FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA Y METALURGICA

DOCENTE: Ing. JULIO MUÑOZ VILELA

REACCIONES QUIMICAS

Esta parte de la química se encarga de estudiar los cambios estructurales que sufre la materia para dar origen a nuevas sustancias químicas.Las reacciones químicas se representan mediante la llamada ECUACION QUIMICA en ella a las sustancias iniciales se les denomina REACTANTES y a las sustancias que se obtienen se les denomina PRODUCTOS.

La ecuación química ayuda a visualizar los reactivos que son los que tendrán una reacción química y el producto, que es la sustancia que se obtiene de este proceso. Además se puede ubicar los símbolos químicos de cada uno de los elementos o compuestos que estén dentro de la ecuación y poder balancearlos con mayor facilidad y gran rapidez

Un caso general de ecuación química sería:

donde:

A, B, C, D, representan los símbolos químicos de las moléculas o átomos que reaccionan (lado izquierdo) y los que se producen (lado derecho).

a, b, c, d, representan los coeficientes estequiometricos, que deben ser ajustados de manera que sean reflejo de la ley de conservación de la masa.

Por ejemplo

Reactantes ProductosMnO3 + HCl MnCl2 + 2H2O + Cl22NO2 2NO+ O2KBr + H2SO4 KHSO4 + HBr

Para que las ecuaciones químicas estén correctamente escritas es necesario que cumplan la ley de la conservación de la materiaEn la ecuación química también se puede indicar el estado físico de las sustancias que participan, por tal motivo se considera que:(s)= solido; (l)= liquido; (g) = gas ; (ac) = disuelto en agua ( acuoso)

CLASES O TIPOS DE REACCIONES QUÍMICAS:

2.2.1 REACCION DE COMPOSICIÓN O SÍNTESIS: En las reacciones de síntesis o composición es donde dos

reactantes se combinan para formar un solo producto. Muchos elementos reaccionan con otro de esta manera para formar compuestos, por ejemplo:

2CaO(s) + 2H2O(l) 2Ca(OH)2(ac)

en esta formula se mezclan 2 moles de oxido de calcio sólido con 2 moles de agua liquida reacciona produciendo 2 moles de dihidroxido de calcio acuoso.

2.2.2 REACCION DE DESCOMPOSICION O ANÁLISIS: Este tipo de reacción es contraria a la de composición o síntesis ya que en esta no se unen 2 o mas moléculas para formar una sola, sino que una sola molécula se divide o se rompe para formar varias moléculas mas sencillas, por ejemplo:

2HgO (s) 2Hg(l) + O2(g)

en esta formula una 2 molécula de oxido de mercurio sólido se descomponen o dividen para formar 2 moléculas de mercurio y una de oxigeno, las cuales son mas sencillas que la primera.

2.2.3 REACCION DE DESPLAZAMIENTO O SUSTITUCION SIMPLE: En este tipo de reacción, un elemento libre sustituye y libera a otro elemento presente en un compuesto, su ecuación general es:

CuSO4 + Fe FeSO4 + Cu

En esta reacción un mol de sulfato de cobre con 1 mol de hierro para formar sulfato de hierro y cobre

2.2.4 REACCION DE DOBLE SUSTITUCION O DOBLE DESPLAZAMIENTO: Son aquellas reacciones que se dan por intercambio de átomos entre los reactivos

AB + CD----------------- AC + BD

Por Ejemplo:

K2S + MgSO4 K2SO4 + MgS

En esta reacción 1 mol de sulfuro de potasio reaccionan con sulfato de magnesio para formar sulfato de potasio y sulfuro de magnesio.

