Reacciones químicas Química 1 UNIDAD DE COMPETENCIA 7 REACCIONES QUÍMICAS UNIDAD DE COMPETENCIA 7: Muchos de los compuestos químicos al estar en contacto unos con otros, se unen entre sí, intercambian algunos de sus átomos o bien se separan en sus átomos para transformarse en un tipo de materia diferente, a estas transformaciones se les llama “cambios o reacciones químicas” y se representan por medio de “ecuaciones químicas” ¿Qué vas a aprender a hacer? 1.- Representará mediante ecuaciones, reacciones químicas sencillas y las clasificará en sus distintos tipos. 2.- El alumno diferenciará los diferentes tipos de reacciones químicas que existen. 3.- Balanceará reacciones químicas por los métodos de tanteo y oxido-reducción. 108 “Inteligencia, Rectitud y Grandeza” Reacciones químicas Química 1 Antecedentes INTRODUCCIÓN El hombre vive rodeado de muchos cambios químicos, algunos independientes de su voluntad, como son, la fotosíntesis, la corrosión de algunos metales, la descomposición de los alimentos, etc.; muchos otros son provocados por él mismo para vivir en mejores condiciones, como la combustión de los derivados del petróleo, la preparación de fertilizantes, etc. Desde siempre el hombre ha querido entender la naturaleza de los cambios químicos para poder sujetarlos a su voluntad. Conforme logró el conocimiento de las fórmulas, de las leyes que rigen las combinaciones, la química ha permitido que la humanidad disfrute de innumerables ventajas materiales, aunque a veces vayan acompañadas de un deterioro ecológico, que suele ser consecuencia de un uso inadecuado de los cambios químicos. Las reacciones químicas comprenden interacciones entre moléculas, iones y átomos, las cuales producen nuevas moléculas, iones y átomos. Cuando se mezclan ciertas sustancias, ocurren reacciones en las que los átomos se reacomodan para formar nuevas sustancias. Con excepción de algunas reacciones muy complejas (que requieren un mayor conocimiento de las propiedades químicas de las substancias para comprenderlas), es fácil saber lo que va a ocurrir en una reacción si se conocen los reactivos o si se entiende el mecanismo de reacción. Definición de reacción química: Una reacción química es un proceso mediante el cual, una o varias substancias iníciales llamadas reactivos, se transforman en una o varias substancias finales, llamadas productos. 109 “Inteligencia, Rectitud y Grandeza” Reacciones químicas Química 1 Principales símbolos utilizados en las ecuaciones químicas: Esta flecha indica que la materia se transforma o convierte en otro tipo de materia. Esta flecha después de una fórmula indica que la sustancia es un gas que se desprende. La flecha hacia abajo indica que la sustancia es un sólido que al formarse se separa y se va al fondo del recipiente. A este sólido se le llama “precipitado”. ( g ) Esta letra colocada como subíndice después de una fórmula, indica que la sustancia es un gas. ( l ) Esta letra colocada como subíndice después de una fórmula, indica que la sustancia es un líquido. ( s ) Esta letra colocada como subíndice después de una fórmula, indica que la sustancia es un sólido. ( ac ) Estas letras colocadas como subíndices después de una fórmula, indica que la sustancia se encuentra disuelta en agua, es decir, está en forma “acuosa”. E Esta letra indica energía. Δ Este símbolo indica que hay que calentar o aplicar calor. Las flechas con sentido contrario indican que la reacción es reversible. En una ecuación química tanto la materia que se trasforma como la materia que resulta de esta transformación se representa por medio de su fórmula química, a la(s) primera(s) se le llama: “Reactantes” o “Reactivos” y se colocan a la izquierda de la flecha que indica “se transforma”, y a la(s) segunda(s) se le denomina “Productos” y se colocan a la derecha de la flecha. Tomemos como ejemplo la reacción química en la que el metano (CH 4) o el gas natural arde con oxígeno (O2) formando dióxido de carbono (CO2) y agua (H2O). Si consideramos que sólo intervienen estas cuatro sustancias, la fórmula (en general, formas abreviadas de sus nombres) sería: CH4 + O2 CO2 + H2O 110 “Inteligencia, Rectitud y Grandeza” Reacciones químicas Química 1 Los químicos sustituyen la palabra “da” por la flecha que indica “se transforma o convierte” para obtener la ecuación química: CH4 (g) + O2 (g) CO2 (g) Δ + H2O (g) + E Esta ecuación se lee de la siguiente manara: El gas metano se combina o reacciona con el gas oxígeno y aplicando calor, se transforma en bióxido de carbono que se desprende en forma de gas, además de agua en forma de vapor y energía. Si observas el signo más (+) en el lado de los reactantes se lee como: “se combina o reacciona con” mientras que en el lado de los productos se lee como: “además de”. TIPOS DE REACCIONES QUÍMICAS La materia experimenta miles de reacciones químicas, por lo que estudiarlas una por una serían prácticamente imposibles, afortunadamente los químicos han encontrado que estas reacciones se pueden clasificar en cuatro grandes grupos. 1.- Combinación o síntesis El primer tipo de reacción es el de combinación o síntesis, y este tipo de reacciones se presentan cuando dos o más sustancias reaccionan para producir un solo producto. En forma general estas reacciones se representan como: A + B AB Algunos ejemplos son: La obtención de óxidos Mg (s) + O2 (g) MgO (s) 111 “Inteligencia, Rectitud y Grandeza” Reacciones químicas Química 1 La obtención de una sal binaria Al (s) + Cl2 (g) AlCl3 (g) 2.- Descomposición Las reacciones de descomposición se presentan cuando una sustancia se transforma en dos o más sustancias. La sustancia que se descompone siempre es un compuesto y los productos pueden ser elementos o compuestos. Por lo general es necesario aplicar calor para que esta reacción se lleve acabo. La ecuación general que representa a las reacciones de descomposición es: AB A + B Δ Algunos ejemplos son: La descomposición de algunos óxidos metálicos HgO (s) Hg (l) + O2 (g) Δ La descomposición de nitratos y cloratos de metales alcalinos KNO3 (s) KClO3(s) Δ Δ KNO2 (s) + O2 KCl(s) + O2 Ejercicio: Responde a los siguientes planteamientos: Piensa si al freír tocino, se lleva acabo una reacción de descomposición, o ¿Qué otros ejemplos podrías mencionar? 112 “Inteligencia, Rectitud y Grandeza” Reacciones químicas 3.- Química 1 Simple sustitución Las reacciones de simple sustitución se presentan cuando un elemento reacciona substituyendo o reemplazando a otro dentro de un compuesto. A estas reacciones también se les conoce como reacciones de sustitución simple o de desplazamiento. La ecuación general que representa a este tipo de reacciones es la siguiente: A + BC AC + B Algunos ejemplos son: Cuando el metal de una sal es desplazado por otro metal. Fe (s) + CuSO4 (ac) FeSO4 (ac) + Cu (s) Cuando un metal desplaza al hidrógeno de un ácido. Sn (s) + HCl (ac) SnCl2 (ac) + H2 (g) Cuando un NO metal substituye a otro NO metal de una sal. Cl2 (g) + NaBr (ac) 4.- NaCl (ac) + Br2 (g) Doble desplazamiento o metátesis Las reacciones de doble desplazamiento o metátesis se presentan cuando dos compuestos participan en una reacción, donde el catión (+) de uno de los compuestos se combina con el anión (-) del otro. Esta reacción se representa con la siguiente ecuación general: AB + CD AD + CB Metátesis significa cambio de estado, de sustancia o de forma. Algunos ejemplos de estos tipos de reacciones son: La reacción del ácido muriático (HCl) con el sarro (CaCO3) que produce cloruro de calcio (CaCl2), agua (H2O) y bióxido de carbono (CO2) que es el gas que se desprende y produce la efervescencia. HCl (ac) + CaCO3 (s) CaCl2 (ac) + H2O (l) + CO2 (g) 113 “Inteligencia, Rectitud y Grandeza” Reacciones químicas Química 1 La reacción de los antiácidos [ejemplo Mg(OH)2] con el ácido del jugo gástrico del estómago (HCl). HCl (ac) + Mg(OH)2 (ac) MgCl2 (ac) +n H2O (l) Ejercicios: Anota el tipo de reacción que se lleva acabo en cada uno de los siguientes ejemplos: 1.