REACCIONES QUÍMICAS. UNIDAD 14 LIBRO Págs UNIDAD 15 LIBRO Págs

Transcripción

1 REACCIONES QUÍMICAS UNIDAD 14 LIBRO Págs UNIDAD 15 LIBRO Págs

2 CONCEPTOS PREVIOS

3 Los conceptos de energía de activación y reacciones endotérmicas y exotérmicas se estudian en detalle en el apartado de velocidad de reacción

4 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 ha 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 oxígenooxígeno de la molécula de O 2 y también se ha formado el enlace iónico entre Cl - y K + en el cloruro de potasio (KCl)

5 TEORÍAS EXPLICATIVAS DE LAS REACCIONES QUÍMICAS

6 1. Teoría de las colisiones PÁG. 321 LIBRO Para que se produzca una reacción química, las partículas de las sustancias reaccionantes (reactivos) deben chocar entre sí y romper los enlaces que les mantienen unidos para después volverse a unir de diferente forma dando lugar a los productos. Según esta teoría para que se dé una reacción química deben cumplirse tres requisitos: Las partículas (átomos, moléculas, iones..) de las sustancias reaccionantes deben colisionar entre sí Los choques (colisiones) deben ser lo suficientemente energéticos (fuertes) Los choques deben producirse con la orientación adecuada Los choques deben ser eficaces (no todos los choques y colisiones entre partículas dan lugar a una reacción)

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8 Por ejemplo, al juntar el hidrógeno y el oxígeno no se produce la reacción, aunque hay choques. Debemos calentar para que los choques sean más energéticos, aumente el número de choques eficaces y comience la reacción. Esta energía que comunicamos para conseguir choques eficaces y que comience la reacción es la energía de activación.

9 2. Teoría del estado de transición PÁG Moléculas chocan y quedan unidas temporalmente formando un complejo activado o de transición - Moléculas reactivas rompen sus enlaces - El complejo activado es muy inestable (alta energía y rápida descomposición) - En la descomposición del complejo activado se da lugar a los productos - Según esta teoría, la energía de activación es la energía necesaria para formar el complejo activado y que se inicie la reacción Ver gráficas libro, pág. 321

10 PÁG. 295 LIBRO TIPOS DE REACCIONES

11 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)

12 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)

13 REACCIONES DE ESPECIAL IMPORTANCIA

14 Reacciones de neutralización ácido-base Una reacción de neutralización ácido-base es una reacción 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) 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:

15 Reacciones 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. En esta situación el ph=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.

16 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

17 PÁG. 321 CH 4 + 2O 2 CO 2 + 2H 2 O Combustión de metano (componente principal del gas natural)

18 Reacciones de transferencia de electrones (oxidación-reducción) Oxidación es el proceso en el que una sustancia pierde electrones Reducción es el proceso en el que una sustancia gana electrones No puede producirse una oxidación sin que simultáneamente tenga lugar una reducción Por lo tanto un proceso o reacción de oxidación-reducción (redox) es aquel en el que se produce el intercambio de electrones de unas sustancias a otras; una sustancia cede electrones y la otra sustancia los capta: La sustancia que pierde electrones se dice que se oxida (oxidación). Esta sustancia es el agente reductor, pues favorece que la otra sustancia se reduzca al cederle sus electrones La sustancia que acepta los electrones de la otra sustancia se dice que se reduce (reducción). Esta sustancia que gana electrones es el agente oxidante (favorece que la otra sustancia se reduzca)

19 Reacciones de transferencia de electrones (oxidación-reducción) Ejemplo de reacción redox Reacción global; Fe + Cl 2 FeCl 2 Semirreacción de oxidación; Fe Fe e - Semirreacción de reducción; Cl 2 + 2e - 2Cl - En este ejemplo el Fe cede electrones y se oxida, mientras que el Cl acepta estos electrones y se reduce. Por lo tanto, el Fe es el agente reductor y el Cl es el agente oxidante

20 Reacciones de transferencia de electrones (oxidación-reducción) Ejemplo de reacción redox Reacción global; C 6 H 12 O 6 + 6O 2 6CO 2 + 6H 2 O En este ejemplo la glucosa se oxida, siendo el aceptor final de electrones el O 2 (agente oxidante), que se reduce. Además, se libera energía (es exotérmica)

21 EXPRESIÓN Y AJUSTE DE REACCIONES QUÍMICAS

22 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 moleculares, 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)

23 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 unos coeficientes delante de cada sustancia para que el nº de átomos de cada elemento a ambos lados de la reacción SEA EL MISMO y así se cumpla la Teoría de Dalton Ejemplo; KClO 3 KCl + 3/2O 2 // 2KClO 3 2KCl + 3O 2

24 Métodos de ajuste de reacciones (Ver libro pág. 292, ejemplos 1 y 2) Por tanteo Por sistema de ecuaciones ACTIVIDADES 3 y 4 PÁG. 293

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26 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 moléculas de KCl y tres moléculas de O 2 Interpretación molar. Por cada dos moles de KClO 3 que se descomponen, se forman dos moles de KCl y 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

27 PÁGS LIBRO CÁLCULOS ESTEQUIOMÉTRICOS

28 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

29 Cálculos estequiométricos 1. Cálculos con masas 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

30 Cálculos estequiométricos 2. Cálculos con volúmenes de gases 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

31 Cálculos estequiométricos 3. Cálculos con reactivo limitante Reactivo limitante; reactivo cuya cantidad se consume totalmente Reactivo en exceso; reactivo cuya cantidad no se consume en su totalidad (sobra cantidad) Si no 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 (del que se obtenga un número mayor) 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

32 Cálculos estequiométricos 3. Cálculos con reactivo limitante 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

33 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

34 PÁG. 304 LIBRO RENDIMIENTO DE UNA REACCIÓN

35 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 al 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 %

36 ACTIVIDADES HOJA DE EJERCICIOS

37 PÁGS LIBRO OBTENCIÓN INDUSTRIAL DE MATERIALES

38 PÁGS LIBRO VELOCIDAD DE REACCIÓN CINÉTICA QUÍMICA

39 Velocidad de reacción PÁG. 320 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

40 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

41 VER GRÁFICA PÁG. 321 Efinal < Eo (Einicial)

42 VER GRÁFICA PÁG. 321 Ef > Eo

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

44 Factores que influyen en la velocidad de reacción PÁG. 322 Naturaleza de los reactivos - Velocidad de reacción depende del tipo de unión de los reactivos Temperatura - Tª Ecinética de 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

45 Factores que influyen en la velocidad de reacción PÁG. 323 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 consume 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

46 Ejemplo de catalizador positivo. 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). Al reducirse la Ea, aumentará la velocidad de reacción, por lo que se trata de un catalizador positivo.