BALANCEO DE ECUACIONES:

Se trata de escribir correctamente una ecuación química basada en la ley de la conservación de la materia, es decir, se tiene que cumplir que el numero de atomos de cada elemento sea el mismo en los reactantes y productos.Para balancear ecuaciones se debe considerar las siguientes reglas:a).- se trata de buscar un coeficiente adecuado para cada sustancia de la Ecuacion, este coeficiente solo será colocado delante de la formula o símbolo de la sustancia.b).- el coeficiente debe ser un numero entero, positivo y especialmente el mas pequeño posible.

c).- como hemos indicado los coeficientes deben permitir igualar el numero de atomos de cada elemento en ambos lados de la flecha.d).- por ningún motivo se debe modificar las formulas o símbolos de las sustancias que participan en la reacción química.e).- cada numero presente en la ecuación química indica una cantidad determinada de atomos, por ejemplo:

5 Ca3 ( PO4)2 afecta a todos los elementos del paréntesis

Afecta solo al Oxigeno

Indica la unidad

Afecta solo al Calcio

Coeficiente que afecta a todos los elementos de la derecha

Numero de Ca = 5 x 3 = 15Numero de Fosforo = 5 x 2 x 1 = 10Numero de Oxigeno = 5 x 2 x 4 = 40Existen diversos métodos para realizar un balance de Ecuaciones, tenemos:

Metodo del Tanteo

Se utiliza para balancear ecuaciones sencillas. Se tienen las siguientes recomendaciones:

- Empieze con los elementos metálicos o por aquel elemento que se encuentre presente en pocas sustancias.

- Si existen hidrógenos y /u oxígenos se recomienda dejarlos para el ultimo.

- Si un coeficiente no es entero entonces multiplique a todos por el mayor de los denominadores, obteniéndose de esta manera lo buscado.

Como se trata de un tanteo recuerde que las reglas indicadas son recomendaciones.Ejemplos:Balancear:N2 + H2 NH3

Al(OH)3 + H2SO4 Fe + HCl FeCl3 + H2

Metodo Algebraico:

También denominado método de los coeficientes indeterminados (CI), se trata de un método netamente algebraico que se utiliza para balancear a toda ecuación química. Las reglas para su aplicación son:a).- en primer lugar colocamos coeficientes literales a todas las sustancias que participan en la ecuación química

b).- balanceamos cada elemento en función a las variables literales y de esa manera formamos las respectivas ecuaciones algebraicas.

c) sabemos que es necesario que el numero de ecuaciones algebraicas debe ser igual al numero de incognitas o variables literales. Por ese motivo de acuerdo al numero de ecuaciones algebraicas faltantes se asume valores numéricos convenientes a igual numero de incoginitas.es decir que si falta una ecuación algebraica tendremos que dar un valor numérico a una sola de las variables; si faltan 2 ecuaciones tendremos que dar valores numéricos a 2 variables y asi sucesivamente.

d) tener cuidado que después de resolver el sistema de euaciones algebraicas, es necesario que los valores de las incognitas sean enteros los números mas pequeños posibles. En caso se no ser enteros se procede a multiplicar a todos por el mayor de los denominadores.

Ejemplo:H2SO4 +HBr SO2 + H2O + Br2

Primer paso : colocamos coeficientes literales

A H2SO4+B HBr C SO2 + D H2O+E Br2

Luego balanceamos cada element formando las ecuaciones algebraicasH…… 2A + B = 2D ……(1) S…… A = C ……(2) O…… 4A = 2C + D ……(3) Br……B= 2E ……(4)

Como son 5 variables y solo 4 ecuaciones, entonces asumimos convenientemente un valor numérico a una de las variables

A= 1……..(5)

Procedemos a la solución del sistema de ecuaciones

De (5) en (1) C= 1De (5) y (7) en (1) 2(1) + B = 2(2) B = 2De (5) y (6) en (3) 4(1) = 2(1) + D D= 2 ; E = 1Por lo tanto:1 H2SO4+2 HBr 1 SO2+ 2 H2O+1 Br2

Ejercicio: balancear:

KOH+ Cl2 KClO3 + KCl +H2OFeSO4 + HBrO + HCl FeCl3 + H2SO4 + HBr + H2O

Método Redox:Se trata de un método netamente quimico donde es necesario utilizar las siguientes definiciones:

Oxidacion

Es aquel fenómeno o proceso quimico donde un atomo, molecula o Ion pierde electrones. El numero de oxidación aumenta Ejemplo: las semireaccionesFe+2 Fe+3 Cu0

Cu+2

Al Al+3 2H2 H+1

De los ejemplos se puede observar que es necesario realizar un balance de masa y un Balance de carga, este ultimo se refiere a que la carga neta total debe ser igual en ambos lados de la flecha y de no ser asi ,se utiliza el adecuado numero de electrones para dicho balance:

CARGA NETA INICIAL = CARGA NETA FINAL

Reduccion

Es aquel proceso químico donde un atomo , molecula o Ion gana electrones. El numero de oxidación disminuye.S+6 S+2 Se denomina AGENTE OXIDANTE a la sustancia que contiene al elemento que se reduceSe denomina AGENTE REDUCTOR a la sustancia que contiene al elemento que se oxida.

