REACCIONES QUÍMICAS. Conceptos fundamentales:

Transcripción

1 REACCIONES QUÍMICAS Conceptos fundamentales: Una molécula de una determinada sustancia pura constituye el representante elemental de dicha sustancia, es decir, la cantidad más pequeña de ella que posee todas sus propiedades químicas. Cuando una sustancia dada, bajo ciertas condiciones, se transforma en otra u otras con diferentes propiedades, se ha de pensar que algo ha ocurrido a nivel molecular. De forma espontánea unas veces y provocada otras, los átomos, que en número y proporciones fijas forman unas moléculas determinadas, pueden desligarse unos de otros por rotura de sus enlaces y reunirse nuevamente de diferente manera, dando lugar, por tanto, a nuevas moléculas. El efecto conjunto de estas transformaciones moleculares se traducirá en un cambio observable de sustancia o cambio químico. Dicho proceso de transformación recibe el nombre de reacción química. En las reacciones químicas la sustancia o sustancias iniciales se denominan reactivos y las finales productos; el proceso de transformación se representa mediante las llamadas ecuaciones químicas en la forma: Reactivos Productos Tanto los reactivos como los productos se escriben mediante sus fórmulas correspondientes. La flecha indica el sentido de la transformación. Si es posible conviene indicar en la ecuación química el estado físico de reactivos y productos, el cual se suele expresar mediante las siguientes abreviaturas situadas a continuación de la fórmula química: (s) sólido, (l) líquido, (g) gas, (aq) solución acuosa Cada uno de los símbolos químicos que aparecen en la ecuación no sólo constituye la abreviatura del nombre del elemento correspondiente, sino que además representa un átomo de dicho elemento. Análogamente sucede con la fórmula de un compuesto, la cual designa a dicho compuesto y muestra los átomos (o los iones) que componen su molécula (o su agregado iónico elemental) así como la relación numérica entre ellos. Esta forma simbólica de escribir las reacciones químicas constituye, por tanto, la descripción de las transformaciones a nivel molecular que aquéllas implican. Sustancias de una reacción química: Reactivos: Sustancias iniciales Productos: Sustancias finales Información de una reacción química: Cualitativa: Especies químicas que intervienen. Cuantitativa: Proporción en que intervienen (coeficientes estequiométricos). Ácido clorhídrico + hierro cloruro de hierro (II) + hidrógeno 2 moles + 1 mol 1 mol + 1 mol 1

2 La conservación de la masa: Toda reacción química establece una relación cualitativa entre reactivos y productos, pues expresa la naturaleza de éstos en función de la de aquéllos. Pero, además, fija las proporciones o cantidades medibles en las que unos y otros intervienen. El fundamento de esta relación cuantitativa entre las diferentes sustancias que participan en una reacción dada fue establecido en la última mitad del siglo XVIII por el químico francés Antoine Laurent Lavoisier ( ). La aplicación de la balanza y de la medida de masas al estudio de multitud de reacciones químicas le permitió descubrir que en cualquier proceso químico la suma de las masas de las sustancias que intervienen (reactivos) es idéntica a la de las sustancias que se originan como consecuencia de la reacción (productos). Es decir, en toda reacción química la masa no se crea ni se destruye, sólo cambia de unas sustancias a otras. La teoría atómica dio una sencilla interpretación a esta ley de conservación. Si los átomos no son alterados esencialmente en las reacciones químicas, sino únicamente las moléculas, el número de átomos de cada elemento que constituye los reactivos ha de coincidir exactamente con el correspondiente de los productos, por lo que la masa total en juego se mantendrá constante en la reacción. La ley de conservación de la masa de Lavoisier constituyó una pieza fundamental en el desarrollo y consolidación de la química como ciencia. Número de oxidación: El número de oxidación de un átomo es el número de electrones que un átomo involucra en la unión química Cuáles son las reglas para asignar los números de oxidación? 1 El número de oxidación de cualquier sustancia simple es cero. H 2 = 0; Na = 0 2 El número de oxidación del hidrógeno en un compuesto químico es +1, excepto en los hidruros metálicos donde se le asigna el valor 1. H 2 O (agua) H = +1; NaH (hidruro de sodio) H= 1. 3 El números de oxidación del oxígeno en un compuesto es 2, excepto en los peróxidos donde es 1. Na 2 O (oxido de sodio) O = 2; H 2 O 2 (agua oxigenada) O = 1. 4 El número de oxidación de los iones monoatómicos (cationes y aniones) es igual a su carga. Na + = +1; Ca +2 = +2 5 La suma algébrica de los números de oxidación de los elementos que forman un compuesto, multiplicado por la cantidad de átomos de cada uno de ellos, debe ser igual a cero. El ajuste de las ecuaciones químicas: El conocimiento de cuestiones tales como qué productos cabe esperar a partir de unos reactivos determinados, qué reactivos darán lugar a ciertos productos o incluso si una reacción dada es o no posible, son cuestiones que se aprenden con la práctica. Sin embargo, conocidos los reactivos y los productos, el ajuste de la reacción correspondiente constituye una mera consecuencia de la ley de Lavoisier de conservación de la masa. Además ésta es una operación previa a la realización de muchos de los problemas de química básica. Uno de los procedimientos habituales empleados para ajustar una reacción química puede describirse en los siguientes términos: 2

