Unidad 9
Reacciones y ecuaciones químicas
9.1 Reacciones químicas
Básicamente las reacciones químicas son la transformación de unas sustancias iniciales llamadas reactivos en otras llamadas productos de naturaleza diferente. El proceso mediante el cual se producen estas transformaciones se conoce como reacción química. Las sustancias o elementos reactivos rompen determinados enlaces y reparten sus átomos de forma diferente, produciendo nuevos enlaces y productos.
Un ejemplo es la reacción entre el ácido clorhídrico y el hidróxido de sodio para producir cloruro de sodio y agua.
9.2 Leyes ponderables en las reacciones químicas
Son leyes que establecen una relación de masa y volumen entre compuestos químicos. Las que estudian las relaciones de masa, reciben el nombre de ponderables y las que se ocupan de las relaciones de volumen, se llaman volumétricas.
9.2.1 Ley de Lavoisier (conservación de la materia)
"La materia no se crea ni se destruye, solamente se transforma". En cualquier proceso químico o físico, la masa de los cuerpos que intervienen durante el proceso no varía. La teoría de la conservación de la materia fue desarrollada luego en forma más específica por Albert Einstein (1879-1955), a través de la fórmula:
Fórmula que relaciona la masa y la energía de un cuerpo como principio fundamental de la conservación de la materia. Para que esta ley se cumpla en una reacción química, se necesita que la ecuación esté correctamente balanceada, es decir, que exista igual número de átomos en cada uno de los lados de la ecuación.
9.2.2 Ley de Proust o de las proporciones definidas
Se refiere a la masa de los cuerpos "cuando varios elementos se mezclan para formar otro compuesto, siempre lo realizan en la misma cantidad o proporción de masa". Un ejemplo lo constituye el Cloruro de sodio NaCl, cuya composición siempre es constante 39.3% de sodio y 60.7% de cloro.
9.2.3 Ley de Dalton o de las proporciones múltiples
El resultado de una serie de experimentos, dio lugar a que el químico inglés Jhon Dalton (1766-1844) estableciera el siguiente enunciado: "Las diferentes sumas de un elemento o compuesto que se combinan con otro para formar compuestos diferentes, están en función de unas proporciones numéricas fijas, siendo estos números enteros y sencillos".
9.2.4 Ley de Richter-Werzel (Ley de la proporcionalidad)
La relación numérica que establece la masa de los elementos que en una reacción química pueden combinarse para crear nuevos compuestos está en función del cociente entre los pesos atómicos de los elementos que se combinan.
Ejemplo: En la reacción química para producir ácido clorhídrico (HCl), se combinan el hidrógeno y el cloro, se tiene que la relación entre las masas de cloro y de hidrógeno debe ser de 35.5 de cloro y 1 de hidrógeno.
9.3 Clases de reacciones químicas
De acuerdo con la clase de transformación que se presente, pueden ser:
9.3.1 Combinación o síntesis
Sucede cuando se fusionan o se unen dos o más sustancias para formar una sustancia nueva.
9.3.2 Descomposición
Sucede cuando a partir de un compuesto, se originan dos o más sustancias.
Por acción del calor, el carbonato de calcio se descompone para dar como resultado óxido de calcio y dióxido de carbono.
9.3.3 De desplazamiento o sustitución
Se presenta cuando un elemento reemplaza y desprende a otro elemento que está en un compuesto.
9.3.4 De intercambio o doble sustitución
Al presentarse una reacción entre dos compuestos, estos intercambian elementos y generan dos nuevos compuestos.
9.3.5 Según el intercambio de calor. Pueden ser reacciones exotérmicas (produce desprendimiento de calor), y endotérmicas (se presenta una absorción de calor).
9.3.6 Iónicas
Hay compuestos que en determinadas reacciones no aportan moléculas sino iones, este tipo de compuestos reciben el nombre de iónicos. En una reacción iónica, el fenómeno de ionización se presenta cuando hay una separación de iones.
Ejemplo:
9.3.6.1 Iónicas de precipitación
En algunas reacciones iónicas forman sustancias insolubles que se depositan en el fondo del recipiente (precipitados).
