TEMA 10 – LAS REACCIONES QUIMICAS

 

1-La Reacción Química

Cuando se prepara una disolución, por ejemplo de sal en agua, o se mezclan algunas substancias nuevas, como el azufre y limaduras de hierro, no se forman substancias nuevas. Si se evapora el agua de la disolución, se puede recuperar la sal, y es posible separar las limaduras de hierro del azufre con un imán.

 

Experimento:

1- Llena de agua un tubo de ensayo hasta la mitad.

2- Añade una cantidad pequeña de nitrato de plata.

3-Agita el tubo hasta que se disuelva

4-Añade con un cuentagotas una cantidad pequeña de ácido clorhídrico

 

Explicación: El sólido blanco que se ha depositado en el fondo del recipiente es cloruro de plata. El nitrato de plata y el ácido clorhídrico han reaccionado formando el cloruro de plata (con propiedades diferentes a las de las substancias iniciales)

Ha tenido lugar una reacción química.

 

En todo cambio químico, se produce una ruptura de enlaces, pero no de átomos; estos enlaces se reorganizan formando otros nuevos,  que dan lugar a substancias distintas de las iniciales.

 

Una Reacción Química es el proceso que, mediante una reorganización de enlaces y átomos, una o más substancias iniciales se transforman en otras distintas

 

2- Cantidad de sustancia. El mol y la masa molar.

 

Las reacciones químicas no tienen lugar entre átomos o moléculas aisladas, sino entre conjuntos muy numerosos de estas. Para comparar cantidades de átomos y moléculas, los científicos emplean una magnitud específica, la cantidad de sustancia, la unidad de la cual es el mol.

 

Un mol es la cantidad de sustancia de un sistema que contiene tantas entidades elementales como átomos que hay en 0,012 Kgr (12 gramos) de carbono 12.

 

Las entidades elementales han de especificarse siempre, ya que puede tratarse de átomos, moléculas, iones, electrones o otras partículas o grupos específicos de partículas.

 

Amadeo Avogadro, determino que en los 12 gramos de carbono 12 que se cogen como referencia en la definición de mol hay átomos de esta sustancia.

 

Esta es, por lo tanto, la cantidad de entidades elementales que contiene un mol de cualquier sustancia. Este numero recibe el nombre de Constante de Avogadro y se define como el numero de partículas que hay en un mol, su unidad es el

 

Un mol es la cantidad de sustancia que contiene  entidades de esta sustancia.

 

2.1 Masa Molar

 

La masa molar es la masa de un mol de átomos, moléculas, iones, etc…

 

La Masa molar se representa mediante el símbolo M y se expresa en Kg/mol o en gr/mol. Cuando la masa molar se expresa en gramos, su valor numérico coincide con la masa atómica relativa o con la masa molecular relativa.

 

La masa molar de cualquier sustancia se puede calcular a partir de la masa atómica relativa si esta sustancia esta compuesta de átomos o de la masa molecular relativa si se trata de moléculas

 

Masa atómica relativa es la masa de un átomo medida por comparación con la del átomo de carbono 12 ( no tiene unidades)

Masa Molecular Relativa es la suma de las masas atómicas relativas de los átomos que aparecen en la formula de cualquier sustancia simple o compuesta (no tiene unidades)

Ejemplo:

Masa atómica Fe = 55,8 de O =16 y de FeO = 71,8 (la suma)

 

-1 mol de carbono contiene  átomos de carbono y tiene una masa de 12 gramos.

-1 mol de sodio contiene  átomos de sodio y tiene una masa de 23 gramos.

 

2.2Relación entre cantidad de sustancia y masa molar

 

La relación que hay entre cantidad de sustancia, masa, y masa molar es la siguiente:

es decir:

 

A partir de esta expresión, podemos obtener la masa, en gramos, de cualquier sustancia, conociendo la masa molar y la cantidad de sustancia:

 

3-Leyes ponderales y volumétricas de las reacciones químicas.

 

Las leyes ponderales relacionan las cantidades de materia de las sustancias que intervienen en una reacción química, mientras que las leyes volumétricas establecen la relación existente entre los volúmenes de los gases que intervienen en una reacción química. Estas leyes se suelen conocer también con el nombre de los científicos que las enuncian.

 

3.1 Ley de conservación de la masa o le de Lavoisier

En una reacción química, las sustancias que se ponen en contacto desaparecen y se transforman en otras distintas. Ahora bien, que ocurre con la masa?

 

La masa total de un sistema se mantiene invariable, cualquiera que sea la transformación que ha tenido lugar.