3 1) Se escribe la reacción química en la forma habitual: 2) Se cuenta el número de átomos de cada elemento en uno y otro miembro de la ecuación. Si son iguales para cada uno de los elementos presentes, la ecuación está ajustada. 3) Si no es así, será preciso multiplicar las fórmulas de los reactivos y productos por ciertos coeficientes tales que produzcan la igualdad numérica deseada. La búsqueda de este conjunto de coeficientes puede hacerse mediante tanteos. Método por tanteo: se trabaja por comparación de números de átomos de cada elemento en ambos miembros de la ecuación. No obstante, este procedimiento de ensayo y error no siempre es efectivo y puede ser sustituido por otro más sistemático, que equivale a plantear un sistema de ecuaciones con dichos coeficientes como incógnitas, llamado método algebraico. Método algebraico: EJEMPLO 1: Tornando como ejemplo de referencia la reacción de combustión del propano: C 3 H 8 + O 2 CO 2 + H 2 O 1) Se fijan unos coeficientes genéricos a, b, c, d: a C 3 H 8 + b O 2 c CO 2 + d H 2 O 2) Se impone la ley de conservación de la masa a nivel atómico, para lo cual se iguala, para cada elemento diferente, el producto de su subíndice por su coeficiente, en ambos miembros de la ecuación química: Igualdad 1 Para el C 3a = c Igualdad 2 Para el H 8a = 2d Igualdad 3 Para el O 2b = 2c + d 3) Se resuelve el sistema. Le doy un valor arbitrario a uno de los coeficientes, ya que tengo tres ecuaciones con cuatro incógnitas: a = 1 (1 valor arbitrario) entonces reemplazo en la primera igualdad 3. 1 = c 3 = c ahora reemplazo en la segunda igualdad 8. 1 = 2d 8/2 = d 4 = d por ultimo remplazo en la última igualdad 2. b = b = 10 3

4 b = 10/2 b= 5 Si una vez resuelto el sistema, los coeficientes resultantes fueran fraccionarios, se convierten en enteros multiplicando todos ellos por su mínimo común denominador. 4) Se sustituyen los valores en la ecuación de partida y se comprueba que el ajuste es correcto mediante el correspondiente recuento de átomos de cada elemento en uno y otro miembro de la ecuación química: C 3 H O 2 3 CO H 2 O EJEMPLO 2: a MnO 2 + b HCl c MnCl 2 + d Cl 2 + e H 2 O Mn: a = c O: 2 a = e H: b = 2 e Cl: b = 2 c + 2 d asignamos a = 1 Mn: si a = 1 entonces c = 1 O: 2. 1 = e 2 = e H: b = 2. 2 b = 4 Cl: b = d 4 = d 4 2 = 2 d 2 = 2 d 2/2 = d 1 = d Ya resolvimos las incógnitas, ahora reemplazamos en la ecuación. MnO HCl MnCl 2 + Cl H 2 O Verificamos si se cumple la ley de acción de masas. Tipos de reacciones químicas: El reagrupamiento que experimentan los átomos de los reactivos en una transformación química puede ser de diferentes tipos. He aquí algunos de ellos: Reacciones de síntesis o combinación. Varias sustancias se unen para formar un nuevo compuesto. Se caracterizan porque los productos son sustancias más complejas, desde un punto de vista químico, que los reactivos. La formación de un compuesto a partir de sus elementos correspondientes es el tipo de reacción de síntesis más sencilla. Pueden ser: 4

