Unidad 9

Reacciones Químicas 

LOS CAMBIOS EN LA MATERIA:

La materia puede sufrir cambios mediante diversos procesos. No obstante, todos esos cambios se pueden agrupar en dos tipos: cambios físicos y cambios químicos.

CAMBIOS FÍSICOS:

En estos cambios no se producen modificaciones en la naturaleza de las sustancia o sustancias que intervienen. Ejemplos de este tipo de cambios son:

• Cambios de estado.
• Mezclas.
• Disoluciones.
• Separación de sustancias en mezclas o disoluciones.

CAMBIOS QUÍMICOS:

En este caso, los cambios si alteran la naturaleza de las sustancias: desaparecen unas y aparecen otras con propiedades muy distintas. No es posible volver atrás por un procedimiento físico (como calentamiento o enfriamiento, filtrado, evaporación, etc.)

Una reacción química es un proceso por el cual una o más sustancias, llamadas reactivos, se transforman en otra u otras sustancias con propiedades diferentes, llamadas productos.

En una reacción química, los enlaces entre los átomos que forman los reactivos se rompen. Entonces, los átomos se reorganizan de otro modo, formando nuevos enlaces y dando lugar a una o más sustancias diferentes a las iniciales.

CARACTERÍSTICAS DE LAS REACCIONES QUÍMICAS

La o las sustancias nuevas que se forman suelen presentar un aspecto totalmente diferente del que tenían las sustancias de partida.

Durante la reacción se desprende o se absorbe energía:

• Reacción exotérmica: se desprende energía en el curso de la reacción.
• Reacción endotérmica: se absorbe energía durante el curso de la reacción.

Se cumple la ley de conservación de la masa: la suma de las masas de los reactivos es igual a la suma de las masas de los productos. Esto es así porque durante la reacción los átomos ni aparecen ni desaparecen, sólo se reordenan en una disposición distinta.

ECUACIONES QUÍMICAS

    Una reacción química se representa mediante una ecuación química. Para leer o escribir una ecuación química, se deben seguir las siguientes reglas:

• Las fórmulas de los reactivos se escriben a la izquierda, y las de los productos a la derecha, separadas ambas por una flecha que indica el sentido de la reacción.
• A cada lado de la reacción, es decir, a derecha y a izquierda de la flecha, debe existir el mismo número de átomos de cada elemento.

    Cuando una ecuación química cumple esta segunda regla, se dice que está ajustada o equilibrada. Para equilibrar reacciones químicas, se ponen delante de las fórmulas unos números llamados coeficientes, que indican el número relativo de átomos y moléculas que intervienen en la reacción.

Estos coeficientes situados delante de las fórmulas, son los únicos números en la ecuación que se pueden cambiar, mientras que los números que aparecen dentro de las fórmulas son intocables, pues un cambio en ellos significa un cambio de sustancia que reacciona y, por tanto, se trataría de una reacción distinta.

    Si se quiere o necesita indicar el estado en que se encuentran las sustancias que intervienen o si se encuentran en disolución, se puede hacer añadiendo los siguientes símbolos detrás de la fórmula química correspondiente:

• (s) = sólido.
• (metal) = elemento metálico.
• (l) = líquido.
• (g) = gas.
• (aq) = disolución acuosa (en agua).

CÁLCULO DE LA MASA Y EL VOLUMEN A PARTIR DE ECUACIONES QUÍMICAS

    Las ecuaciones químicas permiten calcular, a partir de una cantidad determinada de alguno de los reactivos y productos que intervienen en una reacción, la cantidad necesaria del resto de los componentes de la misma.

Cálculos masa - masa:

En este caso nos aprovechamos de la relación que hay entre  cantidad de sustancia (en mol), masa de sustancia y masa molar, tal como indica la relación:

cantidad de sustancia =	masa en gramos	;    n (mol) =	m(g)
	masa molar		M (g/mol)

VELOCIDAD DE UNA REACCIÓN QUÍMICA

Para saber si una reacción es rápida o lenta, hay que conocer la velocidad a la que transcurre.  Podemos definir velocidad de reacción como la variación de cantidad de sustancia formada o transformada por unidad de tiempo.

