REACCIONES QUÍMICAS. UNIDAD 14 LIBRO Págs UNIDAD 15 LIBRO Págs

Transcripción

1 REACCIONES QUÍMICAS UNIDAD 14 LIBRO Págs UNIDAD 15 LIBRO Págs

2 CONCEPTO DE REACCIÓN QUÍMICA Y SIGNIFICADO

3 Definición y componentes de una reacción Reacción química; proceso por el que una o varias sustancias iniciales (reactivos) se transforman en otra u otras finales (productos), distintas a las iniciales En la reacción química se produce la ruptura de enlaces en los reactivos y la formación de nuevos enlaces en los productos Ejemplo;al calentar clorato potasio se produce oxígeno gas y la formación de cloruro de potasio KClO 3 KCl+ O 2 Se han roto el enlace iónico entre el anión ClO 3- y el catión K +, y también se ha producido la ruptura del enlace covalente entre el oxígeno y el cloro del ClO 3 - Por el contrario, se han formado los enlaces covalente oxígeno-oxígeno de la molécula de O 2 y también se ha formado el enlace iónico entre Cl - y K + en el cloruro de potasio (KCl)

4 Expresión de una reacción Una reacción química se representa mediante una ecuación química, en la que se tienen en cuenta una serie de premisas: El primer miembro de la reacción son los reactivos, y en segundo los productos. Todos se representan mediante sus fórmulas, y se separan los reactivos de los productos mediante una flecha Únicamente se contemplan las sustancias iniciales (reactivos) y finales (productos) que intervienen en la reacción El estado físico de cada sustancia se indica entre paréntesis; (s) sólido, (l) líquido, (g) gas, (aq) en disolución acuosa También pueden aparecer otros símbolos: ; sobre la flecha de la reacción. Indica calentamiento ; junto a un producto significa desprendimiento de gas ; junto a un producto indica formación de un precipitado sólido Ej.; El cinc metálico reacciona con el ácido sulfúrico en disolución acuosa y produce sulfato de cinc en disolución acuosa y un desprendimiento de hidrógeno gas Zn(s) + H 2 SO 4 (aq) ZnSO 4 (aq) + H 2 (g)

5 Ajuste de reacciones químicas Teoría de Dalton; las reacciones químicas son reordenaciones de átomos. El nº de átomos de cada elemento debe ser igual en los reactivos como en los productos (no aparece ni desaparece ningún elemento) El ajuste de una reacción es consecuencia de Dalton; se ponen unoscoeficientes delante de cada sustancia para que el nº de átomos de cada elemento a ambos lados de la reacción SEA EL MISMOy así se cumpla la Teoría de Dalton Ejemplo; KClO 3 KCl+ 3/2O 2 // 2KClO 3 2KCl + 3O 2 Métodos de ajuste (Ver libro pág. 292, ejemplos 1 y 2) Por tanteo Por sistema de ecuaciones ACTIVIDADES 3 y 4 PÁG. 293

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7 Significado cuantitativo del ajuste Los coeficientes de ajuste nos indican proporciones en las que intervienen las sustancias. Su interpretación es muy importante: Ejemplo; 2KClO 3 2KCl + 3O 2 Interpretación atómico-molecular. Por cada dos moléculas de KClO 3 que se descomponen, se forman dos moléculasde KCly tres moléculasde O 2 Interpretación molar. Por cada dos moles de KClO 3 que se descomponen, se forman dos moles de KCly tres moles de O 2 Esta última interpretación es fundamental para realizar cálculos estequiométricos; calcular la cantidad (masa, volumen o nº de moles) de uno de los componentes de una reacción a partir de la cantidad conocida de otro

