REACCIONES QUÍMICASCarácter cuantitativo de las reacciones químicas
REACCIONES QUÍMICAS
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ÍNDICE
Cuando se vierte nitrógeno líquido, este hierve vivamente al adquirir la temperatura ambiente.
Procesos o cambios físicos
Procesos o cambios químicos.
Reacciones químicas
En la naturaleza se producen gran variedad de cambios, como la dilatación de un metal, los cambios de estado del agua, la oxidación de algunos metales, el movimiento de los coches, ...
Las sustancias mantienen su naturaleza y sus propiedades esenciales, es decir, siguen siendo las mismas sustancias.
Las sustancias cambian su naturaleza, se transforman en otras distintas, que tienen propiedades diferentes.
La sacarosa (azúcar de mesa) reacciona con clorato de potasio formando nuevas sustancias, como esta extraña masa de carbono.
La ceniza que se crea en la hoguera es una sustancia distinta a la madera.
El balón de fútbol en movimiento sigue siendo un balón.
La herrumbre que se forma en la viga es una sustancia distinta al hierro.
En la fotosíntesis, las plantas producen oxígeno y nutrientes a partir de dióxido de carbono y agua.
Ebullición de nitrógeno
Reacción entre la sacarosa y el clorato potásico
Procesos Físicos y Químicos
Las reacciones químicas son cambios químicos, en ellas unas sustancias desaparecen y se transforman en otras distintas.
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Ecuaciones Químicas
Una ecuación química es la representación escrita y abreviada de una reacción química.
A la izquierda se escriben las fórmulas de los reactivos (sustancias reaccionantes)
A la derecha se escriben las fórmulas de los productos (sustancias resultantes)
Separadas por una flecha.
También pueden contener información sobre el estado físico de las sustancias y sobre las condiciones de la reacción.
Ejemplo: Descomposición carbonato de calcio
CaCO3
Ecuaciones Químicas
Las ecuaciones tienen que estar ajustadas (igualadas, balanceadas), es decir, tiene que haber el mismo número de átomos de cada elemento a ambos lados de la flecha. Se utilizan entonces, coeficientes estequiométricos, que son números que se colocan delante de las fórmulas de reactivos y productos.
Ejemplo: Combustión de etanol
4. Multiplicar por dos
Ejemplo: Combustión pentano
Ecuaciones Químicas
Teoría de las colisiones. Estado de transición
Una reacción química supone la ruptura de ciertos enlaces de las moléculas de reactivos y la formación de otros nuevos, para dar lugar a las moléculas de productos.
Cuando se introduce un trozo de sodio caliente en el interior de un frasco que contiene gas cloro, se produce una violenta reacción en la que se forma una sustancia nueva, el cloruro de sodio.
Esta reacción se puede expresar así:
Ejemplo: Formación de cloruro de sodio
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Teoría de las colisiones. Estado de transición
Todas las reacciones químicas pasan por un estado de transición de máxima energía, denominado complejo activado (complejo de transición) que es un agregado constituido por las moléculas reaccionantes y en el que algunos de los enlaces primitivos se han relajado (o incluso roto) y se han empezado a formar nuevos enlaces. Es un estado intermedio, de transición, en una reacción química que posee gran energía, tiene acumulada toda la energía cinética de las moléculas reaccionantes y por ello es muy inestable y se descompone inmediatamente originando los productos de reacción.
Ejemplo:
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Teoría de las colisiones. Estado de transición
Ejemplo:
Teoría de las colisiones. Estado de transición
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Teoría de las colisiones. Estado de transición
Para que se forme el complejo activado, es necesario que las moléculas choquen.
Pero puede ocurrir que dos moléculas choquen entre sí y no se produzca reacción alguna, entonces se dice que el choque no es eficaz o efectivo.
Para que un choque entre moléculas sea eficaz o efectivo es necesario que cumpla dos condiciones:
Que las moléculas tengan energía cinética suficiente para romper o debilitar adecuadamente sus enlaces, es decir, para poder formar el complejo activado. Estas moléculas se llaman activadas.
