Universidad Nacional Mayor de San Marcos Facultad de Química e Ingeniería Química

FUNDAMENTO TEÓRICO

REACCIONES QUÍMICAS:

Una reacción química, cambio químico o fenómeno químico, es todo proceso termodinámico en el cual una o más sustancias (llamadas reactantes), por efecto de un factor energético, se transforman, cambiando su estructura molecular y sus enlaces, en otras sustancias llamadas productos. Esas sustancias pueden ser elementos o compuestos. Un ejemplo de reacción química es la formación de óxido de hierro producida al reaccionar el oxígeno del aire con el hierro de forma natural, o una cinta de magnesio al colocarla en una llama se convierte en óxido de magnesio, como un ejemplo de reacción inducida.

A la representación simbólica de las reacciones se les llama ecuaciones

químicas.

Los productos obtenidos a partir de ciertos tipos de reactivos dependen

de las condiciones bajo las que se da la reacción química. No obstante,

tras un estudio cuidadoso se comprueba que, aunque los productos

pueden variar según cambien las condiciones, determinadas cantidades

permanecen constantes en cualquier reacción química. Estas cantidades

constantes, las magnitudes conservadas, incluyen el número de cada

tipo de átomo presente, la carga eléctrica y la masa total.

TIPOS DE REACCIONES QUÍMICAS:

A.-Por el comportamiento de los reactantes:

1- Reacciones de Síntesis o Adición:Las reacciones de síntesis o adición son aquellas donde las substancias se juntan formando una única sustancia. Representando genéricamente los reactivos como A y B, una reacción de síntesis puede ser escrita como:

A  + B →ABVeamos algunos ejemplos:

Fe + S →FeS2H2 + O2 →2H2O

H2O + CO2 → H2CO3

Perciba en los ejemplos que los reactivos no precisan ser necesariamente substancias simples (Fe, S, H2, O2), pudiendo también

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ser substancias compuestas (CO2, H2O) pero en todas el producto es una sustancia “menos simple” que las que originaron.

2- Reacciones de Análisis o Descomposición:Las reacciones de análisis o descomposición son lo opuesto de las reacciones de síntesis, o sea, un reactivo da origen a productos más simples que el. Escribiendo la reacción genérica nos resulta fácil entender lo que sucede:

AB → A + B¿No parece simple? Lo es bastante. Veamos algunos ejemplos:2H2O →2 H2 + O2

2H2O2 →2H2O + O2

3- Reacciones de Desplazamiento:Las reacciones de desplazamiento o de sustitución simple merecen un poco más de atención que las anteriores. No que sean complejas, pues no lo son, pero tienen algunos pequeños detalles. En su forma genérica la reacción puede ser escrita como:

AB + C →A + CBVamos a entender lo que sucede: cambio de lugar A. Simple asi, pero será que esto ocurre siempre? Intuitivamente la respuesta es que no. Imagina lo siguiente: Entras en un baile y ves a la persona con la que te gustaría bailar bailando con otra persona. Vas a ir hasta ella e intentar hacerla cambiar de pareja, estarás intentando desplazar el acompañante indeseable y asumir su lugar. Si resulta que eres más fuerte que el “indeseable” basta darle un empujón para asumir su lugar, pero si él fuera un bruto troglodita, posiblemente el no sentirá ni el empujón que le des.En la reacción de desplazamiento el proceso es idéntico: C ve a B ligado a A, se aproxima y siendo más fuerte, desplaza A y asume la ligación con B. En caso que C no sea más fuerte que A, nada sucederá.Bastará entonces saber quién es más fuerte.