8 TIPOS DE REACCIONES

9 Tipos de reacciones químicas Existe una gran variedad de clasificaciones de reacciones químicas Según el mecanismo de intercambio entre reactivos y productos podemos hablar de 4 tipos fundamentales de reacciones: Reacciones de síntesis. Se forma una sustancia (un solo producto) a partir de dos o más reactivos. Ejemplos: N 2 (g) + 3H 2 (g) 2NH 3 (g) Síntesis de Haber (obtención de amoníaco) SO 3 (g) + H 2 O(l) H 2 SO 4 (l) Obtención de ácido sulfúrico Reacciones de descomposición. Un único reactivo (una única sustancia) se descompone en otras más sencillas. Es contraria a la reacción de síntesis. Ejemplos 2H 2 O(l) 2H 2 (g) + O 2 (g) Descomposición electrolítica del agua CaCO 3 (s) CaO(s) + CO 2 (g) Obtención de cal viva (CaO)

10 Tipos de reacciones químicas Reacciones de desplazamiento. Un elemento desaloja a otro de un compuesto y los sustituye en dicho compuesto. Ejemplos: Fe(s) + CuSO 4 (aq) Cu(s) + FeSO 4 (aq) Reacciones entre ácidos y metales son también reacciones de desplazamiento: 2HCl(aq) + Zn(s) ZnCl 2 (aq) + H 2 (g) Reacciones de doble desplazamiento. Los componentes (p.ej. átomos o iones) de dos sustancias intercambian sus posiciones en dichas sustancias. Ejemplos: 2KI(aq) + Pb(NO 3 ) 2 (aq) PbI 2 (s) + 2KNO 3 (aq) Intercambio de las posiciones de los iones K + y Pb 2+ H 2 SO 4 (aq) + Ca(OH) 2 (aq) CaSO 4 (aq) + 2H 2 O(l) Reacción de neutralización entre un ácido (ácido sulfúrico) y una base (hidróxido cálcico)

11 Tipos de reacciones químicas Reacciones de especial interés Reacción ácido-base (reacción de neutralización) Una reacción ácido-base es una reacción de neutralización, en la que un ácido reacciona con una base dando lugar generalmente a una sal y agua acido+ base sal + agua Suelen ser reacciones exotérmicas (desprenden energía en forma de calor) Ejemplos Hidróxido de sodio más ácido carbónico que forma carbonato de sodio mas agua: Ácido nítrico más hidróxido de aluminio que forma nitrato de aluminio mas agua:

12 Reacción ácido-base En realidad en una reacción entre un ácido y una base no siempre se alcanza una neutralización: El ácido en disolución aporta aniones e iones positivos H + (H 3 O + ) Ej; HCl(aq) H + + Cl - La base en disolución aporta cationes e iones OH - Ej; NaOH(aq) Na + + OH - Cuando hay una neutralización, la cantidad de iones H + que aporta el ácido y la cantidad de OH - que aporta la base son equivalentes (se neutralizan) y se combinan formando agua. H + (aq) + OH (aq) H 2 O. Enesta situaciónelph=7 Cuando en la reacción hay un exceso de ácido, habrá mayor concentración de iones H + que de iones OH -.En esta situación, ph < 7 ( ph ácido ) Cuando en la reacción hay un exceso de base, habrá mayor concentración de iones OH - (y menor concentración de iones H + ). El ph > 7 ( ph básico ) Para calcular el ph, se hace a través del logaritmo negativo de la concentración de iones H + (ph=-log[h + ]). A mayor concentración de iones H +, menor será el ph.

13 Tipos de reacciones químicas Reacciones de especial interés Reacciones de combustión (pág. 324 libro) Una sustancia (combustible) reacciona con oxígeno (comburente), dando lugar a un gas y a una gran cantidad de energía en forma de luz y calor No es una reacción espontánea; debe iniciarse mediante una llama o chispa Importancia; obtención de energía para calentar (centrales térmicas, calefacciones, cocinas de gas), para movimiento (motores de explosión de vehículos, etc.) Ejemplos: C + O 2 CO 2 Combustión de carbono (p.ej. carbono en carbón) CH 4 + 2O 2 CO 2 + 2H 2 O Combustión de metano (componente principal del gas natural) 2C 4 H O 2 8CO H 2 O Combustión de butano