En general, para determinar la velocidad de una reacción, hay que medir la cantidad de reactivo que desaparece o la cantidad de producto que se forma por unidad de tiempo.

Factores que afectan a la velocidad de reacción:

La velocidad de una reacción se ve influida por una serie de factores; entre ellos se pueden destacar:

Naturaleza de los reactivos

Se ha observado que según los reactivos que intervengan, las reacciones tienen distinta velocidad, pero no se ha podido establecer aún unas reglas generales.

Concentración de los reactivos

La velocidad de reacción aumenta con la concentración de los reactivos.  Para aumentar la concentración de un reactivo:

• Si es un gas, se consigue elevando su presión.
• Si se encuentra en disolución, se consigue cambiando la relación entre el soluto y el disolvente.

Superficie de contacto de los reactivos

Cuanto más divididos están los reactivos, más rápida es la reacción. Esto es así porque se aumenta la superficie expuesta a la misma.

Temperatura

En general, la velocidad de una reacción química aumenta conforme se eleva la temperatura.

Presencia de catalizadores

Un catalizador es una sustancia, distinta a los reactivos o los productos, que modifican la velocidad de una reacción. Al final de la misma, el catalizador se recupera por completo e inalterado. En general, hace falta muy poca cantidad de catalizador.

Los catalizadores aumentan la velocidad de la reacción, pero no la cantidad de producto que se forma.

IMPORTANCIA DE LAS REACCIONES QUÍMICAS

Estamos rodeados por reacciones químicas; tienen lugar en laboratorios, pero también en fábricas, automóviles, centrales térmicas, cocinas, atmósfera, interior de la Tierra... Incluso en nuestro cuerpo ocurren miles de reacciones químicas en cada instante, que determinan lo que hacemos y pensamos.

De toda la variedad de reacciones posibles, vamos a ver dos: las de neutralización y las de combustión. Pero antes de verlas, es necesario conocer y dominar el concepto de ácido y base.

Ácidos y bases

Ácidos		Bases
▪Tienen sabor agrio (ácido).		▪Tienen sabor amargo.
▪Reaccionan con ciertos metales, como Zn, Mg o Fe, para dar hidrógeno		▪Reaccionan con las grasas para dar jabones.
▪Reaccionan con las bases para dar sales		▪Reaccionan con los ácidos para dar sales.
Son sustancias ácidas: el ácido clorhídrico (HCl); el ácido bromhídrico (HBr); el ácido nítrico (HNO3); el ácido carbónico (H2CO3) y el ácido sulfúrico (H2SO4), entre otros		Son sustancias básicas el hidróxido de amonio o amoniaco disuelto en agua (NH4OH); y los hidróxidos de los metales alcalinos (LiOH, NaOH, KOH,...) y alcalinotérreos, como el Ca(OH)2, y Mg(OH)2, entre otros

   Para distinguir si una sustancia es ácida o básica, se utiliza la escala de pH, comprendida entre el 1 y el 14:

• Si una sustancia tiene un pH igual a 7, se dice que es neutra, ni ácida ni básica (por ejemplo, el agua pura).
• Si una sustancia tiene un pH menor que 7, tiene carácter ácido.
• Si una sustancia tiene un pH mayor que 7, tiene carácter básico.

En los laboratorios y aquellos otros lugares donde es necesario determinan esta propiedad (como en un análisis de agua potable, por ejemplo), se utiliza un indicador ácido-base, que es una sustancia que presenta un color distinto según sea el pH del medio. Algunos ejemplos se muestran en las dos tablas siguientes:

Indicadores	Color en medio ácido	Color en medio básico
Naranja de metilo	Naranja	Amarillo
Fenolftaleina	Incoloro	Rosa
Azul de bromotimol	Amarillo	Azul
Tornasol	Rojo	Azul

Para ahorrar tiempo y trabajo, se utiliza mucho el papel indicador universal, que es un papel impregnado con una mezcla de indicadores y que adquiere un color distinto según los distintos pH.

