REACCIONES QUÍMICAS Página 1
TEMA 3- REACCIONES QUIMICAS
0. PRELIMINARES.
0.1.DISOLUCIONES (libro de física y química, SM 3º ESO)
a) SUSTANCIAS PURAS: Materia con composición fija y propiedades constantes y características. No se puede separar en sustancias más simples por procesos físicos. Se distinguen Elementos y Compuestos.
b) MEZCLAS: Materia con composición y propiedades variables. Pueden separarse en otras sustancias más simples por métodos físicos. Se distinguen las mezclas homogéneas y las heterogéneas.
a. MEZCLAS HOMOGÉNEAS: Sus propiedades y composición son iguales en todos sus puntos.
b. MEZCLAS HETEROGÉNEAS: Sus propiedades y composición varían de un punto a otro.
c) DISOLUCIÓN: Un mezcla homogénea. Se distinguen el Soluto y el Disolvente. a. SOLUTO: Sustancia que se disuelve y es el componente que se encuentra
en menor cantidad.
b. DISOLVENTE: Sustancia que disuelve al soluto y es el componente que se encuentra en mayor cantidad.
0.2.FORMAS DE MEDIR LA MATERIA
a) MASA ATÓMICA: Masa de un átomo de un elemento. Se mide en “u”. Es el número de veces que un átomo de un elemento contiene la unidad de masa atómica. Otras unidades que se usan son g/mol o Da (Dalton). Equivalen a lo mismo. Haremos uso de una aproximación de las masas atómicas hasta las décimas.
b) MASAMOLECULAR O MASA FÓRMULA: Masa de una molécula (o fórmula unidad
de una red cristalina) de un compuesto expresada en unidades de masa atómica.
c) MOL es la unidad fundamental para medir la cantidad de materia. Es la cantidad de materia que contiene la constante de Avogadro de partículas elementales, sean átomos, moléculas o iones.
REACCIONES QUÍMICAS Página 2 d) MASA MOLAR: de una sustancia, expresada en gramos, coincide con la masa molecular (o formula), expresada en unidades de masa atómica, y contiene 6.022x1023 átomos o moléculas. Es la masa de un mol de dicha sustancia.
a. Un mol de agua tiene una masa molar de 18 g.
e) VOLUMEN MOLAR: Es el volumen de un mol de partículas.
i. Para Sólidos/ Líquidos. Es diferente en cada caso. Usamos la densidad
para hallarlo.
V M D=
Densidad (g/ml) // (Kg/L)
ii. Para gases. En condiciones normales, equivale a 22.4 L y contiene 6.022x1023 partículas.
CONDICIONES NORMALES: P (presión)= 1 atm; T (temperatura absoluta)= 273 ºK
1. ECUACIÓN QUÍMICA
Expresión matemática, escrita y ajustada de una reacción química.
1.1.PARTES DE LA ECUACIÓN QUÍMICA
) ( 4 2SO aq
H + 2NaOH(s) → Na2SO4(aq) + 2H2O(l)
Aa
(1)+ bB
(2)→
cC
(3)+ dD
(4)Nota: No confundir coef. estequiométricos con Subíndices de las fórmulas.
1.2.LEY DE CONSERVACIÓN DE LA MATERIA (LAVOISIER)
“
La masa si se crea ni se destruye solo se transforma
”
En una reacción química, la masa total de las sustancias que reaccionan (reactivos) es igual a la masa total de las sustancias que se obtienen (productos).
1.3.SENTIDO PRACTICO DE UNA ECUACION QUÍMICA
) ( 4 2SO aq
H + 2NaOH(s) → Na2SO4(aq) + 2H2O(l)
1º MIEMBRO: REACTIVOS 1º MIEMBRO: REACTIVOS 1º MIEMBRO: REACTIVOS
1º MIEMBRO: REACTIVOS 2º MIEMBRO: PRODUCTOS2º MIEMBRO: PRODUCTOS2º MIEMBRO: PRODUCTOS2º MIEMBRO: PRODUCTOS
LEYENDA LEYENDALEYENDA LEYENDA:
“+” Se mezclan o reaccionan
“a, b, c, d” Coeficientes estequiométricos. Número que se coloca a la izquierda de la fórmula química para cumplir la Ley de Lavoisier.