 

3.2 Ley de las proporciones definidas o Ley de Proust.

Si calientas una mezcla de azufre y hierro, estas sustancias reaccionan entre si para dar sulfuro de hierro. Ahora bien, se combinan en cualquier proporción?

 

Masa de Fe

(g)

Masa de S

(g)

Masa de FeS

(g)

S sobrante

(g)

Fe sobrante

(g)

Masa de Fe

Masa de S

56

32

88

-

-

1,75

70

32

88

-

14

1.75

56

40

88

8

-

1.75

28

16

44

-

-

1.75

 

Si te fijas en la tabla obtenida, puedes observar que la proporción entre las masas de hierro y azufre que reaccionan es siempre constante. Si las cantidades que se mezclan no guardan proporción, es que hay una cantidad de sustancia que esta en exceso, que es la que queda sin reaccionar.

 

Cuando dos o mas moléculas se combinan para formar el mismo compuesto, lo hacen siempre en proporciones de masa definidas y constantes

3.3 Ley de Gay-Lussac para los volúmenes de los gases (Ley Volumétrica)

 

Aunque, como hemos visto, hay una relación entre las masas de las sustancias que intervienen en una reacción química, no hay ninguna relación entre los volúmenes de los sólidos y los líquidos que se combinan en una reacción.

Pero que ocurre con los volúmenes de los gases que reaccionan?

 

En 1808 L.Gay – Lussac, hizo reaccionar el hidrogeno y el oxigeno en forma de gas y obtuvo vapor de agua. Comprobó que 2 volúmenes de Hidrogeno se combinan con 1 volúmenes de Oxigeno para formar 2 volúmenes de Vapor de agua.

 

También comprobó que cuando 1 volumen de  Cloro reacciona con un volumen de Hidrogeno, se forman dos volúmenes de Cloruro de Hidrogeno.

 

Cuando los gases se combinan entre si para formar nuevos compuestos gaseosos, los volúmenes respectivos guardan una proporción de números enteros sencillos, siempre que estén medidos en las mismas condiciones de presión y de temperatura.

 

- Justificación de la ley de Gay- Lussac: hipótesis de Avogadro

En 1811, A. Avogadro presenta una hipótesis, conocida en la actualidad como Ley de Avogadro, que  trataba de explicar la relación sencilla existente  entre los volúmenes de los gases que reaccionan para formar un compuesto:

Volúmenes iguales de gases diferentes sometidos a las mismas condiciones de presión y temperatura contienen un número idéntico de moléculas

-Volumen Molar

De acuerdo con la Ley de Avogadro, un mol de cualquier gas ocupa el mismo volumen que un mol de cualquier otro gas cuando los volúmenes se miden en las mismas condiciones de presión y temperatura.


El Volumen molar es el volumen que ocupa 1 mol de cualquier gas a 1 atm de presión y 25 ºC de temperatura. (en condiciones Normales)

 

Después de numerosas experiencias se descubre que el volumen molar medio de todos los gases es de 22,4 L y contiene  partículas (átomos, moléculas o iones).

 

4- Ecuaciones Químicas

Una reacción química se representa mediante una ecuación química:

            Consta de 2 miembros separados por una flecha:

 

REACTIVOS

PRODUCTOS

 

Según el principio de Lavoisier (en una reacción química la masa se conserva), por lo que ha de haber el mismo numero de átomos a ambos lados de la ecuación química (ecuación ajustada o equilibrada)

 

4.1 Como se escribe la ecuación de una reacción:

1- Se escribe la ecuación con palabras:

Hidrógeno + Cloro  -- Cloruro de Hidrógeno

                                  

2-Ajustamos la reacción para que haya el mismo número de átomos a ambos lados:

3-Se comprueba que no se ha modificado ninguna formula y que la ecuación esta igualada.

4-Se añaden los símbolos de los estados físicos de las sustancias.

 

Esta ecuación proporciona la información siguiente:

-1 molécula de cloro y una de hidrogeno reaccionan para dar dos moléculas de cloruro de hidrogeno.

-1 mol de cloro y 1 mol de hidrogeno reaccionan para dar 2 moles de cloruro de hidrogeno.

 

Los coeficientes de una ecuación química nos informan de la proporción en que se encuentran los mols de los reactivos y los productos de una reacción química.

 

5- Estequiometria de las reacciones químicas.

La estequiometria de las reacciones químicas estudia las proporciones en que se combinan las sustancias de una reacción.

 

5.1 Concentración de una disolución.

Disolución: mezcla homogénea, uniforme y estable, formada por dos o mas sustancias puras en proporción variable.

