2. Características de los procesos químicos. Leyes ponderales.

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1 RESUMEN de la UNIDAD 9. LA REACCIÓN QUÍMICA 1. Formulación de compuestos inorgánicos Visto anteriormente. 2. Características de los procesos químicos. Leyes ponderales. A diferencia de los cambios físicos, en los que no se modifica la naturales de las sustancias que intervienen, en los cambios químicos las sustancias químicas que se pone en contacto, se transforman y dan lugar a otras sustancias diferentes. Estos cambios se representan mediante lo que se llama una reacción química. Las sustancias iniciales se llaman reactivos y las que se obtienen, productos. REACTIVOS PRODUCTOS Normalmente sabemos cuándo se producen las reacciones químicas porque observamos determinados cambios, como pueden ser la formación de un gas o de un sólido, la desaparición de un sólido, la aparición de humo, etc. Para explicar los cambios que experimentan los reactivos para transformarse en productos, se utiliza la TEORÍA DE LAS COLISIONES. Según esta teoría, la reacción química se produce cuando las partículas de los reactivos chocan entre sí y se rompen los enlaces que mantienen unidos sus átomos. Estos átomos se reorganizan y se unen de manera diferente dando lugar a los productos. La teoría de las colisiones predice que para que el choque sea eficaz y se produzca la ruptura de los enlaces, las partículas que reaccionan tienen que chocar con la energía suficiente (para que se rompan las uniones entre sus átomos) y con la orientación adecuada (para que los átomos se puedan unir y formar los productos). Si no se dan estas circunstancias, el choque no es eficaz y no hay reacción química. Las primeras leyes que se aplican en Química reciben el nombre de leyes ponderales porque se refieren a las masas que intervienen en las reacciones químicas Ley de Lavoisier o de conservación de la masa Lavoisier expuso la primera ley ponderal, la ley de conservación de la masa, que dice que en una reacción química, la materia ni se crea ni se destruye, sino que se transforma. La masa total de las sustancias que reaccionan coincide con la masa total de las sustancias que se forman. 3. Medida de la masa de las sustancias: el mol Aunque en el sistema internacional de unidades la masa se expresa en kilogramos, en química resulta más adecuado utilizar el mol como unidad de cantidad de sustancia Mol de átomos y número de Avogadro La masa de un átomo es la suma de las masas de los protones, neutrones y electrones que lo forman. Como esas partículas tienen una masa muy pequeña, a escala atómica utilizamos la unidad de masa atómica (u) que coincide, aproximadamente, con la masa de un protón o de un neutrón. En el laboratorio manejamos masas del orden del gramo, por lo que necesitamos definir un múltiplo de la unidad de masa atómica. 1

2 Un mol de átomos o de moléculas es la cantidad de un elemento químico o de una molécula, equivalente a la que representa su masa atómica o molecular expresada en gramos. El químico italiano Avogadro enunció la siguiente hipótesis. En un mol de cualquier sustancia siempre hay el mismo número de partículas. Ese número fue determinado por el físico Rayleigh y, en honor al químico italiano, se llama número de Avogadro (N A ). Su valor es N A = 6, Mol de una sustancia. Masa molar La fórmula de un compuesto nos indica los átomos de cada elemento que forman su molécula, o el equivalente a una molécula, en el caso en que se trate de un cristal. El metano es un compuesto molecular. Su fórmula, CH 4, indica que cada molécula de ese compuesto está formada por 1 átomo de carbono y 4 átomos de hidrógeno. El cloruro de calcio es un cristal. Su fórmula, CaCl 2, indica que en el compuesto hay 1 átomo de calcio por cada 2 átomos de cloro. La masa molecular de un compuesto se obtiene sumando la masa atómica de cada uno de sus elementos. Masa molecular del CH 4 = Masa del C + 4 Masa del H = = 16 u Masa molecular del CaCl 2 = Masa del Ca + 2 Masa del Cl = ,5 = 111 u Teniendo en cuenta la definición de mol: 1 mol de metano es una cantidad equivalente a 16 g de CH 4 y contiene 6, moléculas de CH 4. 1 mol de cloruro de calcio es una cantidad equivalente a 111 g de CaCl 2 y contiene 6, cristales de CaCl 2. Se llama masa molar a la masa de 1 mol de sustancia. La masa molar coincide con la masa molecular expresada en gramos. Masa molecular del CH 4 = 16 u Masa molar del CH 4 = 16 g Masa molecular del CaCl 2 = 111 u Masa molar del CaCl 2 = 111 g 3.3. Volumen molar Avogadro estudió el comportamiento de los gases en las reacciones químicas y dedujo que, cuando en una reacción química intervienen varios gases que se encuentran en las mismas condiciones de presión y temperatura, la proporción en la que se combinan sus moléculas es la misma que la proporción en volumen. El volumen que ocupa un gas depende de las condiciones en que se encuentra. Un mol de cualquier gas a 1 atm de presión y a una temperatura de 0 ºC, ocupa un volumen de 22,4 L, y se conoce como volumen molar. 2