5 de combinación de dos sustancias simples para formar un compuesto. de combinación de una sustancia simple y una sustancia compuesta para formar un compuesto. de combinación de dos sustancias compuestas para formar un compuesto. Así, el cobre, a suficiente temperatura, se combina con el azufre para formar sulfuro de cobre (I) según la reacción: 2 Cu (s) + S (s) Cu 2 S (s) Reacciones de descomposición. Al contrario que en las reacciones de síntesis, los productos son en este caso sustancias más sencillas que los reactivos. Pueden ser: descomposición de un compuesto en dos sustancias simples. descomposición de un compuesto en una sustancia simple y una compuesta. descomposición de un compuesto en dos sustancias compuestas. Así, cuando el carbonato de cobre se calienta fuertemente se descompone según la reacción: CuCO 3 (s) CuO (s) + CO 2 (g) Reacciones de óxido reducción: son aquellas reacciones en las que hay transferencia de electrones de un átomo o ion a otro átomo o ion. Se produce una oxidación, los átomos o iones ceden electrones y una reducción, los átomos o iones aceptan o ganan electrones. Fe + 2 HCl FeCl 2 + H 2 Reacciones de combustión: ciertas sustancias arden en presencia de oxigeno liberando luz y calor y, a menudo, con producción de llama. Este tipo de reacción redox se denomina de combustión. Para que se produzcan es necesario un aporte externo de energía, como por ejemplo la chispa que se produce en el encendido de la hornalla. En toda combustión la sustancia que arde se conoce como combustible, mientras que el otro reactivo (casi siempre el oxígeno) se denomina comburente. Las combustiones más frecuentes son los materiales orgánicos que contienen carbono e hidrogeno, el producto de estas reacciones puede ser monóxido de carbono y agua si la combustión es incompleta o dióxido de carbono y agua se la combustión es completa. CH O 2 CO H 2 O ACTIVIDADES: 1) Qué representa una reacción química? 2) En que se basa para balancear una ecuación química? 3) Qué indican los coeficientes estequiometricos? 4) Qué información suministra una ecuación química balanceada? 5

6 5) Qué entiende por oxidación de una especie química? 6) Qué entiende por reducción de una especie química? 7) Completar: Las sustancias presentes antes de que se produzca una reacción química se llaman y las sustancias presentes después de la reacción son El número y la clase total de átomos presentes antes y después de una reacción química debe ser. En una reacción química ordinaria los no se crean ni se destruyen. Una reacción en que un compuesto reacciona con rapidez con oxígeno elemental, por lo general con liberación de calor o luz se llama reacción de. La formación de un compuesto por combinación directa de dos o más sustancias elementales o a partir de compuestos más simples se llama reacción de. 8) Encontrar los coeficientes estequiometricos para las siguientes reacciones por el método algebraico: a) SnCl 2 + HgCl 2 SnCl 4 + Hg 2 Cl 2 b) P 4 + O 3 P 2 O 5 c) Mg + H 2 O MgO + H 2 d) CaO + H2O Ca(OH) 2 e) Fe + HCl FeCl 3 + H 2 f) MnO 2 + HCl MnCl 2 + Cl 2 + H 2 O g) NH 3 + O 2 NO + H 2 O 9) Identifique cuales son los reactivos y productos en las reacciones del ejercicio 7. 10) Balance las siguientes ecuaciones químicas y califíquelas según el tipo de reacción. a) NaHCO 3 (S) CO 2 (g) + H 2 O (g) b) Na (s) + H 2 O (l) NaOH (ac) + H 2 (g) c) Mg (s) + HNO 3 (ac) Mg(NO 3 ) 2 (ac) + H 2(g) d) CH 3 OH (l) + O 2 (g) CO 2 (g) + H 2 O (g) 6

7 e) Fe (s) + S 8 (s) FeS 2 (s) f) C 3 H 8 (g) + O 2 (g) CO 2(g) + H 2 O (g) g) H 3 PO 3 (ac) H 3 PO 4 (ac) + PH 3(ac) h) NH 4 NO 3 (ac) N 2 O (g) + H 2 O (g) 11) Determinar el número de oxidación de los siguientes compuestos: NH 3 N 2 H 4 NH 4 OH N 2 O NO HNO 2 N 2 NO 2 HNO 3 H 2 CrO 4 SO 2 H 2 S Na 2 SO 3 H 2 SO 4 S 8 K 2 CrO 4 Cr 2 O 3 K 2 Cr 2 O 7 Cr(OH) 3 7