REACCIONES QUÍMICAS Página 3 En el sentido práctico una ecuación química nos enseña la relación de proporcionalidad entre los diferentes componentes que forman parte de la reacción. Se lea esta relación en moléculas o en moles.
• En moléculas: Una molécula de ácido sulfúrico reacciona con dos moléculas de hidróxido sódico para dar lugar a una molécula de sulfato sódico y dos moléculas de agua.
• En moles: Un mol de ácido sulfúrico reacciona con dos moles de hidróxido sódico para dar lugar a un mol de sulfato sódico y dos moles de agua.
• En masa: 98 g de ácido sulfúrico reacciona con 40 g de hidróxido sódico para dar lugar a 143 g de sulfato sódico y 36 g de agua.
• En volumen (solo si son componentes gaseosos todos ellos): En el siguiente ejemplo: N2(g) + 3 H2(g) →→→→ 2 NH3(g) Un volumen de nitrógeno reacciona con tres volúmenes de hidrógeno para dar lugar a dos volúmenes de amoniaco.
2. AJUSTE DE REACCIONES: METODO DE TANTEO.
El ajuste puede hacerse de varias maneras la más sencilla de las cuáles es la de tanteo, que es la que vamos a emplear nosotros. Veamos cómo se aplica.
Ajusta la siguiente reacción química:
N
2H
4+ N
2O
4→ N
2+ H
20
En primer lugar ajustamos el número de átomos de oxígeno, ya que solo aparecen una vez en cada miembro de la reacción. Como en los reactivos tenemos 4 átomos de oxígeno, y en los productos tan solo 1, multiplicamos por 4 delante del H2O:
N
2H
4+ N
2O
4→ N
2+
4
H
20
Ahora vamos a ajustar el número de átomos de hidrógeno, ya que también aparecen solo una vez en cada miembro. Como en los reactivos tenemos 4 átomos de hidrógeno, y en los productos en este momento tenemos 8, multiplicamos por 2 delante del N2H4 :
REACCIONES QUÍMICAS Página 4 Finalmente ajustamos el número de átomos de nitrógeno. En este instante tenemos 6 átomos en los reactivos y 2 en los productos, así que multiplicamos por 3 delante del N2
:
2
N
2H
4+ N
2O
4→
3
N
2+
4
H
20
La reacción está correctamente ajustada, ya que:
N.º de átomos (reactivos)
N.º de átomos (productos)
O 4 4
H 8 8
N 6 6
3. TIPOS DE REACCIONES QUÍMICAS
Distinguimos las reacciones químicas atendiendo a dos criterios: El cambio atómico y el mecanismo de reacción.
3.1.REACCIONES QUÍMICAS SEGÚN EL LA REORGANIZACIÓN DE LOS ATOMOS
• Reacciones de síntesis.
2Fe(s) + O2(g) 2FeO(s)
• Reacciones de descomposición
CuCO3 (s) CuO (s) + CO2 (g)
• Reacciones de desplazamiento
FeO (s) + C (s) CO (s) + Fe (s)
• Reacciones de doble desplazamiento
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3.2.REACCIONES QUÍMICAS SEGÚN EL MECANISMO DE LA REACCIÓN
• Reacciones de neutralización
HCl + NaOH NaCl +H2O
• Reacciones de oxidación-reducción
C + O2 CO2
• Reacciones de precipitación
FeO (s) + C (s) CO (s) + Fe (s)
• Reacciones de combustión.
CH4 (g) + 2O2 (g) CO2 (g) + 2H2O (g)
3.3.AMPLIACIÓN DE REACCIONES DE NEUTRALIZACIÓN
Propiedades de los ácidos Propiedades de las bases • Sabor agrio o ácido
• Reaccionan con algunos metales, desprendiendo H2
• Reaccionan con las bases produciendo sales.
• En disolución acuosa conducen la electricidad
• En disoluciones acuosas conducen la electricidad
• Modifican el color de ciertas sustancias llamadas
indicadores
• Sabor amargo
• Suaves al tacto
• Por lo general, no reaccionan con metales
• Reaccionan con ácidos produciendo sales
• En disolución acuosa conducen la electricidad
• Modifican el color de los indicadores de forma distinta a los ácidos
• Definición de acido y base de Arrhenius:
En disolución acuosa:
o Ácido es una sustancia que se disocia produciendo H+.