Au<Ag<Cu<H<Pb<Sn<Ni<Fe<Cr<Zn<Al<Mg<Na<Ca<K<Li

Metales nobles < hidrogeno < metalesDe esta forma, tenemos:2Na + 2H2O —– > 2NaOH + H (el sodio desplaza al hidrógeno del agua H-OH)Au + HCl  —– > no reacciona (el oro no consigue desplazar al hidrógeno)

4- Reacciones de Doble Sustitución:Sn también muy simples, pero debemos quedar atentos a los detalles. El mecanismo es fácil:

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AB + CD →AD + CBCiertamente ya habrá podido ver lo que sucede. A cambió de lugar con C. La diferencia de este tipo de reacción con el desplazamiento, es que ni A ni C estaban solos y en ambos casos ninguno de ellos quedó solo luego de la sustitución.Para entender como es cuando una reacción de este tipo ocurre, tendremos que observar lo siguiente:La substancia AB esta en solución y de esta forma lo que tenemos en verdad son los iones A+ y B- separados unos de los otros. La substancia CD también está en solución, por tanto tenemos también los iones C+ y D- separados.Cuando juntamos las dos soluciones estamos promoviendo una gran mezcla entre los iones A+, B-, C+ y D-, formando una gran “sopa de iones”.Si al combinar C+ con B-, el compuesto CB fuera soluble, los iones serán nuevamente separados en C+ y B-, resultando exactamente en la misma cosa que teníamos anteriormente. Lo mismo sucede con A+ y B-

Así, al mezclar AB con CD, estamos en verdad haciendo:(A+ ) + (B-) + (C+ ) + (D-)

Tomemos en cuenta que juntar iones que se separarán nuevamente resultará en la misma “sopa de iones” y no resulta en ninguna nueva substancia, por tanto no ocurre ninguna reacción.Para que la reacción efectivamente ocurra, será necesario que al menos uno de los probables productos (AD o CB) no sean separados al juntarse, o sea, deben formar un compuesto insoluble y esto es logrado a través de una sal insoluble, de un gas o de agua.Si uno de los productos fuera una sal insoluble el no será separado en iones y permanecerá sólido. Si fuese un gas, el se desprenderá de la solución (burbujas) y también permanecerá con sus moléculas agrupadas. Mientras que si uno de los productos fuese agua, ella no se desagrega en su propia presencia.

NaCl + AgNO3 → NaNO3 + AgClEn esta reacción el producto AgCl (cloruro de plata) es insoluble, por tanto la reacción ocurre.NaCl + LiNO3 → NaNO3 + LiClComo ninguno de los productos formados, NaNO3 (nitrato de sodio) o Lic. (Cloruro de Litio) es insoluble, la reacción no sucede.NaOH + HCl → NaCl + H2OComo uno de los productos es agua (H2O), la reacción ocurre.Para la previsión de ocurrencia o no de una reacción de doble desplazamiento es fundamental que conozcamos la solubilidad de las salen en agua, y para recordar esto lea acerca de solubilidad en el agua.

B.- Por el comportamiento del producto REVERSIBLE

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Una reacción reversible es una reacción química que se efectúa en ambos sentidos simultáneamente, es decir, los productos reaccionan entre sí y regeneran a los reactivos. Consideremos por ejemplo la reacción de los reactivos A y B que se unen para dar los productos C y D, ésta puede simbolizarse con la siguiente ecuación química.

Los coeficientes estequiométricos, es decir, el número relativo de moles de cada sustancia que interviene en la reacción se indican como a, b para los reactivos y c, d para los productos, mientras que la doble flecha indica que la reacción puede ocurrir en uno u otro sentido, directo e inverso.

Puesto que la reacción puede proceder en ambas direcciones y el sentido neto de la reacción está definido por la presión, la temperatura y la concentración relativa de reactivos y productos en el medio en que se desarrolla, la definición de reactivos y productos en este tipo de reacciones es convencional y está dada por el tipo de proceso estudiado.

Los reactivos suelen estar en su máxima concentración al principio de la reacción, pero a medida que la reacción evoluciona y la concentración de los productos aumenta, también se incrementa la velocidad de la reacción inversa. Cuando este tipo de reacciones se llevan a cabo para obtener determinado producto suele ser necesario ir separando dicho producto del medio que reacciona a medida que se van introduciendo los reactivos.

