REACCIONES QUIMICAS-2014

CAPÍTULO I

Profesor:

3

Julio Oria

REACCIONES QUÍMICAS

Tema

INTRODUCCIÓN A diario somos testigos de diferentes fenómenos químicos que ocurren a nuestro alrededor, tales como: combustión del gas propano en una cocina, descomposición de la materia orgánica, quema de papel, oxidación del hierro, respiración, digestión, etc. Estos y muchos más cambios químicos, se deben a las reacciones químicas que ocurren entre las sustancias químicas que participan en dicho fenómeno.

2 CONCEPTO: Es todo cambio o fenómeno que modifica la composición química de las sustancias, para formar nuevas sustancias de composición diferente. Durante una reacción química debido al choque efectivo que hay entre las sustancias iniciales, se rompen enlaces y se forman nuevos enlaces, por ende nuevas sustancias. Ejemplo: Una importante reacción endotérmica que tiene lugar en la naturaleza, es la llamada fotosíntesis, que se realiza en las hojas verdes de las plantas por acción de la clorofila. Allí, la planta absorbe el CO2 del aire y con el agua forma glucosa, un azúcar que luego puede transformarse en almidón sirviendo de alimento al hombre y a los animales. Esta reacción consume energía radiante del sol.

2 ECUACIÓN QUÍMICA: Es la forma literal y numérica de representar lo que ocurre durante una reacción química, en donde se indica el aspecto cualitativo y cuantitativo de las sustancias que participan en dicha reacción química. Coeficientes Estequiométricos

6CO2(g)+ 6 H2O(l) + CALOR  C6H12O6(s)+ 6O2(g) Reactantes o Reaccionantes

Sentido de la reacción

Productos o Resultantes

Donde:  : Indica el sentido de la reacción. “da origen a”, “forma a” : Indica que la reacción ocurre en presencia de un catalizador, que son sustancias que modifican la velocidad de la reacción química. P , T : Condiciones necesarias para que ocurra la reacción química. En la ecuación química también utilizamos otros símbolos que se utilizan como subíndices: (s) : La sustancia es sólida. (l) : La sustancia es líquida. (g) : La sustancia es gaseosa (ac) : La sustancia está disuelta en agua

 : La sustancia se libera como gas.

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 : La sustancia es un sólido insoluble o precipitado.  : Representa a la energía calorífica. Ejemplo:

2Fe(s)

+

3H2O(l) T = 100ºC



 Fe2O3(s) + 3H2(g) P = 3atm

3 EVIDENCIAS DE UNA REACCIÓN QUÍMICA: Cuando ocurre una reacción química, existen algunas evidencias de cambios físicos y químicos que pueden ser percibidos por nuestros sentidos, tales como:

*

Formación de un precipitado:

Cuando se mezclan 2 soluciones acuosas generalmente. * Precipitado: sólido insoluble en el agua, que por su mayor densidad se deposita en el fondo del recipiente donde se lleva a cabo la reacción. Ejemplo: Pb(NO3)2(ac) + 2NaI(ac)  2NaNO3(ac) + PbI2(s) nitrato plumboso Yoduro de sodio amarillo

Desprendimiento de un gas: * Aparecen burbujas, cuando se mezcla un sólido con una solución acuosa (o un liquido) generalmente. ejemplo:

Zn(s) + HCl(ac)  ZnCl2(ac) + H2(g)

Desprendimiento de energía: * Ejemplo: KOH(ac) + HCl(ac)  KCl(ac) + H2O(g) + calor

calor, luminosidad, etc. Cambio de color: * Ejemplo: Cambio de olor y/o sabor: * Ejemplo: fermentación, putrefacción de alimentos se generan olores y/o sabores que no son agradables.