CARACTERÍSTICAS DE LAS REACCIONES QUÍMICAS

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

b.- 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.

c.- 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.

H2 + O2 H2OCl2 + H2 HCl

Cl2 + Na NaClN2 + H2 NH3N2 + O2 N2O3CO + O2 CO2Zn + HCl ZnCl2 + H2Al + HCl AlCl3 + H2C6H12O6 + O2 CO2 + H2OC2H6O + O2 CO2 + H2OC3H5(NO3)3 N2 + O2 + CO2 + H2O

1.- Luego de balancear por el método RedoxCuO + NH3 Cu + N2 + H2OIndique si es Verdadero o Falso

El agente oxidante es NH3La forma Reducida es el CuSe transfieren 8 electronesEl Cu se Oxida

2.- Luego de balancear la siguiente ecuación química

P2O3 + Cl2 + H2O H3PO4 + HClCalcular la suma de coeficientes del agente reductor, forma reducida y Agua

3.- balancear la siguiente ecuación Redox:NaI + H2SO4 H2S + I2 + Na2SO4 +H2OIndique la suma de coeficientes totales

4.- Balancear Cl2 + HNO3 H2O + NO2 + HClO4Indicar el numero de electrones transferidos

3.- dada la siguiente ecuación aplicando el método del Ion electronCuS + HNO3 Cu(NO3)2 + S + NO + H2O

http://www.quimicaweb.net/grupo_trabajo_fyq3/tema6/index6.htm

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ESTEQUIOMETRIA

Es una parte de la química que estudia las relaciones cuantitativas entre las sustancias que intervienen en una reacción química, asi como las transformaciones que ocurren en ella, las cuales se rigen por la ley de la destruyen durante una reacción químicaAlgunas relaciones pueden ser:

Mol – mol Mol - gramos Gramos- gramosMol- volumen Volumen- gramos Volumen- volumen

Entonces el mismo conjunto de átomos esta presente antes, durante y después de la reacción. Los cambios que ocurren en una reacción química simplemente consisten en una reordenación de los átomos.Los coeficientes estequiometricos indican el número de átomos de cada elemento y el número de moléculas de cada compuesto que intervienen en la reacción

2H2 + O2 H2O

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:

Para ver cómo se hace, lee el enunciado del problema siguiente:

- Se quiere calcular la cantidad de cloruro de calcio que se obtiene cuando 50 g de carbonato de calcio se hacen reaccionar con la cantidad suficiente de ácido clorhídrico, en una reacción en la que se obtienen, además, agua y dióxido de carbono

Cálculos volumen - volumen

La ley de Avogadro dice lo siguiente: Volúmenes iguales de diferentes gases en las mismas condiciones de presión y temperatura, contienen el mismo número de partículas

1.- ¿Que volumen de nitrógeno y de hidrogeno se necesitan para obtener 10 lt de Amoniaco, medidas a la misma presión y temperatura?

2.- Cuando el calcio arde en atmósfera de cloro, se forma cloruro de calcio sólido. ¿Qué cantidad de cloro reaccionaría completamente con 80 g de calcio?

3.- Al calentar el carbonato de cobre se descompone en óxido de cobre y dióxido de carbono. Calcula la masa de carbonato de cobre que hay que descomponer para obtener 44 g de dióxido de carbono.

4.- El carbonato de calcio reacciona con el ácido clorhídrico diluido para dar cloruro de calcio, agua y dióxido de carbono. Calcula la cantidad de cloruro de calcio que se obtiene cuando 70 g de carbonato de calcio reacciona con la cantidad suficiente de ácido clorhídrico.

5.- El óxido de magnesio, se obtiene al reaccionar magnesio sólido con oxígeno gaseoso. ¿Qué cantidad de magnesio se precisa para obtener 2 mol de óxido de magnesio?