La energía cinética de las moléculas, aumenta al hacerlo la temperatura.
Se denomina energía de activación a la energía que necesitan los reactivos para que puedan formar el complejo activado, es decir para que la reacción se produzca. Es la diferencia entre la energía del complejo activado y la suma de las entalpías de los reactivos.
Que las moléculas al chocar lo hagan con la orientación adecuada para que se puedan romper los enlaces moleculares.
Cuando se cumplen estas condiciones se verifica la reacción entre las moléculas.
Simulador
choques
Teoría de las colisiones. Estado de transición
Choque eficaz. Las moléculas chocan con la orientación adecuada
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Teoría de las colisiones. Estado de transición
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Velocidad de las Reacciones Químicas
La velocidad de una reacción es la cantidad de sustancia formada o transformada por unidad de tiempo
No todas las reacciones transcurren con la misma velocidad. Algunas reacciones químicas se producen de forma casi instantánea y otras trascurren lentamente.
Por ejemplo, las explosiones y detonaciones son tan rápidas que resulta muy difícil medir su velocidad, sin embargo, el cemento necesita varios días para fraguar, es decir, para endurecer, es una reacción lenta.
La velocidad de una reacción depende de:
La energía de activación de la reacción: si la energía de activación es alta la reacción será lenta y si es baja la reacción será rápida.
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Los factores que determinan la velocidad de reacción son:
La naturaleza de los reactivos: determina cuál será la energía de activación de cada reacción.
La concentración de los reactivos: la velocidad de una reacción aumenta con la concentración de los reactivos ya que aumenta el número de choques.
Para aumentar la concentración de un gas es necesario aumentar su presión. Para aumentar la concentración de una disolución habrá que aumentar la cantidad de soluto.
El estado físico de los reactivos: las reacciones entre gases y entre sustancias en disolución serán las más rápidas, pues las partículas se muevan con mayor libertad y velocidad, produciéndose un mayor número de colisiones entre ellas. Las reacciones de los sólidos con líquidos o gases no son generalmente muy rápidas, pero si el sólido está triturado o pulverizado, aumenta la velocidad de reacción, porque al aumentar la superficie de contacto entre del sólido con el líquido o el gas, también aumenta el número de choques.
La temperatura: la velocidad de reacción aumenta con la temperatura. Al aumentar temperatura, aumenta la energía cinética de las partículas (aumenta la velocidad con que se mueven), con lo que la probabilidad de que se produzcan choques eficaces es mayor.
Los catalizadores: son sustancias distintas de los reactivos y productos que modifican la velocidad de una reacción, recuperándose íntegramente cuando la reacción finaliza.
Los catalizadores hacen que la reacción transcurra por un camino diferente en que la energía de activación sea otra. Pueden disminuir la energía de activación, entonces la velocidad de la reacción aumenta, se llaman catalizadores positivos; o pueden aumentar la energía de activación, entonces la velocidad de la reacción disminuye, se llaman catalizadores negativos.
Velocidad de las Reacciones Químicas
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Energía en las Reacciones Químicas
En las reacciones químicas se producen transformaciones de energía, además de materia.
La energía interna de una sustancia es la suma de todas las energías de esa sustancia, debida a las posiciones y los movimientos de las partículas subatómicas, de los átomos y de las moléculas que la constituyen, y a las uniones de los átomos.
En todas las reacciones químicas se produce una variación en la energía interna de las sustancias que intervienen. En el estado inicial los reactivos tienen una energía interna y en el estado final los productos tienen otra. La diferencia de energía entre ambos estados se absorbe (reacciones endoenergéticas) o se desprende en la reacción (reacciones exoenergéticas), Si el sistema químico disminuye su energía, la comunica al medio ambiente, y si la aumenta, es porque la ha absorbido de él.
Atendiendo al intercambio de energía en forma de calor con el exterior, las reacciones se clasifican en:
Exotérmicas: desprenden energía en forma de calor.