3 4. La concentración de las disoluciones Las disoluciones son mezclas homogéneas de dos o más sustancias. Al componente que está en mayor proporción se le llama disolvente y a los demás, solutos. La concentración de una disolución indica en qué proporción se encuentra el soluto en una disolución. Es una medida importante para conocer la cantidad de soluto que tenemos en una determinada cantidad de disolución. Hay distintas formas de expresar la concentración de una disolución. El porcentaje en masa nos indica la masa de soluto que hay en 100 unidades de masa de disolución. % m soluto = m soluto m disolución 100 El porcentaje en volumen nos indica el volumen de soluto que hay en 100 unidades de volumen de disolución. % V soluto = V soluto V disolución 100 La concentración en masa nos indica la masa de soluto que hay en cada unidad de volumen de disolución. c (g/l) = m soluto V disolución La molaridad indica el número de moles de soluto que hay en cada litro de disolución. M = n soluto V disolución 5. Cálculos en las reacciones químicas Al trabajar con reacciones químicas, a menudo hay que conocer las cantidades de un producto que se obtienen a partir de una determinada cantidad de un reactivo, o bien la cantidad de un reactivo que hace falta para obtener una determinada cantidad de producto. Los cálculos que se refieren a las cantidades de las sustancias que intervienen en una reacción química se llaman cálculos estequiométricos. Para hacer cálculos estequiométricos sobre una reacción hay que escribir su ecuación química, ajustarla y luego establecer las relaciones adecuadas entre las cantidades de las sustancias que intervienen Ecuaciones químicas. Ajuste de reacciones químicas De la misma forma que utilizamos símbolos para representar las fórmulas de los elementos y los compuestos, para el estudio de las reacciones químicas se emplea la ecuación química. Como norma general, para escribir e interpretar correctamente una ecuación química se debe tener en cuenta que: Las fórmulas químicas dan la composición atómica de cada sustancia. En el lado izquierdo de la ecuación se escriben las fórmulas de las sustancias iniciales o reactivos y las de las sustancias finales, o productos, se escriben a la derecha. Los reactivos y los productos se conectan mediante una flecha ( ) que significa reaccionan para formar. 3

4 Ejemplo: El amoniaco reacciona con el oxígeno molecular formándose nitrógeno molecular y agua. 4 NH O 2 2 N H 2 O Ajustar una ecuación química es colocar delante de cada fórmula un número, denominado coeficiente estequiométrico, de forma que el número de átomos de cada elemento sea el mismo en ambos lados de la ecuación. Los coeficientes estequiométricos se pueden calcular de forma algebraica (matemática); es decir, planteando un sistema de ecuaciones lineales donde los coeficientes estequiométricos sean las incógnitas. Sin embargo, de forma general, se utiliza el método de tanteo; se trata de ir probando distintos valores hasta que se consigue el ajuste, para lo cual se aplican las siguientes reglas: Tanto si se utiliza el métodp de tanteo como la forma algebraica, la solución no es única. Por eso, se elige el conjunto de números enteros de menor valor posible. Aunque carecen de sentido físico, cuando interpretamos la ecuación química a nivel atómico-molecular, es válido escribir coeficientes fraccionarios semienteros (1/2, 3/2, etc.) para expresar cantidades. Conviene ajustar primero los elementos que aparezcan únicamente en un compuesto de cada lado de la reacción. Si alguna sustancia es un elemento libre (Fe, C, O 2, etc.) se ajusta en último lugar Cáculos estequiométricos Al conjunto de operaciones matemáticas que, utilizando la estequiometria de una reacción, permite calcular la cantidad de una sustancia a partir de una cantidad conocida de otra, se le da el nombre de cálculos estequiométricos. La base de estos cálculos son, por tanto, las ecuaciones químicas. Existen muchos métodos de cálculo equivalentes; el más directo consiste en partir de la relación en moles entre las distintas sustancias y establecer los factores de conversión necesarios. El proceso a seguir se puede descomponer en cuatro pasos: 1. Escribir la ecuación química ajustada para obtener la estequiometria. 2. Relacionar la masa de la sustancia conocida con su masa molar. 3. Expresar la relación en moles entre la especie química de la que se poseen los datos, y la especie química problema. 4. Transformar la cantidad en moles obtenida en las unidades del enunciado. Este paso requerirá nuevamente el uso del concepto de masa molar y, a veces, el empleo de la ecuación de los gases, de la densidad o de las diferentes formas de expresar la concentración de una disolución. 5. Establecer los factores de conversión necesarios para resolver cada uno de los pasos anteriores. 6. Termoquímica básica. Identificación de reacciones exotérmicas y endotérmicas La rotura y la formación de enlaces que tienen lugar en las reacciones químicas hacen que en casi todas ellas se produzca un intercambio de energía en forma de calor. En la mayoría de las reacciones, la energía que se necesita para romper los enlaces existentes entre los átomos de los reactivos es menor que la que se desprende cuando se forman los enlaces en los productos. En este tipo de reacciones, en el proceso global se desprende energía, por lo que se denominan exotérmicas. En caso contrario, el proceso global necesita que se le aporte energía, por lo que se denominan endotérmicas. 4