*

Cambio de pH:

4 FACTORES QUE INFLUYEN EN UNA REACCIÓN QUÍMICA: 1) Teoría del complejo activado: - Energía de activación (Ea), es la mínima energía necesaria que deben absorber los reactantes para iniciar la reacción. - Complejo activado (CA), es un estado transitorio de reactantes a productos, en esta condición ocurre formación y ruptura de enlaces químicos. 2) Teoría de los choques efectivos: Indica que para que dos sustancias reaccionen es necesario que sus partículas (moléculas, átomos o iones) colisionen o choquen, dicha colisión debe tener la energía y orientación adecuada para realizar un “choque efectivo”

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5 TIPOS:

* De acuerdo como se forman los productos: de adición o sintesis: * SeR.combinan 2 o más sustancias (ya sean elementos o compuestos) para formar un solo compuesto (producto). Generalmente son reacciones exotérmicas. Forma General: A + B + C +…  1 PRODUCTO Ejemplos: 2H2 + O2  2H2O (Síntesis de Lavoisier) N2(g) + 3H2(g)  2NH3(g) (Síntesis de Haber-Bosh) El amoníaco, utilizado para la producción de fertilizantes y explosivos 2Mg(s) + O2(g)  2MgO(s) Reacción utilizada para producir la flama brillante generada por bengalas y algunos fuegos artificiales.

*

R. de Descomposición: Un compuesto por efecto de la energía o de un catalizador se descompone en 2 o más sustancias. Forma General: 1 REACTANTE  A + B +……… Ejemplos: KClO3(s)

 KCl(s) + O2(g)

HgO(s)

 Hg(s)

+ O2(g)

Las reacciones de descomposición tienen las siguientes denominaciones * Pirólisis (debido a la acción del calor)  CaCO3(s)   CaO(s) + CO2(g) Piedra caliza cal viva (conchas marinas) (para fabricar vidrios) 

 2NaN3(s)  2Na(s) + 3N2(g) La azida de sodio NaN3(s), se utiliza para inflar la bolsa de aire de los automóviles. * Fotólisis (por acción de la luz) LU Z   H2O2(l) H2O(l) + O2(g) * Electrólisis (por acción de la corriente eléctrica) NaCl(l) Na(l) + Cl2(g) * Catálisis (por acción de una enzima) C6H12O6(ac) 2C2H5OH(ac)+ 2CO2(g) CORRIENTE ELÉCTRICA

ENZIMA

*

R. de simple desplazamiento:

Llamado también de simple sustitución, en general se presenta cuando un elemento, átomo o ión de mayor reactividad o actividad reemplaza a otro elemento, átomo o ión menos reactivo que se encuentra formando parte de un compuesto químico, el elemento que ha sido desplazado queda en forma libre. Esquema General:

