o plástico con orificios perforados en ellas. Para representar los enlaces químicos se utilizan barras o resortes. Los ángulos que se forman entre los átomos en los modelos se aproximan a los ángulos de enlace reales de las moléculas. Con excepción del átomo de H, todas las esferas son del mismo tamaño y cada tipo de átomo está representado por un color específico.

- Modelos espaciales

En los modelos espaciales, los átomos están representados por esferas truncadas que se mantienen unidas a presión, de manera que los enlaces no se ven. El tamaño de las esferas es proporcional al tamaño de los átomos.

(Chang & Goldsby, 2017)

Actividad Sugerida:

- Utilicen kits de modelado molecular para construir modelos de moléculas como el dióxido de carbono y el metano. Observen cómo la disposición de los átomos afecta a la estuctura (y a las propiedades) de la molécula.

Recuerden compartir los kits de modelado!

- Diagramas de Lewis:

Muestran los electrones de valencia y los enlaces entre los átomos, facilitando la comprensión de las reacciones químicas a nivel electrónico.

Fórmula de Lewis: Representación de una molécula, ion o unidad formular en la que se muestran los símbolos atómicos y sólo los electrones de la capa más externa; no representa la forma de la molécula o ion. Cada par de electrones enlazante puede representarse por un par de puntos (fórmula de puntos de Lewis) o por una línea (fórmula de líneas de Lewis).

(Whitten & Stanley, 2014)

(Whitten & Stanley, 2014)

Si eres estudiante avanzado, y necesitas prepararte para la educación superior, te recomiendo revisar la guía para escribir la fórmula de Lewis en este link.

- Proyecciones de Fischer

Una forma bidimensional de representar moléculas, principalmente carbohidratos y aminoácidos. Se emplean para representar la disposición de átomos alrededor de carbonos quirales.

En la proyección de Fischer la molécula se dibuja en forma de cruz con los sustituyentes con los sustituyentes que van al fondo del plano en la vertical y los grupos que salen hacia nosotros en la horizontal, el punto intersección de ambas líneas representa el carbono proyectado.

- Proyecciones de Newman

Muestra cómo se orientan los átomos en una molécula al observarla a lo largo de un enlace carbono-carbono.

La proyección de Newman se obtiene al mirar la molécula a lo largo del eje C-C. El carbono frontal se representa por un punto, del que parten los tres enlaces que lo unen a los sustituyentes. El carbono de atrás se representa por un círculo y los enlaces que salen de este carbono se dibujan a partir de este círculo.

Proyección de Newman para las conformaciones del butano

- Proyecciones de Haworth

Una representación tridimensional simplificada de anillos de carbohidratos.

Revisa una muy buena explicación en https://estudyando.com/que-es-una-proyeccion-de-haworth-definicion-formula-y-ejemplos/

Conclusión:

Esta sesión ha sido una introducción a las herramientas visuales y simbólicas que los químicos utilizan para descifrar y comunicar el comportamiento de la materia a nivel atómico y molecular. Al dominar estas representaciones, podrán entender mejor y predecir los resultados de las reacciones químicas, abriendo la puerta a experimentos más avanzados y a una comprensión más profunda de la química que nos rodea.

Recuerden: Cada molécula cuenta una historia, y aprender a leer estas historias es clave para comprender y aprovechar el aprendizaje histórico de un químico experto. ¡Explora, experimenta y disfruta del viaje por el mundo de la química!

Referencias

Chang, R., & Goldsby, K. A. (2017). QUIMICA (12.a ed.). McGRAW-HILL/INTERAMERICANA EDITORES, S.A..
Petrucci, R. H., Herring, F. G., Madura, J. D., & Bissonnette, C. (2017). General Chemistry: Principles and Modern Applications (11th ed.). Pearson Education.
Silberberg, M. S. (2012). Chemistry: The Molecular Nature of Matter and Change (6th ed.). McGraw-Hill.
Whitten, K. W., & Stanley, G. G. (2014). Quimica.

Representaciones en Química

Guía de Lectura: Explorando las Representaciones Químicas del mundo.