Neutralización

Cuando entran en reacción un ácido (por ejemplo, HCl) y una base (NaOH), el primero se disocia liberando H⁺ y Cl^-, mientras que el segundo se disocia en Na⁺ y OH^-. Los iones Cl^- y Na⁺ se unen formando una nueva sustancia neutra (en este caso NaCl), llamada sal y los iones H⁺ y OH^- se unen por su parte para forman H₂O, es decir, agua.

acido + base         →         sal + agua

 

La combustión

La combustión es el proceso químico por el cual una sustancia, llamada combustible, reacciona con el oxígeno. En general, esta reacción es fuertemente exotérmica, desprendiéndose energía en forma de calor, luz o sonido.

Esta reacción no tiene lugar de forma espontánea, sino que, para que comience, ha de aportarse energía a través de una llama o de una chispa eléctrica. Eso si, una vez empezada, continúa por sí sola hasta que se agote el combustible o el oxígeno.

Es una reacción de gran importancia, tanto en la naturaleza como para la actividad humana, ya que es la forma en que los seres vivos y los artefactos humanos obtienen de forma muy mayoritaria su energía.  Reacciones de combustión particularmente importantes son:

• La combustión del carbono. Su ecuación química es la siguiente: C(s) + O₂(g)  →    CO₂(g). El producto es dióxido de carbono y se desprende energía lumínica y calorífica. Cuando esta reacción tiene lugar con poco oxígeno, la reacción es entonces: C(s) + ½O₂(g)  →    CO(g), formándose monóxido de carbono, un gas venenoso y muy peligroso.

• La combustión de hidrocarburos (compuestos cuya base es carbono e hidrógeno). En esta reacción se forma CO₂ y vapor de agua. Es la reacción que tiene lugar en la combustión de los combustibles fósiles (carbón y petróleo), fuente básica de obtención de energía en nuestra sociedad. Un ejemplo de esta reacción es la combustión del metano:

CH4(g) + 2O2(g)  →    CO2 (g) + 2 H2O (g)

• La combustión de la glucosa en el cuerpo humano. La glucosa, procedente de la digestión de ciertos alimentos o de la transformación de otras sustancias, reacciona con el oxígeno presente en las células, produciendo CO₂, agua y liberando energía. Esta reacción es lo que se conoce como respiración, cuya importancia no es necesario recordar.

Balancear la ecuación de la reacción química

En una reacción química el número de átomos no cambia: si había 10 átomos de hidrógeno en los reactantes, debe haber 10 átomos de hidrógeno en los productos.

Cuando chequeamos que entre reactantes y productos la cantidad de átomos son iguales, estamos hablando de balancear la ecuación de la reacción. Por ejemplo:

H(g) + O(g) -> H2o(l)

El hidrógeno y el oxígeno son moléculas diatómicas, es decir,

H2(g) + O2(g) -> H2O(l)

Pero de un lado hay 2 átomos de oxígeno y del otro lado de la flecha hay un solo átomo de oxígeno. Arreglamos esto colocando un 2 delante del agua:

H2(g) + O2(g) -> 2H2O(l)

Ahora tenemos dos átomos de oxígeno a la izquierda y dos átomos de oxígeno a la derecha. Colocamos un 2 delante del H₂ de la izquierda y la ecuación queda balanceada:

2H2(g) +O2(g) -> 2H2O(l)

Tipos de reacciones químicas

Dependiendo de lo que sucede entre reactantes y productos, las reacciones químicas pueden ser las siguientes:

Reacciones de precipitación

Cuando dos soluciones se mezclan y se forma una sustancia sólida que no se disuelve estamos en presencia de una reacción de precipitación. El sólido que se forma se llama precipitado.