Disolvente: es el componente que se encuentra en mayor proporción

Soluto: es el componente que aparece en menor proporción

 

La Concentración de una disolución es la cantidad de soluto que hay disuelto en una cantidad determinada de disolvente o en una cantidad determinada de disolución.

 

Molaridad: La concentración de una disolución en mol/L. Se representa con la letra M

    es decir 

Decir que la concentración de ácido sulfúrico es de 2 M (2 molar) equivale a decir que en 1 Litro de disolución hay disuelto 2 mol de ácido.

 

Porcentaje en masa de soluto:

Porcentaje en volumen de soluto

Concentración en masa (g/L)

 

5.2 Cálculos en ecuaciones químicas

Una ecuación química informa sobre la proporción de los reactivos y los productos que intervienen en una reacción química. Ello permite saber que cantidad de reactivos se necesita para obtener una cantidad determinada de productos y viceversa.

 

Las reglas para hacer los cálculos en una ecuación química son los siguientes:

1-Poner la ecuación y ajustarla

2-Identificar datos e incógnitas.

3-Pasar los datos a mols

4-Regla de 3: relacionar en mol las incógnitas en el dato para averiguar la incógnita en mol

5-Pasar el resultado de la incógnita (mol) a la unidad que te dan.

 

Ejemplos:

Que cantidad de sustancia en mol, de sulfuro de hierro, FeS, se obtiene en la reacción de 1 mol de azufre  con 1 mol de hierro? Que masa de sulfuro de hierro contiene esta cantidad de sustancia?

La ecuación de la reacción es la siguiente,  la cual esta ajustada:

De aquí deducimos que 1 mol de azufre reacciona con 1 mol de hierro  para dar 1 mol de sulfuro de hierro.

Aplicando la formula siguiente:

es decir en la reacción de 1 mol de azufre y 1 mol de hierro obtenemos 88 gramos de sulfuro de hierro

 

Ejemplo:

El cloro y el hidrogeno  reaccionan para dar cloruro de hidrogeno. Calcula el volumen de hidrogeno que se necesita para conseguir 22.4 litros de cloruro de hidrogeno si la reacción transcurre a 25 ºC y 1 atm

La ecuación ajustada es la siguiente:

Deducimos que 1 mol de cloro y 1 mol de hidrogeno reaccionan para dar 2 moles de cloruro de hidrogeno

Sabemos que 1 mol de un gas = 22.’4litros

 

 

Por lo tanto el volumen de 0’5 moles de hidrógeno será:

Ejemplo:

Al calentar el carbonato de calcio  se descompone en oxido de calcio  y dióxido de carbono,

a)      calcula la cantidad de oxido de calcio que se obtiene a partir de la descomposición de 200 gramos de carbonato de calcio.

b)      Determina el volumen de dióxido de carbono, medido a 25 ºC y a 1 atm que resulta en la reacción del carbonato de calcio.

 

a) La ecuación ajustada de la reacción es:

La masa molar de de es:

40+12+(16x3)=100 g/mol   

 

De la ecuación ajustada del principio se deduce que de 1 mol de  se obtiene 1 mol de

Por lo que podemos deducir que de 200 gramos de  ( 2 mol) se obtendrán 2 mol de .

 

b) como de 1 mol de  se descompone para dar 1 mol de , si hay 2 moles de de  , conseguiremos 2 moles de  y el volumen será:

V = 2mol x 22’4 = 44’8 litros de

 

Ejemplo

Se introduce una llave de hierro que tiene una masa de 167’4 gramos en un tubo de ensayo que contiene una disolución de sulfato de cobre y se produce la reacción siguiente:

Calcula la cantidad de Cu que se deposita sobre la llave y en el fondo del tubo de ensayo, una vez concluida la reacción.

Según la ecuación química sabemos que 1 mol de Fe desplaza 1 mol de Cu

Por lo tanto 3 mol de Fe desplazaran 3 moles de Cu

Si queremos saber su masa

 

6- Reacciones Químicas y Energía

En el transcurso de una reacción química, se desprende o se absorbe energía, generalmente en forma de calor luz o electricidad.

 

-Reacción que desprende energía: Exotérmica (energía negativa)

-Reacción que absorbe energía: Endotérmica (Energía Positiva)

-Calor de Reacción: Cantidad de energía calorífica que se absorbe o se desprende en una reacción.

 

Ejemplo: de Reacción Exotérmica:

 

 

Ejemplo de Reacción Endotérmica: Descomposición del Carbonato Calcico

Las ecuaciones expresadas como en los ejemplo se llaman Ecuaciones Termoquímicas.