Ejemplo: Combustión de metano CH4 + 2 O2 CO2 +2 H2O + 890 kJ
La ecuación termoquímica indica que por cada mol de metano (16 g) quemado se liberan 890 kJ.
Endotérmicas: absorben energía en forma de calor.
Ejemplo: Descomposición de óxido de mercurio 2 HgO + 181 kJ 2 Hg + O2
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Las sustancias almacenan energía en sus átomos y moléculas. Estas partículas materiales pueden tener tres tipos de movimientos: de traslación, de rotación y de vibración. Según esto los átomos o moléculas poseen energía cinética debida a estos continuos movimientos. La energía aumentará con la temperatura, ya que un aumento de ésta supone una mayor agitación molecular.
Pero los sistemas no sólo poseen energía por los movimientos de las partículas, sino también por la posición relativa de unas partículas respecto a otras, es decir, poseen energía potencial, que resulta menor en los gases que en los líquidos y en éstos menor que en los sólidos, pues sus moléculas se hayan más próximas.
En las moléculas también hay energía debida a los enlaces entre sus átomos.
Incluso en los propios átomos también hay energía, según las posiciones y los movimientos de sus partículas elementales.
ÍNDICE
Quimioluminiscencia
Algunas reacciones químicas exoenergéticas emiten en energía en forma de radiación luminosa.
ÍNDICE
Reacción endotérmica: Absorbe calor
∑Hproductos < ∑Hreactivos
Se denomina entalpía de reacción (H) al calor absorbido o desprendido en una reacción química a presión constante.
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Energía en las Reacciones Químicas
Al calentar la termita se produce una reacción fuertemente exotérmica. El aluminio reacciona con óxido de hierro (III), produciendo una lluvia de chispas de hierro fundido.
En una reacción exotérmica, la energía se pierde en forma de calor, la cantidad de calor perdida depende de la cantidad de reactivos disponible.
La reacción entre sulfocianuro amónico e hidróxido de bario octahidratado es una reacción endotérmica. Absorbe una cantidad de calor del exterior del recipiente que produce la congelación del vapor de agua del aire.
En una reacción endotérmica, la energía se absorbe en forma de calor.
EXOTÉRMICA
ENDOTÉRMICA
Figure 6.17
The thermite reaction is another highly exothermic reaction—one that can melt the metal it produces. In this reaction, aluminum metal is reacting with iron(III) oxide, Fe2O3, causing a shower of molten iron sparks. In an exothermic reaction, energy is lost as heat, the amount lost depending on the amount of reactants available.
Al calentar la termita se produce una reacción fuertemente exotérmica. El aluminio reacciona con óxido de hierro (III), produciendo una lluvia de chispas de hierro fundido. En una reacción exotérmica, la energía se pierde en forma de calor, la cantidad de calor perdida depende de la cantidad de reactivos disponible.
Figure 6.18
The reaction between ammonium thiocyanate, NH4SCN, and barium hydroxide octahydrate, Ba(OH)2•8H2O, absorbs a lot of heat and can cause water vapor in the air to freeze on the outside of the beaker.
In an endothermic reaction, energy is absorbed as heat.
La reacción entre sulfocianuro amónico e hidróxido de bario octahidratado es una reacción endotérmica. Absorbe una cantidad de calor del exterior del recipiente que produce la congelación del vapor de agua del aire.
ÍNDICE
Reacción endotérmica: Absorbe calor
Reacción exotérmica: Desprende calor
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Ley de conservación de la masa. Ley de Lavoisier (1743-1794)
En toda reacción química la masa total de las sustancias que reaccionan (reactivos) es igual a la masa total de las sustancias que se obtienen (productos).
Ejemplo: Conservación de la masa en la reacción química entre el nitrato de plomo y el yoduro de potasio
2 IK + Pb(NO3)2 PbI2 + 2 KNO3
Se prepara una disolución de nitrato de plomo en un vaso y otra de yoduro de potasio en otro. Se colocan en una balanza y se comprueba que entre las dos pesan 13,21g.
Después se mezclan, observando que aparece una sustancia nueva (precipitado amarillo): el yoduro de plomo. Nuevamente se colocan en la balanza y se comprueba que pesan 13,21 g.
