COLEGIO DE SAN FRANCISCO DE PAULA Sevilla Departamento de Ciencias Naturales Curso 16-17

TEMA 5. Reacciones químicas I

1. CAMBIOS FÍSICOS Y QUÍMICOS

Los cambios físicos son aquellos en que no cambia la naturaleza de las sustancias que lo sufren, por ejemplo: un objeto que cae al suelo, una bombilla que se ilumina gracias al paso de la electricidad, o dos bolas de billar que chocan entre sí. Por el contrario, en los cambios químicos, las sustancias que intervienen se transforman en otras nuevas, con propiedades distintas, por ejemplo: la combustión de un trozo de papel, la realización de café, o la oxidación de una reja de hierro con el paso del tiempo.

Los cambios químicos se llaman reacciones químicas, y, mirando en detalle qué es lo que sucede, todo se reduce a una reordenación de los átomos de las moléculas que intervienen, que pasan de estar unidos entre sí de una forma a estarlo de otra distinta:

Mg(s) + 2 HCl(aq) MgCl2(aq) + H2(g)

En una reacción química los materiales iniciales son los reactivos y las nuevas sustancias que se forman son los productos.

Reactivos Productos

Una reacción química se representa por una ecuación química: Una ecuación química es la expresión que muestra las fórmulas químicas de los reactivos y los productos.

2. TIPOS DE REACCIONES QUÍMICAS

Hay muchas reacciones químicas, sin embargo, pueden clasificarse en cuatro tipos generales: Reacciones de Síntesis, Descomposición, Sustitución simple y Doble sustitución.

2.1. Reacción de síntesis o combinada

En una reacción de síntesis dos o más sustancias simples se combinan para formar una sustancia más compleja: Dos o más reactivos y un solo producto.

Ejemplo: 2 H2 + O2 2 H2O 2 Reactivos 1 producto

2.2. Reacción de descomposición

En una reacción descomposición una sustancia compleja se descompone en sus componentes más simples. Esta reacción es opuesta a la de síntesis. Un reactivo produce dos o más productos.

Ejemplo: 2 H2O 2 H2 + O2

1 reactivo 2 productos

2.3. Reacción de sustitución simple

En una reacción de sustitución simple un elemento sin combinar sustituye a otro en un compuesto. Dos reactivos producen dos productos.

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Tema 1. Estructura de la materia I 2º ESO

Ejemplo: 2 HCl + Zn ZnCl2 + H2

2 reactivos 2 productos

2.4. Reacción de doble sustitución

En una reacción de sustitución doble dos elementos que forman parte de dos diferentes compuestos intercambian sus posiciones para formar un nuevo compuesto. Dos reactivos producen dos productos.

Ejemplo: HCl + NaOH NaCl + H2O 2 reactivos 2 productos

3. LEY DE CONSERVACIÓN DE LA MASA. AJUSTE DE REACCIONES QUÍMICAS.

El químico francés Antoine Laurent de Lavoisier (1743-1794) llevó a cabo un gran número de experimentos con diferentes reacciones químicas, donde medió la masa de todos los componentes de una reacción; que es la masa los reactivos además de la masa de los productos. De los resultados de sus experimentos estableció la siguiente ley conocida como Ley de conservación de la masa.

Cuando se escribe una ecuación química, como la masa se conserva durante la reacción química, es muy importante que la ecuación esté ajustada. Una ecuación está ajustada cuando tenemos el mismo número de átomos de cada elemento en ambos lados de la flecha.

Ejemplo: H2 + O2 H2O

Esta es la reacción entre el hidrógeno y el oxígeno para dar agua. Sin embargo, no está ajustada, ya que no hay el mismo número de átomos de cada elemento a ambos lados de la flecha.

Como hay 2 átomos de H a cada lado de la flecha, el H está ajustado. Sin embargo hay 2 átomos de O a la izquierda de la flecha pero solo 1 átomo de O a la derecha de la flecha. Con objeto de ajustar la ecuación, debemos añadir el número 2 a la molécula de agua (a la derecha de la flecha).

H2 + O2 2 H2O

El número que hemos añadido está ahora multiplicando la fórmula química entera y se denomina coeficiente estequiométrico.

Tenemos ahora 2 átomos de O a ambos lados de la flecha, pero como resultado, el balance de H ha sido modificado. Tenemos ahora 4 átomos de H a la derecha de la flecha y solo 2 átomos a la izquierda.

La Ley de conservación de la masa establece que en una reacción química la masa se conserva. Esto es lo mismo que decir que la masa total de los reactivos es igual a la masa total de los productos o que el número de átomos al comienzo y al final tiene que ser el mismo.

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Con objeto de ajustar ahora la ecuación, necesitamos añadir el coeficiente estequiométrico 2 al H2 en su izquierda.

2 H2 + O2 2 H2O

La ecuación está ahora ajustada. Simplemente cuenta el número de átomos de cada elemento a ambos lados de la flecha para verificarlo.