14 CH 4 + 2O 2 CO 2 + 2H 2 O Combustión de metano (componente principal del gas natural)

15 PÁGS LIBRO CÁLCULOS ESTEQUIOMÉTRICOS

16 Cálculos estequiométricos Cálculos estequiométricos; calcular la cantidad (masa, volumen o nº de moles) de uno de los componentes de una reacción a partir de la cantidad conocida de otro componente de la reacción Pueden ser: 1. Cálculos con masas 2. Cálculos con volúmenes de gases 3. Cálculos con reactivo limitante 4. Cálculos con reactivos en disolución

17 1. Cálculos con masas Cálculos estequiométricos Se pretende determinar la masa de un reactivo o producto de la reacción, conociendo la masa de otra sustancia de la reacción Se debe tener en cuenta la relación molar entre sustancias que nos indica el ajuste, y trabajar por factores de conversión Ejemplo. En disolución acuosa, el carbonato de sodio reacciona con el cloruro de calcio, y se obtiene un precipitado de carbonato de calcio y cloruro de sodio. Si obtenemos 225 g de carbonato de calcio, calcula la masa de carbonato de sodio que utilizamos

18 2. Cálculos con volúmenes de gases Cálculos estequiométricos Se pretende determinar el volumen de un reactivo o producto, conociendo los datos de P y T de una sustancia de la reacción Se debe tener la relación molar del ajuste y la ecuación de estado de los gases ideales; P V=n R T Si nos indican condiciones normales (T=0ºC, P=1 atm), podemos establecer la equivalencia para esa sustancia de 1 mol = 22,4 l Ejemplo. La combustión del amoníaco produce monóxido de nitrógeno y agua. Determina cuántos litros de oxígeno, medidos a 600 K y Pa, se necesitan para obtener 195 g de monóxido de nitrógeno Ejemplo. Deseamos obtener 3 l de hidrógeno gas, medidos a 25ºC y 722 mm de Hg de presión, mediante la reacción entre el ácido clorhídrico y el aluminio. En la reacción se produce, además, cloruro de aluminio. Calcula los gramos de aluminio necesarios Pág. 301, Actvs. 19 y 21 Pág. 299, Actv. 13

19 3. Cálculos con reactivo limitante Cálculos estequiométricos Reactivo limitante; reactivo cuya cantidad se consume totalmente Reactivo en exceso; reactivo cuya cantidad no se consume en su totalidad (sobra cantidad) Si no te lo dice el enunciado, es necesario determinar cuál es el reactivo limitante. Para ello se calcula el nº de moles de cada reactivo y comparando con la relación molar del ajuste vemos qué reactivo está en exceso A partir de ahí se trabaja de forma habitual siempre con la cantidad de reactivo limitante También pueden pedir la cantidad de reactivo en exceso que no se ha consumido Pág. 25, Actv. 10

20 3. Cálculos con reactivo limitante Cálculos estequiométricos Ejemplo.Calentamos en una cápsula de porcelana 5 g de hierro y 4 g de azufre. Determina la cantidad de sulfuro de hierro (II) que se formará y qué cantidad de otras sustancias tendremos al final de la reacción

21 Cálculos estequiométricos 4. Cálculos con reactivos en disolución Los reactivos se encuentran en disolución En este caso el enunciado indica la concentración(p.ej. molaridad) de alguno de los reactivos y se nos pide determinar la masa de otra sustancia de la reacción A partir de la concentración, se puede sacar el nº de moles del reactivo y ya trabajar como es habitual, con la relación molar y factores de conversión Ejemplo.Determina la masa de cloruro de potasio que se obtendrá si hacemos reaccionar 25 ml de disolución de hidróxido de potasio al 20% en masa con exceso de ácido clorhídrico. La densidad de la disolución de hidróxido de potasio es 1,08 g/ml