La masa no ha variado en el transcurso de la reacción.
Conservación de la masa en la reacción entre el fósforo y el cloro : 2 P + 5 Cl2 2 PbCl5
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Carácter cuantitativo de las Reacciones Químicas
Carácter cuantitativo de las reacciones químicas
Puesto que en una ecuación química debe conservarse la masa y la carga, la ecuación química adquiere de este modo las características de una ecuación matemática.
Una ecuación química no sólo indica las sustancias que se producen al reaccionar unas con otras, sino que también informa sobre las cantidades de estas sustancias. Es decir, es una expresión tanto cuantitativa, como cualitativa de una reacción química.
Ejemplo: Reacción de formación de agua 2 H2 + O2 2 H2O
Una ecuación química puede interpretarse tanto sobre una base molecular como molar.
Al reaccionar dos moléculas de hidrógeno con una molécula de oxígeno, se forman dos moléculas de agua.
Al reaccionar dos moles de hidrógeno con un mol de oxígeno, se forman dos moles de agua.
Relaciones
Estequiométricas
Ejemplo: Reacción de formación de NO: N2 + O2 2 NO
Al reaccionar una molécula de nitrógeno con una molécula de oxígeno, se forman dos moléculas de NO.
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Cálculos basados en ecuaciones químicas
Las ecuaciones químicas nos suministran la información necesaria para calcular cantidades de sustancias consumidas o producidas en las reacciones químicas.
Para efectuar cálculos sobre una reacción, además de tenerla ajustada, ha de conocerse al menos la cantidad de una de las sustancias que intervienen en la reacción. Así pueden calcularse las cantidades, producidas o consumidas, de las demás sustancias.
Relaciones
Estequiométricas
Según el mecanismo:
Reacciones ácido-base. Neutralización
Reacciones de precipitación
Reacciones de oxidación-reducción
Reacciones de combustión
Síntesis o combinación
ÍNDICE
Síntesis o combinación: Dos o más sustancias reaccionan para dar otra más compleja. A + B AB
Las reacciones entre dos no metales dan compuestos covalentes:
N2 + 3 H2 2 NH3
Las reacciones entre un no metal y un metal dan sales:
S + Fe FeS
2 Ca + O2 2 CaO S + O2 SO2
Las reacciones entre un óxido y agua producen hidróxidos:
CaO + H2O Ca(OH)2
SO2 + H2O H2SO3
Las reacciones entre un óxido y un anhídrido dan sales:
CaO + SO2 CaSO3
ÍNDICE
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ÍNDICE
Descomposición: Una sustancia se descompone formando dos o más simples. AB A + B
2 KClO3 2 KCl + 3 O2
Desplazamiento o sustitución: Uno de los elementos de un compuesto es sustituido por otro elemento. AB + X AX + B
Algunos metales reaccionan con ciertos ácidos, reemplazando el hidrógeno y formando la sal correspondiente:
Zn + H2SO4 ZnSO4 + H2
Un metal puede ser desplazado de sus sales por otro metal más activo:
Zn + CuSO4 ZnSO4 + Cu
Doble descomposición o intercambio: Equivalen a una doble sustitución. AB + XY AX + BY
ácido + base sal + agua
HCl + NaOH NaCl + H2O
ÍNDICE
ÍNDICE
Ácido-base. Neutralizaciones
Un ácido reacciona con una base dando lugar a la formación de una sal y agua. En la reacción desaparecen simultáneamente las propiedades de ambos.
Ejemplo:
ÍNDICE
Tipos reacciones
La neutralización consiste en la reacción entre los iones H+ de los ácidos y los iones OH- de las bases para dar moléculas de agua: H+ + OH- H2O
Las propiedades del ácido, debidas al ion H+, quedan "neutralizadas" o anuladas por las del ion OH- y viceversa.
Los iones Cl- y Na+ están presentes en la reacción pero no intervienen en ella, se les llama contraiones o iones espectadores.