4. VELOCIDAD DE LAS REACCIONES QUÍMICAS

Algunas reacciones químicas ocurren muy rápidamente, tardando menos de un segundo, mientras que otras tardan cientos de años. Algunas veces es importante conocer exactamente como de rápido ocurre una reacción. Es decir, necesitamos saber la tasa de una reacción.

Cuando estudiamos las tasas de las reacciones químicas, deberíamos tener en cuenta la teoría de la colisión. Esta teoría mantiene que la combinación de las moléculas ocurre cuando ellas colisionan. Así, cuantos más colisiones ocurran en un sistema, más combinaciones de posibles moléculas ocurrirán.

Cuando introducimos el tiempo como un factor, se observa que cuanto mayor se ala cantidad de colisiones por unidad de tiempo, mayor será el número de combinaciones de moléculas y por tanto, más rápidamente tendrá lugar la reacción. Como resultado, una mayor tasa de reacción se observará.

Pero, ¿cómo medimos la tasa de una reacción química?Como regla general para averiguar la velocidad de una reacción, podemos medir la

cantidad de un reactivo consumido por unidad de tiempo, o la cantidad de un producto formado por unidad de tiempo.

La concentración de Ferrocianida formada en una reacción varía en el tiempo con una determinada tasa. Esto puede calcularse a partir de los datos del gráfico.

La tasa es una medida de como de lento o rápido ocurre una reacción. En química, cuando hablamos sobre la tasa de una reacción, nos referimos a la velocidad a la cuál ocurre.

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4.1. Factores que afectan la velocidad de una reacción química

Hay diferentes factores que afectan la velocidad o tasa de una reacción: concentración, temperatura y presión.

a) Concentración: A medida que se incrementa la concentración de de los reactivos, se incrementa la velocidad de la reacción. Cuanto más sustancias se tengan, mayor serán las posibilidades de colisión y por tanto, más rápidamente transcurrirá la reacción. A mayor concentración de reactivos, mayor tasa de reacción.

b) Temperatura: Al cambiar la temperatura de los reactivos, cambia la tasa de la reacción. Si se incrementa la temperatura de un sistema, las moléculas rebotarán más rápidamente al poseer mayor energía cinética. Cuanto más reboten, mayor será la probabilidad de colisión con la mínima energía necesaria y, por tanto, mayor la probabilidad de combinación. Por tanto, la tasa de reacción se incrementará también. Cuando la temperatura incrementa unos 10 ºC la tasa llega a ser el doble aproximadamente.

Por otro lado, si disminuimos la temperatura de un sistema, sus moléculas se moverán más lentamente, y colisionarán menos y con menor energía. La combinación de moléculas también disminuirá y por tanto la tasa de reacción.

c) Presión: Un cambio en la presión también afecta la tasa de una reacción química, particularmente cuando se trabaja con gases. Cuando se incrementa la presión, las moléculas tienen menos espacio, llegando a estar más concentradas. Esta mayor concentración incrementa la probabilidad de colisiones y por tanto, la reacción aumentará su velocidad. Incrementar la presión provocará un aumento de la tasa de reacción. Por otro lado, cuando se disminuye la presión, las moléculas no colisionarán entre ellas tan frecuentemente y la tasa de la reacción química disminuirá.

d) Área Superficial: Cuanto mayor sea el área superficial de una partícula, mayor será la probabilidad de que colisione con otras partículas y por tanto, mayor también la probabilidad de combinaciones. Incrementar el área superficial aumenta la tasa de una reacción. La superficie que presenta un reactivo es tanto mayor cuanto más finamente dividido esté. Es por ello que las reacciones se hagan en disolución o si es en estado sólido, con los reactivos finamente divididos.

e) Catalizador: El uso de un catalizador incrementa la tasa de una reacción química. Un catalizador es una sustancia que cambia la tasa de una reacción química sin estar implicado el mismo en la reacción. Por ello, un catalizador se mantiene sin alterarse químicamente. En la presencia de un catalizador las colisiones entre moléculas necesitarán menos energía. Los catalizadores son muy importantes en la industria, ya que posibilitan que la velocidad de las reacciones químicas sea alta a bajas temperaturas; ahorrando combustibles y dinero.

5. CÁLCULOS ESTEQUIOMÉTRICOS

Los cálculos estequiométricos consisten en averiguar cantidades de una de las sustancias involucradas en una reacción química a partir de datos referidos a otra. En general, los problemas se pueden resolver aplicando siempre el mismo método:

- Escribir y ajustar la reacción química- Convertir en moles usando la fórmula adecuada

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- Relacionar los moles de la sustancia inicial con los de la sustancia problema por medio de la reacción química y los coeficientes que tienen en ella

- Obtener la respuesta final transformando los moles de sustancia problema en aquello que nos pidan (gramos, partículas, etc.)

En estos problemas se suelen emplear estas dos relaciones:

n= mPM

N=n· N A

donde n es el número de moles de la sustancia, m es su masa en gramos, PM es el peso molecular en g/mol, N es el número de partículas y NA es el número de Avogadro (6.02·1023).

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