RESUMEN 8 COMPLETO UNIDAD 4 DE REACCIONES QUIMICAS

4.1 Combinación de reacciones químicas

Una reacción química consiste en el cambio de una o más sustancias en otra(s).  Los reactantes son las sustancias involucradas al inicio de la reacción y los productos son las sustancias que resultan de la transformación.  En una ecuación química que describe una reacción, los reactantes, representados por sus fórmulas o símbolos, se ubican a la izquierda de una flecha; y posterior a la flecha,  se escriben los productos, igualmente simbolizados. En una ecuación se puede indicar los estados físicos de las sustancias involucradas de la manera siguiente: (s) para sólido, (l) para líquido, (g) para gaseoso y (ac) para soluciones acuosas.  Los catalizadores, temperaturas o condiciones especiales deben especificarse encima de la flecha.

Tipos de Reacciones Químicas

Las reacciones químicas pueden clasificarse de manera sencilla en cinco grandes grupos.  Existen otras clasificaciones, pero para predicción de los productos de una reacción, esta clasificación es la más útil.

Reacciones de Síntesis o Composición

En estas reacciones, dos o más elementos o compuestos se combinan, resultando en un solo producto.

Síntesis Química: la combinación de dos o más sustancias para formar un solo compuesto.

A +   B à C

(Donde A y B pueden ser elementos o compuestos)

Ejemplo: Escriba la reacción de síntesis entre el aluminio y el oxígeno.

Solución: Dos elementos se combinarán para formar el compuesto binario correspondiente.  En este caso, el aluminio y el oxígeno formarán el óxido de aluminio.  La ecuación que representa la reacción es la siguiente:

4 Al (s) +  3 O2 (g) à  2 Al2O3 (s)

Nota: Es importante recordar los elementos que son diatómicos, los cuales se escriben con un subíndice de 2 cuando no se encuentran combinados y participan en una reacción.  Estos son el hidrógeno, nitrógeno, oxígeno, flúor, cloro, bromo y el  yodo.

Reacciones de Descomposición o Análisis

Estas reacciones son inversas a la síntesis y son aquellas en la cuales se forman dos o más productos a partir de un solo reactante, usualmente con la ayuda del calor o la electricidad.

Descomposición Química: la formación de dos o más sustancias a partir de un solo compuesto.

A à  B + C

(Donde B y C pueden ser elementos o compuestos)

Ejemplo: Escriba la ecuación que representa la descomposición del óxido de mercurio (II).

Solución: Un compuesto binario se descompone en los elementos que lo conforman.  En este caso, el óxido de mercurio (II) se descompone para formar los elementos mercurio y oxígeno. La ecuación que representa la reacción es la siguiente:

2 HgO (s) à  2 Hg (l)  + O2 (g)

Reacciones de Desplazamiento o Sustitución Sencilla

Estas reacciones son aquellas en las cuales un átomo toma el lugar de otro similar pero menos activo en un compuesto.  En general, los metales reemplazan metales (o al hidrógeno de un ácido) y los no metales reemplazan no metales.  La actividad de los metales es la siguiente, en orden de mayor actividad a menor actividad: Li, K, Na, Ba, Ca, Mg, Al, Zn, Fe, Cd, Ni, Sn, Pb, (H), Cu, Hg, Ag, Au.  El orden de actividad de los no metales mas comunes es el siguiente:  F, O, Cl, Br, I, siendo el flúor el más activo.

Desplazamiento Químico: un elemento reemplaza a otro similar y menos activo en un compuesto.

AB + C à  CB + A   ó   AB + C  à  AC + B

(Dónde C es un elemento más activo que un metal A o un no metal B)

Ejemplo: Escriba la reacción entre el magnesio y una solución de sulfato de cobre (II).

Solución:El magnesio es un metal más activo que el cobre y por tanto, lo reemplazará en el compuesto, formando sulfato de magnesio.  A la vez, el cobre queda en su estado libre como otro producto de la reacción.   La ecuación que representa la reacción es la siguiente:

Mg (s) +  CuSO4 (ac) à  MgSO4 (ac)  +  Cu (s)

Reacciones de Doble Desplazamiento o Intercambio

Estas reacciones son aquellas en las cuales el ión positivo (catión) de un compuesto se combina con el ión negativo (anión) del otro y viceversa, habiendo así un intercambio de átomos entre los reactantes.  En general, estas reacciones ocurren en solución, es decir, que al menos uno de los reactantes debe estar en solución acuosa.