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Química A + BC  AC + B

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Ejemplos: 2Fe(s) + 6HCl(ac)  2FeCl3(ac) + 3H2(g) Zn(s) + AgNO3(ac)  Zn(NO3)2 + Ag(ac) La mayoría de las reacciones de desplazamiento se clasifican en: * Desplazamiento de hidrógeno: Todos los metales alcalinos y algunos alcalinos térreos (Ca, Sr y Ba), son los más reactivos de los elementos metálicos, desplazan al hidrógeno del agua fría. Ejemplos: 2Na(s) + 2H2O(l)  2NaOH(ac) + H2(g) Ba(s) + 2H2O(l)  2Ba(OH)2(ac) + H2(g) Los metales menos reactivos como el aluminio y el hierro, reaccionan con vapor de agua para dar gas hidrógeno. Ejemplos: 2Al(s) + 3H2O(l)  Al2O3(s) + 3H2(g) 2Fe(s) + 3H2O(l)  Fe2O3(s) + 3H2(g) Muchos metales, incluidos los que no reaccionan con el agua, pueden desplazar al hidrógeno de los ácidos. Por ejemplo el Zn y el Mg no reaccionan con el agua pero si con el HCl(ac). Ejemplos: Zn(s) + 2HCl(ac)  ZnCl2(ac) + H2(g) Mg(s) + 2HCl(ac)  MgCl2(ac) + H2(g) * Desplazamiento de metal: Un metal de un compuesto también puede ser desplazado por otro metal en estado libre. Ejemplos: Zn(s) + CuSO4(ac)  ZnSO4(ac) + Cu(s) Cu(s) + 2AgNO3(ac)  CuNO3(ac) + 2Ag(s) Si se invierten los papeles de los metales, la reacción no se lleva a cabo. Así el cobre metálico no desplazará a los iones del sulfato de cinc, y la plata metálica no desplazará a los iones de cobre del nitrato de cobre. Para predecir si en realidad va a ocurrir una reacción de desplazamiento de un metal o de hidrógeno, es referirse a una SERIE DE ACTIVIDAD, en esta serie se resume convenientemente los resultados de muchas posibles reacciones de desplazamiento. De acuerdo con esta serie cualquier metal que se ubique arriba del hidrógeno lo desplazará del agua o de un ácido, pero los metales situados abajo del hidrógeno no reaccionarán ni con el agua ni con ácidos. SERIE DE ACTIVIDAD QUÍMICA DE LOS METALES: Rb > K > Na > Li > Ba > Sr > Ca > Mg > Al > Zn > Cr > Pb > Fe > Cd > Co > Ni > Sn > Pb > “H” > Cu > Ag > Hg > Pt > Au OBSERVACIONES: - Desde Rb hasta Pb, desplazan a los “H” de los ácidos. - Desde Rb hasta Cr, desplazan a los “H” del vapor de agua. - Desde Rb hasta Na, desplazan a los “H” del agua fría. - Cuando un metal se ubica por debajo del “H” en la serie de actividad generalmente no reacciona con un ácido o de lo contrario hay producción de H2O pero no de hidrógeno siempre y cuando el ácido sea concentrado. NOTA: Las reacciones de desplazamiento de metal tienen muchas aplicaciones en los procesos metalúrgicos en los cuales interesa separar metales puros a partir de sus minerales. * Desplazamiento de Halógeno: El comportamiento de halógenos en reacciones de desplazamiento de halógenos se puede resumir en otra serie de actividad química. Para halógenos la actividad química: F2>Cl2>Br2>I2.

Ejemplos:

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*

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Cl2(g) + 2KBr(ac)  2KCl(ac) + Br2(l) Cl2(g) + 2NaI(ac)  2NaCl(ac) + I2(s) 1En cambio de Br2(s) puede desplazar al ión I de NaI(ac) Br2(l) + 2NaI(ac)  2NaBr(ac) + I2(s) Invirtiendo los papeles de los halógenos la reacción no se produce. R. de doble desplazamiento(Metátesis): Es una reacción entre dos compuestos que generalmente están cada uno en solución acuosa. Consiste en que dos elementos que se encuentran en compuestos diferentes intercambian posiciones, formando nuevos compuestos. Estas reacciones no presentan cambios en el número de oxidación o carga relativa de los elementos, por lo cual también se le denominan reacciones NO-REDOX. Esquema General: AB

+

CD  AC + BD

* Reacciones de neutralización, ACIDO + HIDRÓXIDO  SAL + AGUA Ejemplos: HCl(ac) + NaOH(ac)  NaCl(ac) + H2O * Reacciones de precipitación, Ejemplos: AgNO3(ac) + NaCl(ac)  AgCl(s) + NaNO3(ac) KI(ac) + Pb(NO3)2(ac)  PbI2(s) + KNO3(ac) * Reacciones con formación de gas, Ejemplos: 2HCl(ac) + ZnS(s)  ZnCl2(ac) + H2S(g)

*

R. de isomerización o reagrupamiento interno :

CH3

CH2

CH2

CH3

700°C

CH3

CH

CH3

CH3

CH3 Butano Es un combustible usado en los encendedores

*

ABC  CH2

CH2 OH

CAB H2SO4(dil)



CH3

CH

CH3

OH

2-metilpropano (isobutano) se usa como propulsor en algunos productos como gel para afeitar

De acuerdo a la variación de energía: En toda reacción química, siempre ocurre absorción o emisión de energía; esta energía puede ser calorífica, eléctrica, mecánica, luminosa, etc. * CALOR DE REACCIÓN O ENTALPIA (H): Que en griego significa calentar, indica el contenido calorífico característico de cada sustancia química. Es imposible determinar la entalpía de una sustancia, y lo que se mide en realidad es el cambio de entalpía H. * CAMBIO DE ENTALPIA (H): es la cantidad de calor que se libera o absorbe durante una reacción química a presión constante.

