TEMA 3.- Reacciones
quími-cas. Estequiometría
ÍNDICE GENERAL
1.- La reacción química.
1.1.- Interpretaciones macroscópica y microscópica.
1.2.- Ecuación química. Ajuste de ecuaciones químicas. Coeficientes estequiométricos.
1.3.- Tipos de reacciones químicas.
2.- Estequiometría.
2.1.- Relaciones masa-masa.
2.2.- Relaciones masa-volumen.
2.3.- Relaciones volumen-volumen.
2.4.- Reacciones con reactivos en disolución.
2.5.- Pureza (o riqueza) de los reactivos.
2.6.- Rendimiento de una reacción.
2.7.- Reacciones consecutivas.
2.8.- Reactivo limitante.
2.9.- Reacciones simultáneas.
1.- LA REACCIÓN QUÍMICA.
1.1.- INTERPRETACIONES MACROSCÓPICA Y MICROSCÓPICA.
Cualquier proceso que tenga lugar en la Naturaleza puede tener 2 efectos diferentes: o bien el proce-so no produce un cambio en la naturaleza de las sustancias, y se tratará entonces de un proceproce-so físico, o bien sí se produce un cambio en la naturaleza de las sustancias, tratándose entonces de un proceso químico.
A los procesos químicos también se les llama reacciones químicas; podemos definirlas desde dos puntos de vista diferentes:
• Desde un punto de vista macroscópico, una reacción química es un proceso mediante el cual unas sustancias llamadas reactivos se transforman en otras sustancias diferentes llamadas productos.
• Desde un punto de vista microscópico, una reacción química no es más que un reajuste de los átomos que forman los reactivos, ordenándose de otra ma-nera diferente de tal mama-nera que estas nuevas sustancias – los productos –
tengan una energía menor que las iniciales. Ello implica la rotura de un cierto número de enlaces quí-micos y la formación de otros.
Existen varias teorías que explican esta reordenación atómica. Aunque ambas serán estudiadas con mayor profundidad en la asignatura de Química de 2º de Bachillerato, las explicamos brevemente a continua-ción.
La primera de ellas es la teoría de las colisiones, la cual considera que las moléculas que reaccionan de-ben chocar entre ellas con la energía y orientación adecuadas (choques eficaces) como para que se rom-pan los enlaces entre los átomos y se originen enlaces nuevos con un contenido energético menor (ver dibujo a la izquierda).
Por otra parte, la teoría del estado de transición establece que antes de que se formen los productos se crea un compuesto intermedio llamado complejo
activado, en el cual se han roto algunos enlaces y se han formado otros. Para que
se origine este complejo activado es necesaria una energía a la que se le da el nombre de energía de activación (Ea); la reacción tendrá lugar, por tanto,
siem-pre que los productos tengan una energía menor que la de los reactivos (ver grá-fica a la derecha).
1.2.- ECUACIÓN QUÍMICA. AJUSTE DE ECUACIONES QUÍMICAS. COEFICIENTES ESTE
-QUIOMÉTRICOS.
Las reacciones químicas se escriben de manera breve mediante ecuaciones químicas; éstas nos pro-porcionan de manera sencilla abundante información acerca de la reacción química que tenga lugar:
✔ En primer lugar, aparecen las fórmulas químicas de las sustancias que intervienen, tanto de los reactivos como de los productos. Los reactivos se escriben en el primer miembro y los productos, en el segundo; si hay varios reactivos o productos, se separan con el signo “+”. Los dos miembros de la ecuación química se separan con una flecha; si se necesita calor para que la reacción tenga lugar, suele ponerse la letra “Q” encima de ella:
reactivos productos
✔ Si es necesario indicar el estado en que se encuentran las sustancias, se suele escribir con un subíndice a la derecha de la correspondiente fórmula. Estos subíndices son los siguientes:
sólido: (s) líquido: (l)
gaseoso: (g) disuelto en agua: (ac)
✔ Si a la derecha de una sustancia aparece una flecha vertical dirigida hacia abajo, significa que esa sustancia precipita al fondo del recipiente (por tener una baja solubilidad); si la flecha vertical está dirigida hacia arriba, entonces la sustancia es gaseosa y se escapa a la atmósfera.