IRREVERSIBLE:

Una reacción irreversible es una reacción química que se verifica en un solo sentido, es decir, se prolonga hasta agotar por lo menos una de las sustancias reaccionantes. Puede simbolizarse con la siguiente ecuación química:

Donde la flecha indica un único sentido para la reacción. En la reacción irreversible la reacción inversa prácticamente no ocurre y en consecuencia en el equilibrio el reactivo en defecto (el que se encuentra en menor cantidad) puede llegar a agotarse. Que un reactivo se agote significa que en el equilibrio su concentración será nula o despreciable

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(tenderá a cero). en un extremo, "casos especiales" de reacciones reversibles.

Las reacciones de combustión son un ejemplo de reacciones irreversibles, en las que K puede tomar valores del orden de 10100. Por ejemplo el petróleo, que podemos simbolizar con (o la madera) en presencia de oxígeno:

Se quemará para dar dióxido de carbono (CO2) y agua (H2O) los cuales necesitarán de los procesos biológicos de fotosíntesis para volver a transformarse en sustancias orgánicas, ya que la reacción inversa no sucederá en forma espontánea.

C.- Por la reacción involucrada:

EXOTERMICA:

El prefijo exo significa “hacia fuera”. Por lo tanto entendemos que las reacciones exotérmicas son aquellas que liberan energía en forma de calor. El esquema general de una reacción exotérmica puede ser escrito de la manera siguiente, donde A.B.C Y D representan sustancias genéricas.

A + B → C + D + calor

Hr HP

Entalpia de reactivos Entalpia de productos

A partir de la Ley de la Conservación de Energía, podemos afirmar que “La energía total de los reactivos es igual a la energía total de los productos”.En otras palabras, toda la energía que entró en el primer miembro de la ecuación química, debe salir íntegramente en el segundo miembro de la ecuación. De donde obtenemos la siguiente conclusión: si una reacción es exotérmica, entonces la entalpía de los reactivos (Hr) es mayor que la entalpía de los productos (Hp ), pues una parte de la energía que estaba contenida en los reactivos fue liberada para el medio ambiente en forma

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de calor y apenas otra parte de esa energía quedó contenida en los productos. Entonces en una reacción exotérmica: Hr > Hp

No es posible determinar directamente la entalpía de cada sustancia participante de una reacción, pero podemos determinar experimentalmente la variación de entalpía ΔH, que ocurre cuando una reacción química es realizada.Variación de Entalpia: ∆H = H final (productos) - H inicial (reactivos)

Ó ∆H = Hr - Hp

Como en la reacción exotérmica Hr > Hp, entonces en este tipo de reacción el valor de ΔH será siempre negativo. Siendo que la reacción exotérmica: ΔH > 0.Observa que no existe energía negativa; un sistema contiene energía. El signo negativo de DH quiere decir apenas que la energía fue liberada.

ENDOTERMICA:

El prefijo endo significa “hacia adentro”. Por lo tanto se entiende que las reacciones endotérmicas son aquellas que absorben energía en forma de calor. El esquema general de una reacción endotérmica puede ser escrito de la siguiente manera, donde A, B, C y D representan sustancias genéricas.

A + B + calor → C + D

Hr HP

Entalpia de reactivos Entalpia de productos

Una vez que la energía total se conserva del primer para el segundo miembro de cualquier reacción química, podemos afirmar que: si una reacción es endotérmica, la entalpía de los productos Hp es mayor que la entalpía de los reactivos Hr , pues una determinada cantidad de energía fue absorbida por los reactivos en forma de calor, durante la reacción, quedando contenida en los productos. Siendo que en la reacción endotérmica: Hp > Hr.Y siendo DH = Hp — Hr , entonces en la reacción endotérmica el valor de ΔH será siempre positivo. Siendo que en la reacción endotérmica: ΔH > 0.