H = H(total de productos) -

*

H(total de reactantes)

R. Exotérmica (H < 0): Se produce cuando en una reacción química, se libera energía en forma de calor en razón a que los reactantes tienen mayor contenido energético que los productos.

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Corresponden a este tipo, las reacciones de combustión, neutralización ácido-base, adición. Reactantes  Productos + calor Esquema general: H

A + B

kJ/mol

 C + D + Calor Calor = -H (Kcal/mol)

Ea

Ejemplos: C(s) + O2(g)  CO2(g) + 390 Kcal/mol C(s) + O2(g)  CO2(g) H = -390Kcal/mol

H1

Complejo Activado (C.A)

Reactantes

H Productos

H2

Gráfico de una rxn exotérmica: Avance de la reacción

Ea = CA - H1

H = H2 - H1

* Combustión completa:

Ejemplo: CH4(g) + 2O2  CO2(g) + 2H2O C(s) + O2(g)  CO2(g) + 393.5 KJ

H° = -604.5KJ

* Combustión incompleta: Ejemplo: 2CH4(g) + 3O2  2CO(g) + 4H2O H°= -1214.6 kJ 6CH4(g) + 9O2(g)  2C(s) + 2CO(g) + 2CO2(g) + 12H2O(l) H°= -3989kJ 2C(s) + O2(g)  2CO(g) H°= -221 kJ Nota: También se genera combustión completa e incompleta de acuerdo al número de oxidación. * Combustión completa S8(s) + 12O2(g)  8SO3(g) + calor Es una combustión completa debido a que el azufre tiene el mayor EO. * Combustión incompleta S8(s) + 8O2(g)  8SO2(g) + calor + luz Es una combustión incompleta debido a que el azufre no tiene el mayor EO.

*

R. Endotérmica (H > 0): Se produce cuando a una reacción química, se le suministra (absorbe) energía en forma de calor de los alrededores, para que se lleve a cabo completamente. A + B + calor 

C + D

Ejemplos: NH3 + 22 Kcal/mol  H2(g) + N2(g) CO2 + H2  CO + H2O H= +34KJ/mol Gráfico de una rxn endotérmica:

* *

De acuerdo al sentido: R. Irreversible: Es aquella que se produce en un solo sentido, lo que indica que los reactantes desaparecen totalmente.

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Química Ejemplos: CaO + H2O  2Na + 2H2O 

* *

Ca(OH)2 2Na(OH) +

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H2

R. Reversible:

Se realiza simultáneamente en ambos sentidos, de tal manera que los reactantes no se consumen completamente y se alcanza un instante en el cual aparece un estado de actividad constante denominado “Equilibrio químico”, se representa: () Ejemplos: I2 + H2  HI O2  O3

R. Catalíticas:

Se les llama así, a aquellas reacciones que requieren de determinadas sustancias para que lleguen a realizarse rápida o lentamente. A dichas sustancias se les llama catalizadores. * Catalizador Positivo o Catalizador.- acelera la reacción / no reacciona/ se recupera totalmente. Ejemplo: V 2 O5   SO3 + H2O H2SO4 * Catalizador Negativo o Inhibidor.- Retarda la reacción/ se recupera totalmente/ no reacciona. Ejemplo: MnO2 H2O2 H2O + 1/2O2 