 

ENERGIAS DE ENLACE

ENLACE

ENERGIA ( Kj / mol)

H – H

436

C – H

415

N – H

390

O – H

464

C – C

347

C – N

285

C – O

352

N – N

159

0 = 0

494

Cl – Cl

242

H – Cl

431

 

6.1 Romper y Formar Enlaces

6.1.1 Reacción Exotérmica:

El Hidrogeno y el Cloro reaccionan para dar Cloruro de Hidrogeno en forma de Gas; en la reacción se desprende Energía:

En las moléculas de Hidrogeno y Cloro, los átomos están unidos por enlaces covalentes que han de romperse para que la reacción pueda tener lugar, para lo que hace falta una aportación inicial de energía:

            1 mol de Hidrogeno ---- se rompe el enlace H-H   436 KJ

            1 mol de Cloro ---------- se rompe el enlace Cl – Cl : 242 KJ

            La energía total proporcionada: 436 + 242 = 678 KJ

 

La energía que se desprende en la formación de los nuevos enlaces será:

            2 mol de HCl ---- forman dos enlaces de H - Cl

                        2 mol . 431 KJ/mol = 862 KJ

El balance total de energía de la reacciona será la suma de las energías: 678 -862 = -184 Kj

6.1.2 Reacción endotérmica

La reacción entre el carbono y el vapor de agua da monóxido de carbono y hidrogeno:

El balance de energía es el siguiente:

-                     Para romper un mol de carbono: 717 KJ

-                     Para romper un mol de agua (rompe dos veces H – O): 464*2 = 928 KJ

-                     Energía total : 1645 Kj

 

El balance en la formación de los nuevos enlaces:

-                     1 mol de monóxido de carbono: 1077 Kj

-                     1 mol de Hidrogeno: 436 Kj

-                     Energía total que se desprende: 1513 Kj

 

El balance total de la reacción será: 1645Kj -1513 Kj = 132 Kj

 

7- Velocidades de las reacciones Químicas

La velocidad de reacción es la cantidad de sustancia formada o transformada en la unidad de tiempo.

 

7.1 Medida de la velocidad de reacción.

 

 

 

 

7.2 Factores que afectan la velocidad de reacción.

 

La velocidad de reacción se ve afectada por diversos factores:

 

- Influencia de la concentración

Variando la concentración de los reactivos podemos conseguir que una reacción sea más lenta o más rápida.

 

La velocidad de reacción  se incrementa cuando aumentamos la concentración de los reactivos.

 

- Influencia de la temperatura

 

La velocidad de reacción se incrementa al aumentar la temperatura.

 

- Influencia de la superficie de contacto

 

Las reacciones son mas rápidas cuando la superficie de los reactivos esta mas dividida.

 

-Influencia de los catalizadores

Catalizadores son distintas sustancias distintas de los reactivos y de los productos, los cuales se recuperan íntegramente después de la reacción. La modificación de la velocidad de la reacción química recibe el nombre de catálisis.

 

Estos productos aumentan (catalizador positivo)  o disminuyen (catalizador negativo) la velocidad de la reacción.

 

8 -Tipos de reacciones

 

8-1 Reacciones de Combinación o síntesis

Una reacción de combinación es aquella en que dos sustancias reaccionan para dar una única sustancia nueva.

 

8-2 Reacción de descomposición

La descomposición es una reacción química en que una sustancia se separa en dos o más sustancias más simples, generalmente por la acción del calor, la luz o la electricidad.

 

8-3 Reacción de sustitución o desplazamiento

En una reacción de sustitución, un elemento de un compuesto se desplaza en otro, o dos elementos de distintos compuestos se desplazan mutuamente

 

8-4 Reacción ácido – base

Un ácido es aquella sustancia que, en disolución acuosa, se disocia  y da iones de hidrogeno,

 

Una base es toda sustancia que, en disolución acuosa, se disocia y da iones de hidróxido,

 

-La escala de pH

La escala de pH nos permite conocer el grado de acidez o basicidad de una sustancia determinada. Consiste en una escala numérica con valores entre 1 y 14

            Sustancia neutra: pH =7

            Sustancia ácida: pH < 7

            Sustancia básica: pH > 7

 

- Reacción de neutralización

Una reacción de neutralización es aquella en que un ácido reacciona con una base para formar sal y agua.

 

8-5 Reacciones de oxidación y reducción

Una reacción de oxidación es cualquier proceso en que un elemento o compuesto gana oxigeno

 

Una reacción de reducción es cualquier proceso en que un elemento o compuesto pierde oxigeno

 

Una reacción de combustión es una reacción de oxidación rápida  en que se desprende calor y generalmente luz.