D.-Por el cambio en el número de oxidación:

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RECCIÓN REDOX:Las reacciones redox o de óxido-reducción son aquellas donde hay movimiento de electrones desde una sustancia que cede electrones (reductor) a una sustancia que capta electrones (oxidante).

La sustancia que cede electrones, se oxida.La sustancia que gana electrones, se reduce.Puede sonar raro que la sustancia que se oxida pierda electrones y la sustancia que se reduce gane electrones, porque uno se pregunta, ¿cómo se puede reducir una sustancia que está ganando algo? Precisamente porque lo que está ganando son electrones, que tienen carga negativa.Uno en la vida puede ganar muchas cosas positivas, pero también puede ganarse problemas, que son cosas negativas. Por suerte, ganar o perder electrones no es problema para ninguna sustancias, pero puede serlo para ti si no sabes cómo responder una pregunta de oxidación reducción.

La sustancia que se oxida al reaccionar, reduce a la otra sustancia con la cual está reaccionando, porque le está regalando electrones: decimos que es un reductor.La sustancia que se reduce al reaccionar, oxida a la otra sustancia con la cual está reaccionando, porque le está quitando electrones: decimos que es un oxidante. 

NO REDOX:No hay variación en el número de oxidaciónEjemplo: NaCl(ac) + AgNO3 → AgNo3 + NaNO3

CARACTERISTICAS DE LOS PRODUCTOS

1.- FORMACION DE PRECIPITADO

AMORFO: Una posibilidad para el crecimiento cristalino, la formación de precipitados amorfos, es importante cuando las razones de sobresaturación son extremadamente altas. Tales razones son difíciles de evitar cuando se trabaja con sustancias de productos de solubilidad extremadamente pequeños. La forma de un precipitado depende de

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parte de la relación entre velocidades de agregación y de orientación. En ciertas sales, cuando la sobresaturación es suficientemente elevada pueden formarse rápidamente agregados iónicos distribuidos al azar y luego tender a ganar estabilidad por reordenamiento en una red cristalina regular. Cuando la velocidad de orientación es baja comparada con la velocidad de agregación, el precipitado es amorfo. Los óxidos hidratados son ejemplo.

CRISTALINO: Se llaman precipitados cristalinos, los formados por muy pequeños cristales de la sustancia, que sedimenta con rapidez y puede separarse de la disolución con facilidad por filtración y lavado; por ejemplo, ala mezclar una disolución acuosa de HClO4 con otra KCl, se forma un precipitado blanco, cristalino, de kClO4.

COLOIDAL: Invisibles a simple vista y al microscopio óptico ordinario. Son soluciones aparentemente claras y homogéneas aunque sus partículas son lo suficientemente grandes para dispersar la radiación visible. Sus partículas tienen la tendencia de retener en su superficie a algunos iones presentes lo que hace que dicha superficie quede cargada con respecto a la solución. La retención de iones también se conoce como "adsorción". También puede suceder una adsorción secundaria con iones de carga opuesta (contraiones) a los primeros. Esta doble capa electrónica es lo que impide que el precipitado coagule en partículas más grandes que faciliten el filtrado para el trabajo de laboratorio. Hay técnicas para favorecer la coagulación pero no me voy a extender mas con eso.

2.- SIN FORMACION DE PRECIPITADOS

CON COLORACION: La solución tiene un respectico color de acuerdo a su formación. Se les puede identificar con pedazos de papel tornasol.

SIN COLORACION: La solución se ve incolora.

REACCIONES CON FORMACION DE ION PRECIPITADO:

Se puede explicar con un ejemplo:

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En un recipiente hay un precipitado blanco AgCl(s) ↔ Ag+(aq) + Cl-(aq). Si se añade NH3 concentrado se establece el equilibrio de formación de complejos Ag+ + 2NH3 ↔ [Ag(NH3)2]+ . Como se consumen iones plata para formar el complejo, el equilibrio de precipitación se desplaza a la derecha, de manera que si se añade suficiente amoniaco, se puede disolver todo el precipitado que había inicialmente.

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