* *

De acuerdo a la variación del estado de oxidación (E.O.): R. Redox: Son aquellas reacciones donde se produce simultáneamente un proceso de oxidación y reducción, es decir donde uno o mas elementos sufren cambios en su E.O. debido a que han ganado o perdido electrones. * Oxidación: Es aquella semireacción, donde la sustancia o especie química que pierde electrones, aumenta algebraicamente su E.O. +2 +4 Ejemplos: Sn  Sn + 2e-1 I  I + 1e-3 +5 N  N + 8e2Cl-1  Cl2 + 2e* Reducción: Es aquella semireacción, donde la sustancia o especie química que gana electrones, disminuye algebraicamente su E.O. +7 +2 Ejemplos: Mn + 5e-  Mn Fe+3 + 1e-  Fe+2 -1 I2 + 2e 2I Mnemotécnia: OPERGE, significa: oxidación pierde electrones y reducción gana electrones. En general se cumple: OXIDACIÓN

Pierde e-

E.O. -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 +1 +2 +3 +4 +5 +6 +7 Gana e-

REDUCCIÓN

* Tipos de Redox: - Redox intermolecular, son las más comunes, se caracterizan porque el elemento que se oxida y el que se reduce se encuentran en sustancias químicas diferentes, por lo tanto el agente oxidante y reductor son sustancias también diferentes. Fe2O3 + CO  Fe + CO2 HNO3 + O2  NO2 + H2O

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- Redox intramolecular, en este caso, el elemento que se oxida y el elemento que se reduce se encuentran en el mismo compuesto, por lo tanto, el agente oxidante y el agente reductor es la misma sustancia. KClO3  KCl + O2 H2O  H2 + O2 - Redox de dismutación o desproporción, es aquella donde un mismo elemento se oxida y reduce, por lo tanto Ejemplos: -1 -2 0 2H2O2(ac)  2H2O(l) + O2(g) 0

Cl2(g) + 2OH

+1 (ac)

 ClO-(ac) + Cl-1(ac) + H2O(l)

B) Reacción no redox: Aquella reacción donde ningún átomo cambia de estado de oxidación. Ejemplo:

*

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Química A) Libera calor C) Cambia de volumen E) se produce agua

Reforzando lo aprendido NIVEL I 01. ¿Cuál de las siguientes situaciones indica la ocurrencia de una reacción química? I.Variación de energía II.- Cambio de color III.- Aparición de precipitado IV.- Liberación de gases A) Sólo I B) I; II; III C) II y III D) III y IV E) Todas

B) Absorbe calor D) no pasa nada

08. ¿A qué tipo de reacción corresponde? A + B  C + D + Calor a) Exotérmica b) Endotérmica c) Metátesis d) Descomposición e) Adición 09. En una reacción de combustión completa del propano, C3H8 se produce: a) CO ; H2O b) CO2 ; H2O c) CO ; C d) C ; H2O e) CO2 ; C

02. ¿En cuál de los siguientes casos, ocurre una reacción química? A) Sal con agua B) Cobre con plata C) Alcohol con azúcar D) Sodio con agua E) N. A.

10. La reacción: N2 + H2  NH3 se llama: A) Descomposición B) Combustión C) Desplazamiento simple D) Desplazamiento doble E) Adición

03. Señalar un reactante en: Ag + HNO3  AgNO3 + NO + H2O A) AgNO3 B) NO C) H2O D) Ag E) Todos

11. ¿Cuál es el tipo de reacción química? HCl + NaOH  NaCl + H2O A) Adición B) Descomposición C) Simple sustitución D) Doble sustitución E) Combustión

04. La fermentación acética, es la fermentación producida por una bacteria aeróbica presente en el vino (Acetobacter aceti), quien transforma el alcohol en ácido acético, debido a un exceso de oxígeno. C2H5OH + O2  CH3COOH + H2O Indicar un producto A) C2H5OH B) O2 C) H2O D) acetobacter E) N.A.