Ejemplos típicos de ácidos, según la definición de Arrhenius, son todos los ácidos clásicos, HCl, H2SO4, HNO3, etc, que al disolverse en agua se disocian o
ionizan en la forma:
HCl Cl- (aq) + H+ (aq)
o Base es una sustancia que se disocia produciendo iones hidróxido, OH-.
Ejemplos de bases son todos los hidróxidos de metales (en particular los de los metales alcalinos y alcalinotérreos), que al disolverse en agua se disocian en la forma:
REACCIONES QUÍMICAS Página 6 • Definición de acido y base de Browsëd:
o Ácido es una sustancia capaz de ceder un protón (a una base).
o Base es una sustancia capaz de aceptar un protón (de un ácido).
Las reacciones ácido-base según esta definición son reacciones de transferencia de protones.
• Producto iónico del agua. H2O H+ + OH- Kw = [H+] [OH-] = 10-14
En agua pura, por cada ión H+ que se forme , debe formarse a la vez un ión OH-, es decir, que [H+] = [OH-] .Cualquier disolución acuosa en la que se cumpla esta condición se dice que es neutra , a dicha temperatura ,es:
[H+] = [OH-] = 1,0 ⋅ 10 –7 mol/litro (a 25ºC)
• Concentración de H+ y OH-: Es una forma de medir la cantidad de protones y de hidroxilos que hay en una disolución.
[H+] =
(L) Volumen
H de
moles +
[OH-] =
(L) Volumen
OH de
moles
-• Concepto de pH
Para poder expresar estas concentraciones mediante números sencillos, Sörensen, en 1909, introdujo el concepto de pH, que se define como el logaritmo decimal, cambiado de signo, de la concentración de iones H3O+ (o iones H+ en la notación simplificada ),
esto es:
pH = - Log [H+]
Conviene tener muy en cuenta que, debido al cambio de signo en el logaritmo, la escala de pH va en sentido contrario al de la concentración de iones H+, es decir, que el pH de una disolución aumenta a medida que disminuye [H3O+] , o sea la acidez.
En resumen, las disoluciones acuosas son neutras, ácida o básicas, cuando:
A cualquier temperatura A 25º C, en mol/litro Neutra [H3O+] = [OH-] [H3O+] = [OH-] = 10-7 Ácida [H3O+] > [OH-] [H3O+] > 10-7
REACCIONES QUÍMICAS Página 7 • pH/pOH
Si aplicamos el concepto de pH al producto iónico del agua podemos sacar una relación interesante:
[H+] [OH-] = 10-14
- Log [H+] - Log [OH-] = - Log (10-14) pH + pOH = 14
O lo que es lo mismo: pOH = 14 – pH
Es decir las escalas de pH y pOH son opuestas: al aumentar una la otra disminuye. Visto de otra forma:
Escala de pH
• Valoración acido/base:
El análisis volumétrico consiste en la adición de una solución desde una bureta a una cantidad conocida de sólido o a otra solución, contenida en un matraz, de tal forma que las dos sustancias reaccionan en la proporción exacta que corresponde a la estequiometría de la reacción. Si se conoce el número de moles de una de las sustancias, el número de moles de la otra se puede calcular con tal de que se conozca la ecuación estequiométrica de la reacción que tendrá lugar. Claro está que para realizar los cálculos pertinentes se supone:
1º Que la reacción entre ambas sustancias ha sido total.
2º Que no se producen simultáneamente otras reacciones laterales (secundarias).
3º Que la reacción tiene lugar rápidamente.
El proceso descrito se denomina Valoración o titulación .Si se conoce la concentración de uno de los reactivos en su disolución, esta se llama “solución Patrón” o solución Standard.(la concentración se da normalmente en mol/litro).