22 PÁG. 304 LIBRO RENDIMIENTO DE UNA REACCIÓN

23 Rendimiento en reacciones químicas Generalmente en una reacción no se obtiene el 100% de la cantidad esperada de un producto (rendimiento 100%). El rendimiento suele ser menor, por pérdida de material durante la manipulación, condiciones inadecuadas de reacción o existencia de reacciones paralelas Cuando se nos indique un rendimiento (p.ej. del 75 %), al finalizar todos los cálculos debemos multiplicar la cantidad obtenida (p.ej. la masa) por el rendimiento El fundamento es similar a concepto de riqueza (equivalente a % en masa). Por ejemplo; muestra de 50 g de Fe del 75% de riqueza = 50 0,75 = 37,5 g de Fe que hay en la muestra Ejemplo.La tostación de sulfuro de plomo (II) con oxígeno produce óxido de plomo (II) y dióxido de azufre gaseoso. Calcula la cantidad de óxido de plomo (II) (sólido) que podemos obtener a partir de 500 g de sulfuro de plomo (sólido), si la reacción tiene un rendimiento del 65 %

24 PÁGS LIBRO OBTENCIÓN INDUSTRIAL DE MATERIALES

25 PÁGS LIBRO VELOCIDAD DE REACCIÓN

26 Velocidad de reacción Cinética química; parte de la Química que estudia aspectos relacionados con la velocidad de reacción Velocidad de reacción; Cantidad de un reactivo que desaparece por unidad de tiempo. Cantidad de un producto que aparece por unidad de tiempo

27 Energía de activación (Ea) / Reaciónes endotérmicas y exotérmias Ea; Energía mínima requerida para iniciar una reacción química. Reacción endotérmica; se produce con absorción de energía (en forma de calor) Reacción exotérmica; se produce con desprendimiento de energía en forma de calor

28 Efinal < Eo(Einicial)

29 Ef> Eo

30 Teoría de las reacciones químicas 1. Teoría de las colisiones - Reacción química es el resultado del choque entre moléculas - No todos los choques son eficaces - Choques eficaces; aquellos que dan lugar a la reacción - Moléculas que chocan aportan energía cinética suficiente para romper el enlace. Energía mínima necesaria; Energía de activación (Ea) - El choque debe ser con la orientación adecuada

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32 Teoría de las reacciones químicas 2. Teoría del estado de transición - Moléculas chocan y quedan unidas temporalmente Complejo activado o de transición - Moléculas reactivas rompen sus enlaces - El complejo es muy inestable (alta energía y rápida descomposición) - En la descomposición de lugar a los productos - Energía de activación; energía necesaria para formar el complejo activado Ver gráficas libro, pág. 321

33 Factores que influyen en la velocidad de reacción Naturaleza de los reactivos Temperatura Concentración de los reactivos Superficie de contacto Catalizadores

34 Factores que influyen en la velocidad de reacción Naturaleza de los reactivos - Velocidad de reacción depende del tipo de unión de los reactivos Temperatura - Tª Ecinéticade moléculas nº choques eficaces Velocidad de reacción Concentración de reactivos - Concentración reactivos nº de choques (más partículas moviéndose) nº de choques eficaces Velocidad de reacción Superficie de contacto (grado de división) - Superficie contacto reactivos (mayor grado de división) nº de choques nº de choques eficaces Velocidad de reacción

35 Factores que influyen en la velocidad de reacción Catalizadores (presencia de catalizadores) - Sustancias que en pequeñas cantidades modifican la velocidad de una reacción - El catalizador no afecta a la cantidad de reactivos o productos que intervienen en la reacción - No se consumen catalizador; al final de la reacción se obtiene la misma cantidad de catalizador - Los catalizadores modifican la Energía de activación - Catalizador positivo; Ea nº choques eficaces Velocidad de reacción - Catalizador negativo; Ea nº choques eficaces Velocidad de reacción

36 La trayectoria seguida por la reacción pasa de ser la de la línea azul, a ser la de la línea roja con menor energía de activación aunque con la misma energía inicial (Eo) y final (Ef)

37 Factores que influyen en la velocidad de reacción Ejercicios 12 y 13, pág. 323

38 CALOR DE UNA REACCIÓN

39 ENTALPIA DE UNA REACCIÓN

40 LEY DE HESS

41 EQUILIBRIO QUÍMICO