Na+ + OH- + Cl- + H+ → Cl- + Na+ + H2O
NaOH HCl NaCl
Precipitación
Una reacción de precipitación consiste en la formación de un compuesto insoluble, que recibe el nombre de precipitado cuando se mezclan dos disoluciones.
La aparición de un precipitado está relaciona con la diferencia de solubilidad que presentan los reactivos y los productos de la reacción.
Ejemplo:
Al reaccionar nitrato de plata con yoduro de potasio, se obtiene un precipitado de yoduro de plata.
ÍNDICE
Tipos reacciones
Los iones nitrato y potasio permanecen el la disolución, sin intervenir en la reacción
NO3- Ag+
AgNO3 (aq) KI (aq) Precipitado KNO3 (aq)
solubilidad elevada solubilidad elevada solubilidad baja solubilidad elevada
K+
I-
AgI
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El nitrato de plata y el yoduro de potasio son sustancias que tiene una elevada solubilidad en agua, a temperatura ambiente, y lo mismo ocurre con el nitrato de potasio. Por el contrario, el yoduro de plata presenta una solubilidad muy baja.
Cuando se produce la reacción, la cantidad de yoduro de plata que se forma es superior a la que puede admitir la disolución saturada. En consecuencia, el exceso de esta sustancia precipita en forma de sólido.
When a clear, colorless silver nitrate solution is added to a clear, colorless solution of potassium iodide, the product is a yellow precipitate of silver iodide.
The microscopic view shows a droplet of AgNO3 solution about to strike the surface of the KI solution. Notice that the only substance that actually forms is AgI (a crystal of silver and purple ions); the other species, K+ and NO3- (and the excess I-) remain as ions in solution. The net reaction is between silver ion and iodide ion: Ag+(aq) + I-(aq) --> AgI(s) Keywordsnet ionic equation, precipitation, solubility, solution, model.
Este tipo de reacciones tiene especial interés en la industria de los metales preciosos; además, se emplea para recuperarlos a partir de los residuos industriales que puedan contenerlos
Solubilidad de una sustancia en un disolvente, a una determinada temperatura, es la máxima cantidad de soluto que puede contener una cantidad fija de disolvente (o disolución) a dicha temperatura.
Disolución saturada a una temperatura determinada, no admite más soluto.
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Oxidación-Reducción (Redox)
Consiste en la transferencia de electrones de una especie química, llamada agente reductor, a otra, llamada agente oxidante.
Ejemplo:
Cuando se introduce magnesio metálico en una disolución de sulfato de cobre, se produce una transferencia de electrones del magnesio a los iones cobre (II), formándose cobre metálico y iones magnesio (II) que pasan a formar parte de la disolución.
Reducción: Cu 2+ + 2 e – → Cu
Oxidación: Mg → Mg 2+ + 2 e –
Cu 2+ + Mg → Cu + Mg 2+
ÍNDICE
Ag+ + Cu → Ag + Cu 2+
Ejemplo:
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The photograph on the left shows a coil of magnesium ribbon in a solution of CuSO4(aq). After a few hours, all of the Cu2+ ions have been displaced from the solution, leaving a deposit of red-brown copper metal, some unreacted magnesium and a clear, colorless MgSO4(aq) solution. The microscopic view (left) shows electrons being transferred from a magnesium atom to a Cu2+ ion, which will be converted to copper metal. The magnesium atom will be released into the solution as Mg2+ (pink spheres). The sulfate anion has been omitted for clarity; it is merely a spectator ion.Keywordsredox, oxidation, reduction, net ionic equation, chemical reaction, spectator ion
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Combustión
Es la reacción de una sustancia, llamada combustible, con oxígeno, al que se le llama comburente, en la reacción se forman dióxido de carbono y agua y se desprende gran cantidad de energía en forma de luz y calor
Ejemplo:
ÍNDICE
Reacción de sodio y potasio con agua
Formación de bromuro de aluminio
Reacciones con oxígeno
Síntesis de Nylon
Formación bromuro de aluminio
Bicarbonato con vinagre