La precipitación es el proceso por el cual al formarse una sal a partir de sus iones solubles, esta cae porque no es soluble en agua.

Ejemplo

Cuando a nitrato de plata acuoso AgNO₃ se le añade a una solución de cloruro de potasio KCl, se forma cloruro de plata AgCl que se precipita como un sólido blanco. La reacción es la siguiente:

AgNO3(l) + KCl(l) -> AgCl(s) + KNO3(l)

Reglas para predecir la solubilidad de los compuestos

Soluble	Insoluble
Todos los compuestos que contienen el amonio NH4+ o cationes de metales alcalinos	Todos los carbonatos, sulfitos y fosfatos (excepto los que se forman con amonio NH4+ y cationes de metales alcalinos)
Todos los nitratos y acetatos	Todos los hidróxidos (excepto los que se forman con amonio NH4+y cationes de metales alcalinos)
Todos los cloruros, bromuros y yoduros (excepto los que se forman con Ag, Pb, Hg)	Todos los sulfuros (excepto los que se forman con amonio NH4+y cationes de metales alcalinos y de metales alcalino térreos)
Todos los sulfatos (excepto los que se forman con Ag, Pb, Hg(I), Ba, Sr, Ca	Todos los óxidos (excepto los que se forman con Ca, Ba, y cationes de metales alcalinos)

Reacciones ácido-base o de neutralización

Un ácido es una sustancia que aumenta la concentración de iones hidrógeno (H⁺) en una solución cuando se disocia alguno de sus átomos de hidrógeno. Una base proporciona iones hidroxilo OH^- u otro ión cargado negativamente que reacciona con el H⁺ en solución, bajando la concentración de H⁺.

Cuando un ácido y una base reaccionan se produce una reacción de doble desplazamiento o de neutralización, porque se forma agua. Ejemplo:

H2SO4(ac) +2NaOH(ac) -> Na2So4(ac) +2H2O(l)Reacciones de óxido-reducciónEn las reacciones de óxido-reducción o también llamadas reacciones redox hay transferencia de electrones entre los reactantes. Esto transforma los estados de oxidación de los elementos o compuestos. La corrosión de los herramientas de hierro es un ejemplo clásico de reacción de oxido-reducción.

Oxidación se refiere a la pérdida de electrones, reducción se refiere a la ganancia de electrones. Un agente oxidante es la especie o sustancia que oxida otra especie, reduciéndose en el proceso. Un agente reductor es la especie que reduce otra especie, oxidándose en el proceso.

H2S + Cl2 -> 2HCl + S

En este caso, el sulfuro de hidrógeno (H₂S) es el agente reductor mientras que el cloro (Cl₂) es el agente oxidante.

Reacciones de combinación

Las reacciones de combinación involucran la unión de elementos o moléculas para formar un compuesto:

A + B -> AB

Ejemplo

2Na(s) + Cl2(g) -> 2NaCl(s)

Dos átomos de sodio se combinan con una molécula de cloro gaseoso para dar 2 moléculas de cloruro de sodio.

Reacciones de descomposición

En el caso de las reacciones de descomposición, un compuesto se divide en sus componentes:

AB -> A + B

Ejemplo

2H2O(l) -> 2H2(g) + O2(g)

Dos moléculas de agua se dividen en dos moléculas de hidrógeno y una molécula de oxígeno. Por medio de la electrólisis, el agua se separa en sus componentes hidrógeno y oxígeno.

Reacciones de desplazamiento o reemplazo

En las reacciones de desplazamiento, uno de los reactantes sustituye una parte del otro reactante, como en el siguiente caso:

AB + C -> A + BC

El reactante C desplazó al componente A de la molécula AB.