Doble Desplazamiento Químico: los reactantes intercambian átomos – el catión de uno se combina con el anión del otro y viceversa.

AB + CD à  AD + CB

Solución: En esta reacción, la plata reemplaza al hidrógeno del ácido, formando cloruro de plata.  Al mismo tiempo, el hidrógeno reemplaza a la plata, formando ácido nítrico con el nitrato.  La ecuación que representa la reacción es la siguiente:

AgNO3 (ac) +  HCl (ac) à  HNO3 (ac)  +  AgCl (s)

Reacciones de Naturalización

Estas reacciones son de doble desplazamiento o intercambio.  Su particularidad es que  ocurren entre un ácido y una base y los productos de la reacción son agua y una sal formada por el catión de la base y el anión del ácido. Por ejemplo, la reacción entre el ácido sulfúrico y el hidróxido de sodio resulta en la formación de agua y sulfato de sodio.  La ecuación que representa esta reacción es la siguiente:  

H2SO4 (ac) +  2 NaOH (ac) à  2 H2O (l)  +  Na2SO4 (ac)

Reacciones de Combustión

Estas reacciones ocurren cuando un hidrocarburo orgánico (un compuesto que contiene carbono e hidrógeno) se combina con el oxígeno, formando agua y dióxido de carbono como productos de la reacción y liberando grandes cantidades de energía.  Las reacciones de combustión son esenciales para la vida, ya que la respiración celular es una de ellas.

Combustión: un hidrocarburo orgánico reacciona con el oxígeno para producir agua y dióxido de carbono.

hidrocarburo + O2 à  H2O + CO2

Ejemplo 1: Escriba la ecuación que representa la reacción de combustión de la glucosa, el azúcar sanguíneo (C₆H₁₂O₆).

Solución: En esta reacción, la glucosa es un hidrocarburo que reacciona con el oxígeno, resultando en los productos de la combustión – el agua y el dióxido de carbono. La ecuación que representa la reacción es la siguiente:

C₆H₁₂O₆  +  O₂  à  H₂O  +  CO₂

4.2 Descomposición de reacciones químicas

Reacciones de descomposición o análisis

En una reacción de descomposición, una sola sustancia se descompone o se rompe, produciendo dos o más sustancias distintas. A este tipo de reacciones se le puede considerar como el inverso de las reacciones de combinación. El material inicial debe ser un compuesto y los productos pueden ser elementos o compuestos. Generalmente se necesita calor para que ocurra la reacción. La forma general de estas ecuaciones es la siguiente:

         AB       A + B

Reacciones de Descomposición: Consiste en el desdoblamiento o división de una sustancia o molécula en otras substancias más simples, por efecto de un agente externo, como el calor, la electricidad, etc.:

1. 2H2O + (Calor) ---> 2H2 + O2

2. Mn2O3 + (Calor) --> Mn2 + O

3. H2S + (Calor) ---> H2 + S2

4. Al4 (SiO4)3 + (Calor) ---> SiO2 + Al2O3

5. Fe2 (SO4)3 + (Calor) ---> SO2 + Fe2O3

6. Sn (OH)4 + (Calor) ---> SnO4 - OH

7. H3BO3 + (Calor) ---> 3H + B2O3

8. H2O + (Electricidad) ---> H2 + O2

9. H4P2O7 + (Calor) --> P2O5 + 2H2O

10. CaCO3 + (Calor) ---> CO2 + CaO

4.3 Sustitución

Una reacción de sustitución es aquella donde un átomo o grupo en un compuesto químico es sustituido por otro átomo o grupo.

Reacciones de Síntesis: Llamadas también de composición, que consiste en la unión de dos o más elementos o sustancias para formar un nuevo compuesto, ejemplos.-

1. H2 (Hidrógeno) + Cl2(Cloro) ---> HCl (Ácido clorhídrico)

2. Zn (Zinc) + O(Oxigeno) ---> ZnO(oxido de zinc)

3. Li2O (Oxido de Litio) + H2O(agua) --> L2(OH) Hidróxido de Litio

4. CO2 (Anhídrido carbónico) + CaO(Oxido de Calcio) ---> CaCO3 (Carbonato de calcio)

5. Ca (calcio) + O2 (oxigeno) ---> CaO(Oxido de Calcio)

6. Fe2O3 + H2O --> HFeO2

7. Cl2O7 +H2O ---> HClO4

8. MnO3 + H2O ---> H2MnO4

9. Na2O + H2O ---> 2HNaO

10. N2 + O2 ---> Na2O5

Reacciones de Simple Sustitución: Llamadas también de desplazamiento o remplazo; consiste cuando un compuesto reacciona frente a un simple elemento, produciendo un intercambio atómico, ej:

1. 2HCl + Zn ---> ZnCl2 + H2

2. H2SO4 + Al ---> Al2 (SO4) + H2

3. Fe + Ag (NO3) ---> Ag2 + Fe(NO3)

4. HPO3 + Ca ---> CaPO3 + H

5. INi + K ---> KNi + I

Reacciones de Doble Sustitución: Son reacciones donde los átomos o iones hacen un intercambio de uno y otro compuesto según su afinidad positiva con una negativa, ejemplos:

1. H2CO3 + NaCl ---->Na2 CO3 + 2HCl

2. HClO3 + Na2S4 ---> Na2 (ClO3) + Na4S2

3. FeS + Ca (NiO3) ---> CaS + Fe (NiO3)3

4.4 Neutralización

Cuando reacciona un ácido con una base se produce una sal y agua. Esta reacción se denomina neutralización porque el ácido y la base dejan de serlo cuando reaccionan entre sí, pero no significa, necesariamente, que el pH de la disolución resultante sea neutro.

Ácido + Base   ð Sal + Agua

En una volumetría se miden volúmenes haciendo uso de material muy simple: bureta y pipeta. Al ser esta volumetría de neutralización o ácido-base lo que se hace es provocar una reacción ácido-base debiendo determinar el punto de equivalencia, es decir: en qué momento el número de equivalentes de ácido añadidos coinciden con el número de equivalentes de base. La determinación de este punto de equivalencia se realiza con un indicador ácido-base apropiado. El indicador elegido debe virar en un intervalo de pH en el que quede incluido el pH de la disolución obtenida cuando se alcanza el punto de equivalencia. El alumno puede calcular, de forma aproximada, el pH de la disolución de acetato de sodio obtenida y decidir qué indicador entre los disponibles en el laboratorio es el adecuado para tal determinación.

La acidez y la basicidad constituyen el conjunto de propiedades características de dos importantes grupos de sustancias químicas: los ácidos y las bases. Las ideas actuales sobre tales conceptos químicos consideran los ácidos como dadores de protones y las bases como aceptoras. Los procesos en los que interviene un ácido intervienen también su base conjugada, que es la sustancia que recibe el protón cedido por el ácido. Tales procesos se denominan reacciones ácido-base.

La acidez y la basicidad son dos formas contrapuestas de comportamiento de las sustancias químicas cuyo estudio atrajo siempre la atención de los químicos. En los albores mismos de la ciencia química, Boyle y Lavoisier estudiaron sistemáticamente el comportamiento de las sustancias agrupadas bajo los términos de ácido y álcali (base).

Por medio de las volumetrías de neutralización determinamos concentraciones de ácidos o de bases midiendo volúmenes equivalentes de bases o de ácidos de concentración conocida.

· Según las cantidades de sustancia (número de moles) relativas de estas sustancias y la estequiometria de la reacción se pueden dar tres situaciones:

a) exceso de ácido: reacciona toda la base con parte del ácido presente y queda un exceso de ácido sin reaccionar: la disolución final será ácida (pH < 7)

b) exceso de base: reacciona todo el ácido con parte de la base presente y queda un exceso de base sin reaccionar: la disolución final será básica (pH > 7)

c) proporción estequiometria de ácido y base: todo el ácido y toda la base presente reaccionan entre sí, no queda exceso de ninguno de ellos. La neutralización es completa. Se ha alcanzado el punto de equivalencia. El pH de la disolución final dependerá de la sal que se forme, ya que ésta podrá sufrir hidrólisis y por ello el pH en el punto de equivalencia puede ser distinto de siete. Será siete (neutra) si la  sal  formada proviene de ácido fuerte-base fuerte, como el NaCl.

4.5 Óxido-Reducción

Reacciones de óxido reducción o redox: Son aquellas reacciones en las cuales los átomos experimentan cambios del número de oxidación. En ellas hay transferencia de electrones y el proceso de oxidación y reducción se presentan simultáneamente, un átomo se oxida y otro se reduce. En estas reacciones la cantidad de electrones perdidos es igual a la cantidad de electrones ganados.