EJEMPLO: Cuando el ácido sulfúrico en disolución reacciona con cinc sólido, se obtienen hidrógeno gaseoso y sulfato de cinc sólido:
H2SO4(ac) + Zn(s) ZnSO4(s) + H2(g)
Sabemos que en todas las reacciones químicas se cumple la ley de Lavoisier o de conservación de
la masa (ver tema 2), la cual establece que en cualquier proceso la masa total se conserva, es decir, las masas
de reactivos y productos son siempre iguales. A partir de dicha ley deducimos que, como una reacción química no es más que una reordenación de átomos, el número de átomos de cada elemento químico debe ser el mismo en ambos miembros de la ecuación química. Para conseguir que se cumpla lo anterior se dice que hay que ajustar la reacción química; para ello, se escriben los números adecuados – llamados coeficientes
estequiométricos – delante de las fórmulas de reactivos y productos. Dichos números nos indican el número
específicos para ajustar reacciones, en este curso las ajustaremos por tanteo, es decir, comprobando poco a poco que los coeficientes son correctos.
EJEMPLO: Cuando el aluminio reacciona con el ácido sulfúrico se obtienen sulfato de aluminio e hidrógeno gaseoso:
2 Al + 3 H2SO4
Al2(SO4)3 + 3 H2 ↑La reacción anterior, ya ajustada, nos indica que...
a) ...2 átomos de aluminio reaccionan con 3 moléculas de ácido sulfúrico, obteniéndose 1 molécula de sulfato de aluminio y 3 moléculas de hidrógeno, o bien que...
b) ...2 moles de aluminio reaccionan con 3 moles de ácido sulfúrico, obteniéndose 1 mol de sulfato de aluminio y 3 moles de hidrógeno.
Esto se debe a que el número de partículas que hay en 1 mol de cualquier sustancia es siempre, como ya sabemos, el mismo.
1.3.- TIPOS DE REACCIONES QUÍMICAS.
Cualquier reacción química puede clasificarse de 2 maneras diferentes: 1. Desde un punto de vista estructural, pueden ser de 4 tipos:
a) De adición o síntesis: se representan abreviadamente mediante A + B
AB. Ejemplo: 2 H2 + O2
2 H2Ob) De descomposición o análisis: se representan abreviadamente mediante AB
A + B. Ejemplo: 2 NH3
N2 + 3 H2c) De desplazamiento o sustitución: se representan abreviadamente mediante A + BC
AB + C. Ejemplo: Zn + 2 HCl
ZnCl2 + H2d) De doble desplazamiento o doble sustitución: se representan abreviadamente mediante AB + CD
AC + BD.Ejemplo: NaOH + HCl
NaCl + H2O2. Desde el punto de vista de las partículas transferidas pueden ser de 2 grandes tipos:
a) De oxidación-reducción: son aquellas reacciones químicas en las que se produce un intercambio de electrones desde la sustancia que se oxida hasta la que se reduce. Uno de los ejemplos más importantes es el de las reacciones de combustión, en las cuales las sustancias reaccionan con el oxígeno gaseoso presente en la atmósfera (sin el cual es imposible que exista la combustión); si la sustancia que reacciona es orgánica (está formada por carbono, hidrógeno y oxígeno), el pro-ceso de combustión siempre tiene lugar de la siguiente manera:
sustancia orgánica + O2 CO2 + H2O
b) De neutralización o ácido-base: son aquellas reacciones químicas en las que se produce un inter-cambio de protones entre los ácidos (que los ceden) y las bases (que los aceptan). A la reacción química que tiene lugar entre un ácido y una base se le llama reacción de neutralización, la cual tiene siempre lugar de la siguiente manera:
2.- ESTEQUIOMETRÍA.
Se denomina estequiometría al conjunto de cálculos que se realizan sobre la ecuación química (ajustada) de una reacción química para determinar las cantidades (masas o volúmenes) de las sustancias que intervienen en la reacción conocida la cantidad existente u obtenida de cualquiera de ellas, ya se trate de un reactivo o de un producto.