El punto de equivalencia es aquel en el que la reacción se produce por completo, es decir, cuando los reactivos se han transformado enteramente en los productos. Para determinar el punto de equivalencia, a menudo, se añade al sistema un tercer reactivo denominado indicador. Cuando se ha alcanzado el punto de equivalencia, uno de los reactivos, que es el que se va añadiendo poco a poco, reacciona con el indicador observándose un cambio en el sistema, que normalmente suele ser un cambio de color. El punto (instante) en que ocurre este cambio se denomina punto final de la valoración. La exactitud de la valoración es tanto mayor cuanto más próximos son el punto final (que es
14 0
7
Aumenta [OH-] y la basicidad
Aumenta [H+] y la acidez
Disoluciones ácidas Disolución neutra Disoluciones Básicas
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un dato experimental) y el punto de equivalencia (que es un dato teórico, deducido estequiométricamente).
Entre los utensilios de laboratorio comúnmente utilizados en este proceso están los siguientes:
• Los matraces aforados: que son recipientes que contienen un volumen conocido de líquido cuando se llenan hasta la marca grabada en el cuello del mismo. Son el instrumento adecuado para preparar las Soluciones Patrón.
• Pipetas: Se utilizan para medir volúmenes de porciones correspondientes a una solución valorada.
• Buretas: estos aparatos de medida volumétrica están diseñados para medir volúmenes variables, por lo cual aparecen graduados.
Existen dos maneras básicas de detectar el volumen del punto de equivalencia:
1) Utilizando indicadores volumétricos: hay un cambio de color cuando cambian las condiciones del medio. Nos da información puntual, sólo de dónde está el punto de equivalencia, no dicen nada de la concentración ni antes ni después, por tanto son métodos limitados.
2) Utilizando métodos instrumentales: permiten el seguimiento completo del desarrollo del sistema desde antes hasta después de alcanzar el punto de equivalencia. Permiten representar la curva volumétrica. Son métodos que miden una magnitud física del problema que varía con el mismo. Por ejemplo un (potenciómetro) o pH-metro.
3.4. AMPLIACIÓN DE REACCIONES DE OXIDACIÓN-REDUCCIÓN (Redox)
• Conceptos tradicionales:
o Oxidación es la reacción de combinación con el oxígeno.
o Reducción es la reacción de perdida de oxígeno por parte de una sustancia. o
• Conceptos actuales:
Oxidación es un proceso de cesión de electrones por parte de un elemento, con aumento de su número de oxidación.
Reacción de oxidación-reducción
Se oxida aumentando su número de oxidación
Se reduce disminuyendo su número de oxidación
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Reducción es un proceso de ganancia de electrones por parte de un elemento, con disminución de su número de oxidación.
FeO (s) + C (s) CO (s) + Fe (s)
El hierro disminuye su número de oxidación (de +2 a 0) ganando electrones, por lo que se reduce. El hierro es el oxidante.
El carbono aumenta su número de oxidación (de 0 a +2) cediendo electrones, por lo que se oxida. El hierro es el reductor.
4. ENERGÍA DE REACCION QUÍMICA.
Las reacciones químicas sufren una absorción o desprendimiento de energía. Esta energía se puede medir de muchas formas.
Para seguir el transcurso de una reacción química se suele hacer comprobando como varías tres características de toda disolución: La presión, la temperatura y el volumen.
La mayoría de las reacciones se realizan en recipientes abiertos, de modo que suceden a presión constante. La energía que se intercambia en una reacción a presión constante se conoce como entalpía de la reacción, cuyo símbolo es ∆H.
Independientemente de que una reacción sea exotérmica o endotérmica siempre existe una energía inicial que precisan los reactivos para reaccionar y que es positiva y a la que se conoce como energía de activación.
Los catalizadores de las reacciones modifican la velocidad de una reacción química disminuyendo (catalizador positivo) o aumentando (catalizador negativo) la energía de activación. (Ver siguiente hoja).
REACCIONES QUÍMICAS Página 10
Energía
de activación
E
n
er
g
ía
Transcurso de la reacción
Complejo
activado
Reactivos
∆∆∆∆
H<0
Energía
de activación
Transcurso de la reacción
Complejo
activado
Reactivos
∆∆∆∆
H>0
E
n
er
g
ía
Reacción exotérmica
Reacción endotérmica
Productos
Productos
E.A
E.A