Ejemplo

Cl2(g) + 2NaBr(s) -> 2NaCl(s) + Br2(g)

Una molécula de cloro gaseoso desplaza el bromo en dos moléculas de bromuro de sodio, produciendo 2 moléculas de cloruro de sodio y una molécula de bromo.

Reacciones de doble desplazamiento

Dentro de las reacciones de desplazamiento, podemos conseguir reacciones donde las partes de los reactantes se intercambian. Estas se conocen como reacción de doble desplazamiento:

Fe2O3 + 6HCl -> 2eCl3 + 3H2O

Esto se lee como el óxido de hierro (III) reacciona con seis moléculas de ácido clorhídrico y forma dos moléculas de cloruro de hierro (III) más tres moléculas de agua.

Otro ejemplo es la reacción entre el sulfato de cobre cuando reacciona con el carbonato de sodio para dar sulfato de sodio y carbonato de cobre en una reacción de doble desplazamiento.

Reacciones de combustión

Un compuesto que contiene carbono reacciona con oxígeno para producir dióxido de carbono, agua y calor.

C3H8(g) + 5O2 -> 3CO2(g) + 4H2O(g) + calor

En este caso una molécula de propano reacciona con cinco moléculas de oxígeno del aire y produce 3 moléculas de dióxido de carbono y 4 moléculas de agua. El producto más importante de esta reacción es el calor.

Reacciones de dismutación

En las reacciones de dismutación una molécula es reducida y oxidada al mismo tiempo. Son raras estas reacciones. El ejemplo clásico es la dismutación del peróxido de hidrógeno:

2H2O2(l) -> 2H2O(l) +O2(g)

En esta reacción el oxígeno del H₂O₂ tiene un estado de oxidación igual a -1. En el H₂O, el estado de oxidación es -2, quiere decir que ganó un electrón y se redujo. En el O₂, el estado de oxidación es 0, es decir perdió un electrón y se oxidó.

Ejemplos de reacciones químicas

En nuestra vida diaria estamos rodeados de reacciones químicas. Algunos de los ejemplos más comunes a continuación.

Reacción del vinagre y el bicarbonato de sodio

El ácido acético, que conocemos comúnmente como vinagre, es un ácido débil. El bicarbonato de sodio, que es una base, reacciona con el vinagre en una reacción de dos etapas. La primera etapa es una reacción de doble desplazamiento:

NaHCO3(s) + CH3COOH(ac) -> CH3COONa + H2CO3(ac)

El sodio Na del bicarbonato se cambia por un hidrógeno del vinagre formando acetato de sodio y ácido carbónico. El ácido carbónico es inestable y experimenta una reacción de descomposición:

H2CO3(ac) -> H2O(l) + CO2

En esta reacción se produce agua y dióxido de carbono. Las burbujas que vemos en esta reacción es el dióxido de carbono en forma gaseosa.

Reacción de los antiácidos

El ácido clorhídrico que se encuentra en el estómago a veces puede provocar malestar o úlceras. Para neutralizarlo, existen diferentes compuestos que se utilizan como "antiácidos" que en realidad son bases. Ejemplos de las reacciones de neutralización del HCl con varios "antiácidos" siguen a continuación:

Al(OH)3(s) + 3HCl(ac) -> AlCl3(ac) + 3H2O(l)

Hidróxido de aluminio más ácido clorhídrico forma cloruro de aluminio y agua.

CaCO3(s) + 2HCl(ac) -> CaCl2(ac) + H2O(l) + CO2(g)

Carbonato de calcio más ácido clorhídrico forma cloruro de calcio, agua y dióxido de carbono.

MgCO3(s) + 2HCl(ac) -> MgCl2(ac) + H2O(l) + CO2(g)

Carbonato de magnesio más ácido clorhídrico forma cloruro de magnesio, agua y dióxido de carbono.

Mg(OH)2(s) + 2HCl(ac) -> MgCl2(ac) + 2H2O(l)

Hidróxido de magnesio más cloro forma cloruro de magnesio y agua.