En cualquier problema de estequiometría seguiremos los siguientes pasos:
1. Escribir correctamente la ecuación correspondiente a la reacción química que tiene lugar. 2. Ajustar dicha ecuación.
3. Plantear proporciones o reglas de 3 entre los moles de la sustancias cuya cantidad conozcamos y cuya cantidad nos pidan calcular, teniendo en cuenta los coeficientes estequiométricos.
4. Hallar la cantidad (masa o volumen gaseoso o de disolución) del reactivo o producto por el que nos pregunten, realizando los cálculos necesarios teniendo en cuenta la particularidad del proceso quími -co (reactivos impuros, rendimiento de la reacción, reactivo limitante, etc.).
2.1.- RELACIONES MASA-MASA.
Cuando conozcamos la masa de una sustancia (reactivo o producto), podemos hallar la masa de otra calculando previamente, mediante una proporción o regla de 3, los moles de ésta que reaccionan o que se ob -tienen.
2.2.- RELACIONES MASA-VOLUMEN.
En caso de que un reactivo o un producto se encuentre en estado gaseoso, tendremos en cuenta la ecuación de Clapeyron (o ecuación de estado de los gases ideales) para hallar los moles que intervienen en la reacción.
2.3.- RELACIONES VOLUMEN-VOLUMEN.
Aplicamos la misma expresión que en el apartado anterior.
2.4.- REACCIONES CON REACTIVOS EN DISOLUCIÓN.
En caso de que algún reactivo se encuentre disuelto (en agua), aplicaremos las expresiones de la con -centración que ya conocemos (ver tema 2).
2.5.- PUREZA (O RIQUEZA) DE LOS REACTIVOS.
En muchas ocasiones uno o varios reactivos no son puros y contienen impurezas; en tales casos, so-lamente reaccionará la masa de reactivo que sea de sustancia pura. El porcentaje de pureza o de riqueza de un reactivo se calcula mediante:
% de riqueza (o pureza) = g sustancia pura g totales sustancia·100
2.6.- RENDIMIENTO DE UNA REACCIÓN.
Una reacción química es completa (su rendimiento es del 100 %) cuando la cantidad total de reacti-vos se transforma íntegramente en la misma cantidad de productos; si la reacción transcurre de una forma parcial, entonces no toda la cantidad de reactivos se transforma en productos: se obtendrá una cantidad de
productos inferior a la que cabría esperar. A la relación entre la cantidad de cualquier producto que se obtiene y la que cabría obtener teóricamente (o entre la cantidad de un reactivo que reacciona y la que debería reaccionar teóricamente) se le llama rendimiento de la reacción:
rendimiento = R = cantidad producto obtenido
cantidad producto teóricamente obtenido·100
2.7.- REACCIONES CONSECUTIVAS.
En muchísimos procesos industriales se hace necesaria la realización de diversas reacciones quími-cas consecutivas para obtener alguna sustancia concreta. En estas reacciones, alguno de los productos de una de ellas se utiliza como reactivo en la reacción justamente posterior.
2.8.- REACTIVO LIMITANTE.
En algunas reacciones químicas las cantidades existentes de los reactivos no guardan entre sí la rela -ción que nos marcan los coeficientes estequiométricos. En estas situaciones debemos hallar el reactivo limi -tante, que es aquel que reacciona por completo antes que el otro (siendo, por tanto, el que determina cuándo
termina la reacción); el procedimiento es el siguiente:
1. Cálculo del nº de moles existente de ambos reactivos.
2. Plantear proporciones o reglas de 3 entre dichos números y los coeficientes estequiométricos, con el fin de identificar el reactivo limitante y el que queda en exceso.
3. Realización de los cálculos estequiométricos, tal como sabemos, a partir de la cantidad de reactivo li -mitante.
2.9.- REACCIONES SIMULTÁNEAS.
Cuando hagamos reaccionar dos o más sustancias (que forman parte de una mezcla) con un mismo reactivo, tendremos en cuenta que las cantidades totales de los productos obtenidos serán la suma de las cantidades de productos obtenidas en cada reacción química individual.