9.3.6.2 Iónica neta
Hay reacciones iónicas que muestran claramente los iones que al unirse han dado lugar a la reacción, este tipo de reacción recibe el nombre de Ecuación iónica neta.
9.4 Ecuación química
Una ecuación química es la representación cuantitativa, simplificada y precisa de una transformación o reacción química. Los elementos se representan por símbolos, a diferencia de los compuestos químicos que se representan por fórmulas. En una ecuación química, las sustancias o elementos reactivos se escriben a la izquierda y los productos a la derecha, separados generalmente por una flecha.
9.5 Escritura de ecuaciones químicas
1. En la ecuación química se debe determinar en forma correcta y precisa los reactivos y productos que forman la ecuación.
2. Se escriben las fórmulas moleculares de las sustancias que intervienen en la ecuación.
3. Se indica el estado físico de cada uno de los reactivos y de los productos, utilizando los siguientes símbolos:
(g) Estado gaseoso.
(l) Estado líquido.
(s) Estado sólido
(ac) Estado acuoso.
Generalmente estos símbolos no se tienen en cuenta y se escriben sólo cuando es estrictamente necesario.
4. Los reactivos se separan de los productos generalmente por medio de los siguientes símbolos:
5. Tanto los reactivos como los productos se separan por medio del signo +.
7. En algunos casos se representa también:
8. La ecuación química debe estar correctamente balanceada, ( el número de átomos y moles de los productos debe ser igual a los reactivos).
Ejemplo:
Una reacción muy común es la que se sucede al combinarse en condiciones específicas el amoníaco con el oxígeno, produciendo monóxido de nitrógeno y agua. Escribiendo las fórmulas químicas de todos los reactivos y productos, se tiene:
Se observa que la ecuación no está ajustada adecuadamente, en el primer miembro aparecen 3 átomos de hidrógeno en la molécula de amoníaco, y 2 átomos en molécula de agua. Para balancear la ecuación, se comienza por el tanteo en los coeficientes empleando números enteros y pequeños. El nitrógeno en los dos miembros de la ecuación aparece con un solo átomo, lo que significa que este elemento se encuentra ajustado. El hidrógeno en el lado izquierdo presenta 3 átomos y en lado derecho 2, para ajustar el elemento se intercambia el número de átomos y se utiliza como coeficiente, veamos:
Quedando así, el elemento con el mismo número de átomos en los dos miembros de la ecuación. Al ajustar el hidrógeno, se ha desajustado el nitrógeno porque han quedado 2 átomos del elemento en lado izquierdo por uno en lado derecho, lo que implica colocar coeficiente 2 al monóxido de carbono (NO), quedando la ecuación:
Como no se recomienda los coeficientes fraccionarios, se multiplican todos los coeficientes por 2, quedando la ecuación debidamente ajustada:
9.6 Equilibrios de oxidación-reducción
El término de oxidación generalmente se ha aplicado a los procesos donde se presenta un consumo parcial o total de oxígeno y específicamente a los procesos de combustión. Por otra parte el término de reducción se relaciona como el proceso inverso al anterior, se presenta la ganancia de electrones de una determinada sustancia. Estos conceptos se han ido ampliando en la medida que se han desarrollado nuevos estudios sobre las estructura electrónica de los átomos y sobre la naturaleza de los enlaces químicos. Actualmente, la oxidación es un proceso químico en el cual se produce una pérdida de electrones, ejemplo el producido en un átomo de sodio al reaccionar con un átomo de cloro para convertirse en un ion sodio:
Como la reducción es el proceso contrario al anterior, implica entonces que durante la reacción se produce una ganancia de electrones por parte del átomo que se reduce.
Ejemplo:
Las reacciones químicas o procesos de óxido-reducción se pueden constatar en disoluciones acuosas mediante el método físico llamado electrólisis.
9.6.1 Estado de oxidación
Todo átomo que forma parte de una sustancia o compuesto, presenta un estado de oxidación expresado mediante su número de oxidación correspondiente, el cual está determinado por el número de electrones ganados o perdidos en relación con la estructura electrónica del átomo.