12. Una de las siguientes reacciones es de composición (adición): a) Ca(OH)2  CaO + H2O  b) 2KClO3  2 KCl + 3O2  c) H2SO4  H2O + 3O2  d) 2HgO 2Hg + O2 e) Fe + S  FeS

05. No es evidencia práctica que demuestra una reacción química. A) Cambio de coloración B) Absorción o liberación de calor. C) Cambio de estado físico en las sustancias. D) Formación de precipitados. E) Liberación de sustancias gaseosas

13. Cuantas reacciones de composición, hay: * C + O2  Co2 * Mg + O2  MgO * H2 + O2  H2O * CaCO3  CaO + Co2 a) 0 b) 1 c) 2 d) 3 e) 4

06. Son reacciones químicas: I. Evaporación del agua de mar. II. Fusión del hielo de agua. III. Combustión del gas propano. IV. Fermentación de la glucosa. a) I, II b) III, IV c) II, III d) I, III e) N. A.

14. Determine la reacción que no representa a una combustión completa: a) CH4 + O2  CO + H2O b) C2H6 + O2  CO2 + H2O c) C2H4 + O2  CO2 + H2O d) C2H2 + O2  CO2 + H2O

07. En una reacción endotérmica se:

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Química 15. ¿Cuál de los siguientes no es reacción de combustión? A) C3H8 + O2  CO2 + H2O B) C2H6 + O2  CO + H2O C) CO + O2  Co2 D) C + O2  CO E) CH4 + Cl2  CH3Cl + Hcl

d) CaO + H2O  Ca(OH)2 e) K + H2O  KOH + H2 24. ¿Cuál de las siguientes semireacciones es una oxidación? 2+ 2– 1– +3 1– A) X  X B) Y2  Y C) Z  Z D) R3–  R+1 E) W+3  W+1 25. Las pinturas al óleo antiguas se obscurecen debido al sulfuro de plomo (II), que se forma por reacción del plomo, con el sulfuro de hidrógeno que se encuentra en pequeñas cantidades en el aire contaminado. La reacción química es: Pb(s) + H2S(g)  PbS(s) + H2(g) Indicar verdadero (V) o falso (F): I. Es una reacción de simple desplazamiento II. Es una reacción redox. III. El plomo se oxida y el azufre se reduce IV. El hidrógeno se reduce A) VVFV B) VVVV C) VFVF D) FVFV E) FVVF

16. Cuántas reacciones son de METATESIS: * H2 + N2  Nh3 * CaCO3  CaO + Co2 * HCl + Zn  ZnCl2 + H2 * AgNO3 + NaCl  AgCl + NaNO3 A) 1 B) 2 C) 3 D) 4 E) 0 17. La siguiente ecuación química: Na2CO3 + CuSO4  Na2SO4 + CuCO3 corresponde a una reacción de: A) combustión B) adición C) descomposición D) desplazamiento E) doble descomposición 18. La siguiente ecuación química: Zn + 2HCl  ZnCl2 + H2 Representa a una reacción de tipo: a) Adición. b) Descomposición. c) Desplazamiento simple. d) Doble desplazamiento. e) Endotérmica.

17. Señale verdadero (V) o falso (F) para una reacción química: ( ) Si en una reacción se produce una reducción también tiene que producirse oxidación. ( ) En la metátesis sólo se produce oxidación pero no reducción ( ) La reducción es la pérdida de electrones y oxidación es la ganancia ( ) La reacción de descomposición generalmente requiere de la adición de energía.

21. Indicar cuantas reacciones son de adición: * P4 + H2O  PH3 + H3PO2 * Cu + HCl  CuCl2 + H2 * NaOH + Hl  Nal + H2O * CaCO3  CaO + Co2 A) 0 B) 1 C) 2 D) 3 E) 4 22.

A) VVVV D) FFFV

La ecuación:

a) Endotérmica c) Irreversible e) Descomposición

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B) VVFF E) VFVV

C) VFFF

b) Combustión d) Exotérmica

23. Cuál de las siguientes reacciones, representa a una reacción de neutralización. a) Na + H2O  NaOH + H2 b) NaOH + HCl NaCl + H2O c) CO2 + H2O H2CO3

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17. ¿Cuál de los siguientes no es reacción de combustión? A) C3H8 + O2 CO2 + H2O B) C2H6 + O2 CO + H2O

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