Número de oxidación o estado de oxidación: es el número que se asigna a cada tipo de átomo de un elemento, un compuesto o ión, y que representa el número de electrones que ha ganado, perdido o compartido. El número se establece de manera arbitraria, pero su asignación se basa en diferentes postulados.

Existen diferentes definiciones sobre oxidación y reducción:

Oxidación: es un incremento algebraico del número de oxidación y corresponde a la perdida de electrones. También se denomina oxidación la pérdida de hidrógeno o ganancia de oxígeno.

Reducción: es la disminución algebraica del número de oxidación y corresponde a la ganancia de electrones. Igualmente se define como la pérdida de oxígeno y ganancia de hidrógeno.

Para determinar cuando un elemento se oxida o se reduce puede utilizarse la siguiente regla práctica:

Si el elemento cambia su número de oxidación en este sentido  SE OXIDA 

-7  -6  -5  -4  -3  -2  -1  0  1  2  3  4  5  6  7

Si el elemento cambia su número de oxidación en este sentido  SE REDUCE.

Así si el Na⁰ pasa a Na⁺ perdió un electrón, lo que indica que se oxidó.
Si el Cl⁰ pasa a Cl^- ganó un electrón, lo que indica que se redujo.

Agentes oxidantes: son especies químicas que ganan electrones, se reducen y oxidan a otras sustancias.

Agentes reductores: son especies químicas que pierden electrones, se oxidan y reducen a otras sustancias.

4.6 Aplicaciones

Las Reacciones Químicas afectan la capa Terrestre. A consecuencia de ello, existen cambios químicos que alteran el uso de químicos que causan daños a la población y a la fauna.

La termoeléctrica es la principal contaminante, debido a que diario elimina una gran cantidad de humo contaminante para nuestro Ambiente y para nuestro Metabolismo. Una Reacción Química es un cambio químico en el cual dos o más sustancias se transforman en otras sustancias llamadas productos y nos afectan tanto Ambientalmente como Metabólicamente.

La termoeléctrica libera diferentes tipos de contaminantes como; Oxido de Azufre, Monóxido de Carbono y Oxido de Nitrógeno.

La termoeléctrica, libera una gran cantidad de agua caliente, que se libera hacia el mar después de enfriar las turbinas.

La reacción procede en la dirección que permite la disminución de la energía interna, mientras que el equilibrio es obtenido cuando la misma es minimizada, es decir que

Dg=0

Considerar la reacción entre agua y gas

 H 2Og + COg= H 2g + CO2

4.7 Cálculos estequiometricos con reacciones químicas

La fabricación de productos químicos es uno de los esfuerzos industriales más grandes del mundo. Las industrias químicas son la base de cualquier sociedad industrial. Dependemos de ellas respecto a productos que utilizamos a diario como gasolina y lubricantes de la industria del petróleo; alimentos y medicinas de la industria alimentaria; telas y ropa de las industrias textiles. Estas son sólo unos cuantos ejemplos pero casi todo lo que compramos diariamente se fabrica mediante algún proceso químico o al menos incluye el uso de productos químicos.

Por razones económicas los procesos químicos y la producción de sustancias químicas deben realizarse con el menor desperdicio posible, lo que se conoce como "optimización de procesos". Cuando se tiene una reacción química, el Químico se interesa en la cantidad de producto que puede formarse a partir de cantidades establecidas de reactivos. Esto también es importante en la mayoría de las aplicaciones de las reacciones, tanto en la investigación como en la industria.

En una reacción química siempre se conserva la masa, de ahí que una cantidad específica de reactivos al reaccionar, formará productos cuya masa será igual a la de los reactivos. Al químico le interesa entonces la relación que guardan entre sí las masas de los reactivos y los productos individualmente.

Los cálculos que comprenden estas relaciones de masa se conocen como cálculos estequiometricos.

 La estequiometria es el concepto usado para designar a la parte de la química que estudia las relaciones cuantitativas de las sustancias y sus reacciones. En su origen etimológico, se compone de dos raíces, estequio que se refiere a las partes o elementos de los compuestos y metría, que dice sobre la medida de las masas.

¿Cómo se realizan los cálculos estequiometricos?

·       ATG

·       MOLES

·       No. DE ÁTOMOS y No. DE MOLÉCULAS

·       VOLUMEN MOLAR

·       REACTIVOS O PRODUCTOS

·       REACTIVO LIMITANTE