5 7. Cinética química básica. Factores que influyen en la velocidad de reacción Llamamos velocidad de una reacción a la rapidez con que los reactivos se transforman en productos. Las reacciones químicas pueden ser muy rápidas o muy lentas. En determinadas ocasiones nos interesa modificar la velocidad de una reacción, ralentizarla en el caso de la descomposición de los alimentos o la oxidación de los metales o acelerarla en la formación industrial del amoniaco. Teniendo en cuenta la teoría de las colisiones, podremos modificar la velocidad de una reacción variando algunas condiciones. La temperatura La concentración de los reactivos La superficie de contacto Los catalizadores Cuanto mayor sea la temperatura, mayor será la energía de los reactivos y será más fácil que los enlaces existentes entre sus átomos se rompan cuando choquen entre sí. Un aumento de temperatura aumenta la velocidad de una reacción. Un descenso de la temperatura disminuye la velocidad de una reacción. Cuanto mayor sea la concentración de los reactivos, más fácil será que las partículas se encuentren y puedan chocar entre sí. Un aumento en la concentración de los reactivos aumenta la velocidad de una reacción. Un descenso en la concentración de los reactivos disminuye la velocidad. Si en una reacción interviene un sólido, cuanto más pulverizadas se encuentren sus partículas, más fácil será que los reactivos interaccionen. La reacción transcurrirá también a mayor velocidad cuando se trate de un sólido disuelto ya que sus partículas estarán más separadas. Al disminuir el tamaño de las partículas de los reactivos aumenta la velocidad de una reacción. Si las partículas de los reactivos son mayores, la reacción es más lenta. Los catalizadores son sustancias que, incluso en cantidades muy pequeñas, aumentan notablemente la velocidad de una reacción química sin formar parte activa en el proceso químico. No son ni reactivo ni producto, por lo que no aparecen en la ecuación química; se recuperan al final del proceso en el mismo estado, y pueden utilizarse de nuevo en otro proceso. 8. Tipos de reacciones químicas Reacciones de formación o síntesis: Se denominan así porque dos o más sustancias reaccionan entre sí para dar otra más compleja. Ejemplos: H 2 + I 2 2 HI CaO + H 2 O Ca(OH) 2 Reacciones de descomposición: Reacciones en las que una sustancia se descompone en dos o más sustancias. Ejemplos: (NH 4 )Cr 2 O 7 Cr 2 O 3 + H 2 O + N 2 CaCO 3 CaO + CO 2 5

6 Reacciones de sustitución o desplazamiento: Uno de los elementos de un compuesto es sustituido por otro. Una de las reacciones más características de este tipo es la de un ácido con algunos metales. Un caso típico de sustitución doble es la reacción de un ácido y un hidróxido, que origina siempre una sal y agua. Ejemplos: Zn + 2 HCl Zn Cl 2 + H 2 H 2 SO NaOH Na 2 SO H 2 O Reacciones de precipitación: Es un tipo de doble sustitución que transcurre, en general, en disolución acuosa. La partícula intercambiada es un ion y se origina la precipitación de una especie química. Ejemplos: 2 HI (aq) + Pb(NO 3 ) 2 (aq) 2 KNO 3 (aq) + PPbI 2 (s) Reacciones de oxidación-reducción (redox): Se llaman también de transferencia de electrones, al ser esta partícula la que se transfiere. La sustancia que toma electrones, el oxidante, experimenta un proceso de reducción, y la que los cede, el reductor, se oxida. Ejemplo: El óxido de hierro (III) se reduce a hierro en presencia de carbono, mientras que este último se oxida. Fe 2 O C 2 Fe + 3 CO Reacciones ácido-base: En ellas se transfiere un protón, H +. Los ácidos ceden protones y las bases los aceptan. Ejemplo: El ácido clorhídrico es un ácido frente al agua porque le cede un protón. HCl + H 2 O Cl + H 3 O + El amoniaco es una base frente al agua porque acepta un protón de ésta. NH 3 + H 2 O NH OH 6