9.6.2 Determinación del estado de oxidación
Para determinar el estado de oxidación de una sustancia se recomienda seguir las siguientes reglas:
- El estado de oxidación de los átomos y moléculas de los elementos en su estado natural es cero. P4, H2, S8, tienen número de oxidación cero.
- El número de oxidación del hidrógeno es +1, excepto en los hidruros metálicos en los que el estado de oxidación es igual a -1.
- El estado de oxidación del oxígeno es -2, excepto en los peróxidos que presenta número de oxidación igual a 2.
- El número de oxidación de los metales alcalinos es +1 y el de los metales alcalinotéreos +2.
- El número de oxidación de los iones elementales es igual a su carga y el de los átomos que compone un ion molecular equivale a la carga total del ion.
-En un compuesto neutro la suma algebraica de los números de oxidación de todos los elementos presentes es igual a cero.
Tenemos en cuenta las siguientes consideraciones:
- El potasio es un elemento alcalino, luego el número de oxidación es igual a su valencia +1.
-
-El número de oxidación del oxígeno es siempre -2. -2 3 = -6 número de oxidación del oxígeno para el ion.
-Para hallar el numero de oxidación del cloro:
Buscamos en la tabla periódica el número de oxidación mas cercano al seis +5.
Ejemplo:
9.6.3 Balanceo de ecuaciones por oxido-reducción
Para balancear una ecuación por el método de óxido-reducción, es necesario seguir un procedimiento que consta de varios pasos
Ejemplo:
Para balancear la ecuación, primero se debe asignar los números de oxidación a cada uno de los átomos:
Ahora observamos los cambios en el número de oxidación que se ha presentado en cada uno de los átomos, colocando al lado izquierdo el número de oxidación de los reactivos y a la derecha los números de oxidación de los productos:
Se identifican luego los átomos que han cambiado sus números de oxidación y los separamos:
Utilizamos la siguiente tabla, para establecer el cambio de electrones en cada uno de los átomos que ha presentado variación en los números de oxidación:
Resumiendo:
El número de electrones que se ganan en una reacción, debe ser igual al número de electrones perdidos, entonces igualamos multiplicando por los factores:
Resultando:
Se asignan los factores obtenidos como coeficientes en las moléculas respectivas de la ecuación inicial:
Luego, se termina de balancear la ecuación por medio de tanteo, resultando:
9.7 Velocidad de las reacciones químicas
Es el tiempo empleado por los reactantes en alcanzar los productos, la velocidad de reacción involucra una disminución en la concentración de los reactantes con un aumento en la concentración de los productos. La velocidad de reacción la podemos expresar en relación con los reactantes y productos así:
Reactantes o reactivos
La anterior ecuación nos muestra una disminución en la concentración de reactivos en un tiempo dado.
Productos
9.7.1 Factores que afectan la velocidad de reacción
Temperatura: de acuerdo con el tipo de reacción, causa un aumento o disminución en la velocidad de reacción. Generalmente, un incremento en la temperatura ocasiona un aumento en la velocidad de reacción. Pureza de los reactivos: a mayor pureza de los reactivos, mayor velocidad de adquisición de los productos. Catalizadores: son compuestos que aceleran la velocidad de reacción, por lo tanto se alcanza rápidamente los productos.
Estado físico de los reactivos: el tamaño y superficie de contacto de los reactivos afecta la velocidad de reacción. Una cinta de magnesio con HCl reacciona más lentamente que el magnesio en polvo. Concentración de reactivos: al aumentar la concentración de reactivos, se aumenta la velocidad de reacción química.
9.8 Teoría de colisiones y complejo activado
Éstas explican la manera como se produce una reacción química. La teoría de las colisiones postula que las partículas chocan con una energía suficiente para romper y formar enlaces, en dicho choque las partículas deben estar adecuadamente orientadas.
El complejo activado describe el curso de una reacción por una variación en la energía potencial de los reactivos. En una reacción encontramos un producto de la diferencia entre el estado inicial de los reactivos y el complejo activado. El producto de la diferencia lo denominamos energía de activación y es necesario sobrepasarlo para que se lleve a cabo la reacción.