6.- La reacción de azufre y cobre da como resultado sulfuro de cobre (II). ¿Qué masa de sulfuro de cobre (II) se obtiene al hacer reaccionar 16 g de azufre con la cantidad adecuada de cobre?

7.- El monóxido de carbono reacciona con el oxígeno para dar dióxido de carbono. ¿Qué volumen de oxígeno reaccionaría con 20 l de monóxido de carbono?

8.- ¿Qué volumen de amoniaco se puede obtener al reaccionar 15 l de hidrógeno con la cantidad suficiente de nitrógeno, ambos medidos a la misma presión y temperatura?

9.- el dióxido de azufre reacciona con el oxígeno para dar trióxido de azufre. ¿Qué volumen de esta sustancia se obtiene cuando reaccionan 25 l de dióxido de azufre con la cantidad suficiente de oxígeno?

10.- ¿Qué volumen de oxígeno se necesita para completar la combustión completa de 250 centímetros cúbicos de butano?

Leyes Ponderales

2 moléculas de hidrógeno

1 molécula de oxígeno

2 moléculas

de agua

- Ley de conservación de la Masa o ley de LavoisierEn toda reacción química, la suma de las sustancias reaccionantes que se transforman es exactamente igual a la suma de las nuevas sustancias formadas o productos; por lo tanto, la masa no se crea ni se destruye solamente se transforma.

- Ley de composición Constante o Proporciones definidas ( PROUST)

Cuando 2 o mas elementos se combinan para formar un determinado compuesto, lo hacen siempre en una relación o proporción en lasa fija o invariable.

De acuerdo con la ley de Proust, las sustancias químicas se combinan en proporciones constantes y definidas, pero de acuerdo con esta afirmación se puede observar 2 variaciones que afectan a las reacciones”.

a) Reactivo Limitante ( R.L).- es la sustancia reactante que se halla en menor proporción y por lo tanto se agota o consume totalmente en la reacción, determinando la cantidad máxima de producto a obtenerse.

b) Reactivo en Exceso ( R.E).- es la sustancia reactante que se halla en mayor proporción y por lo tanto sobra al finalizar la reacción, pues no reacciona

2H2 + 1O2 2H2O2 mol 1mol 2mol4g 32g 36g

1g 8g 9g 5g 50g 45g

Exceso : x g O2R.Limitante : H2

Relación

Determinación del Reactivo Limitante

1.- tener la ecuación química balanceada2.- determinar la relación ponderal de cada sustancia reaccionanante según coeficiente estequiometrico multiplicado por el peso molecular de dicha sustancia.3.- se determina la relación

4.- el menor valor indicara el reactivo limite, y el mayor valor indicara el reactivo en exceso.

Ley de las Proporciones Multiples ( Dalton)

Los pesos de un elemento que se unen con otro elemento para formar distintos compuestos, varian según una relación sencilla de números enteros.

REACCION PESO RELACION DE PESOSS O

S+O2SO 32g 16g 1 x 16gS+O2SO2 32g 32g 2 x 16gS+O2SO3 32g 48g 3 x 16g

Proporción de peso del oxigeno : 1 : 2 : 3

Ley de las Proporciones Reciprocas ( Wenzel- Richter)

Cuando 2 pesos fijos de sustancias distintas se combinan separadamente con un mismo peso de una tercera sustancia, entonces se combinan entre si en la misma proporción en peso o múltiplos de ellos.Esta ley permitió establecer el PESO DE COMBINACION O PESO EQUIVALENTE LLAMADO TAMBIEN PESO DE REACCION. Esta ley se conoce como “LEY DE COMBINACION QUIMICA”Cuando las sustancias se combinan siempre lo hacen en igual cantidad de equivalentes gramo.

A + B C + D#Eq-g(A )= #Eq-g(B) = #Eq-g(C) = #Eq-g(D)

Ejemplo:

2Fe + 1O2 2FeO112g 32g2S + 1O2 2SO64g 32g

Luego:Fe + S FeS56g 32g

Leyes Volumétricas ( Gay Lussac)

Ley de los volumenes definidos

En cualquier reacción química a la misma presión y temperatura los volúmenes de las sustancias gaseosas que intervienen, lo hacen en proporciones definidas o constantes y están en una relación de números enteros y sencillos.

Ley de los volúmenes comparativos:

Cualquier reacción química entre gases y a las mismas condiciones de presión y temperatura, los volúmenes de todos los productos son iguales o menores a los volúmenes de todos los productos.Contracción Volumétrica ( CV)

En algunos procesos químicos donde intervienen sustancias gaseosas hay una disminución del volumen total de los gases reaccionantes al pasar a formar nuevas sustancias gaseosas.Se calcula asi:

Porcentaje de pureza de una muestra química

En una reacción química solo intervienen sustancias químicamente puras, las impurezas no reaccionan, por lo tanto en los cálculos estequiometricos solo se trabajara con la parte pura de la muestra química

Porcentaje de Rendimiento o Eficacia:

Para entender mejor definamos primero rendimiento teórico y rendimiento real.

Rendimiento Teórico: es la cantidad máxima de un producto obtenido cuando se ha consumido totalmente (100%) el reactivo limitante, esta cantidad se determina en base a la ecuación química balanceada es decir por ESTEQUIOMETRIA.

Rendimiento Real: es la cantidad obtenida de un producto en la practica o en forma experimental, cuando se ha consumido totalmente el reactivo limitante.La comparación porcentual del rendimiento real y rendimiento teórico se llama eficiencia o porcentaje de rendimiento para obtener un producto deseado.

ACTIVIDADES DE APRENDIZAJE

1.- Luego de balancear por el método RedoxCuO + NH3 Cu + N2 + H2OIndique si es Verdadero o Falso

El agente oxidante es NH3La forma Reducida es el CuSe transfieren 8 electronesEl Cu se Oxida

2.- Luego de balancear la siguiente ecuación química

P2O3 + Cl2 + H2O H3PO4 + HClCalcular la suma de coeficientes del agente reductor, forma reducida y Agua

3.- Balancear la siguiente ecuación Redox:NaI + H2SO4 H2S + I2 + Na2SO4 +H2OIndique la suma de coeficientes totales

4.- Balancear

Cl2 + HNO3 H2O + NO2 + HClO4Indicar el numero de electrones transferidos

5.- dada la siguiente ecuación aplicando el método del Ion electrónCuS + HNO3 Cu(NO3)2 + S + NO + H2O

6.- Para la siguiente reacción:A2 + B2 ABPara 4 mol de A2. Hallar los moles del producto formado.

7.- se hace reaccionar 3 moles de Hidrogeno con suficiente cantidad de oxigenoH2 + O2 H2OHallar los moles de H2O existente

8.- cuantos gramos de calcio se requieren para preparar 50 g de hidrogeno según:Ca + H2O Ca(OH)2 + H2

9.- cuantos gramos de oxido de magnesio se obtiene en la descomposición pirolitica de 0.8 Kg de MgCO3

MgCO3 MgO + CO2

10.- Cuantos litros de NH3 se producirán a partir de 60 litros de nitrógeno.

11.- que volumen de gas amoniaco en ml se obtendrá de la reacción de 1.4 g de gas nitrógeno con suficiente cantidad de hidrogeno a condiciones normales.

12.- al disponer de 28g de N2 y 28g de H2. El reactivo limitante en la formación del NH3 es.

13.- en un recipiente se colocan 40g de H2 y 350g de O2 para formar H2O. ¿Cuál es el % de reactivo en exceso?

14.- en la combinación de 20g de calcio en 30g de agua. Cual es el reactivo limite y la sustancia en exceso

15.- Balancear:

H2 + O2 H2OCl2 + H2 HClCl2 + Na NaClN2 + H2 NH3N2 + O2 N2O3CO + O2 CO2Zn + HCl ZnCl2 + H2Al + HCl AlCl3 + H2C6H12O6 + O2 CO2 + H2OC2H6O + O2 CO2 + H2OC3H5(NO3)3 N2 + O2 + CO2 + H2O

16.- se produce la siguiente reacción:Cu + HNO3 Cu(NO3)2 + NO + H2O

Hallar la masa de Cu(NO3)2 obtenido a partir de 21 moles de cobre si el rendimiento es 80%