- KClO3 2.- Ba + Br2 KCl + O2 Tipo de reacción ________________________ BaBr2 ________________________ 3.- HgNO3 + Cu CuNO3 + Hg ________________________ 4. - HCl + NaOH NaCl + H2O 5. - K + S 6. - NH4Cl K2S ZnSO4 + H2 8.- HNO3 + KOH 9.- C + O 10.- ZnO + 2HCl ________________________ NH3 + HCl 7. - H2SO4 + Zn ________________________ ________________________ ________________________ KNO3 + H2O ________________________ CO2 ________________________ ZnCl + H2O ________________________ BALANCEO DE ECUACIONES QUÍMICAS Ley de la conservación de la materia: Un noble francés llamado Antoine Lavoisier (1734-1794) llevó acabo una serie de estudios cuantitativos en reacciones químicas, observando en ellos que la masa total de las sustancias que reaccionan, era igual a la de aquéllas que se producen en la reacción. NaOH + HCl NaCl + H2O Masa de reactantes (76 g) = Masa de productos (76 g) 114 “Inteligencia, Rectitud y Grandeza” Reacciones químicas Química 1 Partiendo de las observaciones, Lavoisier, en 1783 publicó lo que actualmente conocemos como Ley de la conservación de la materia, cuyo enunciado es el siguiente “La materia no se crea ni se destruye, sólo se transforma”. La Ley de la conservación de la materia es una ley de carácter universal por lo que se aplica a cualquier transformación o cambio químico de la materia, si las ecuaciones químicas representan las transformaciones o reacciones de la materia entonces las ecuaciones deben cumplir también con la ley de la conservación de la materia, para verificar si una ecuación cumple con dicha ley se cuenta el número de átomos de cada elemento que aparece en los reactantes y los que existen en los productos, estos números deben ser iguales. Ejemplo: Ecuación química: NaOH + HCl NaCl + H2O Reactantes Na = 1 O =1 H =2 Cl = 1 Productos Na = 1 O =1 H = 2 Cl = 1 115 “Inteligencia, Rectitud y Grandeza” Reacciones químicas Química 1 Pero… ¿Qué ocurre cuando el número de átomos de cada elemento que hay en los reactantes no es igual al que existe en los productos? Ejemplo: Ecuación química Ca(OH)2 + HBr CaBr2 + H2O Reactantes Ca = 1 O = 2 H = 3 Br = 1 Productos Ca = 1 O =1 H =2 Br = 2 En este caso la ecuación debe ser sometida a un proceso de balanceo para lograr que ésta cumpla con la ley de la conservación de la materia. MÉTODOS PARA BALANCEAR ECUACIONES QUÍMICAS Se conocen varios métodos para balancear ecuaciones; entre los más comunes tenemos: tanteo y óxido reducción (Redox). METODO DE TANTEO De acuerdo con el diccionario enciclopédico Larousse; la palabra tanteo significa ensayar, prueba o calcular aproximadamente. Precisamente, esto es lo que vamos a poner en práctica en este método de balanceo de ecuaciones químicas. El método de tanteo generalmente se utiliza para balancear reacciones sencillas, donde el número de reactantes y productos es pequeño y fácil de manejar. Si observas cuidadosamente una ecuación química no balanceada, como la que se presenta a continuación, encontrarás que a ninguna de las moléculas o átomos le antecede un coeficiente: __PbCl2 + __Li2SO4 __LiCl + __PbSO4 Este dato, el valor del coeficiente, es el que debes encontrar durante el balanceo de la ecuación. Para efectuar el proceso se sugieren los siguientes pasos: a) Identifica los átomos que están participando en la reacción. b) Los números que aparecen como subíndice al lado de cada átomo, te dicen cuantos de ellos están participando en la reacción. Sí el átomo no tiene subíndice, se sobreentiende que es 1; éste será tu punto de partida. c) Compara el número de átomos en cada extremo de la reacción y trata de igualarlos. 116 “Inteligencia, Rectitud y Grandeza” Reacciones químicas Química 1 d) Inicia el balanceo con los átomos que sean diferentes al hidrógeno y al oxígeno. e) Después balancea los átomos de hidrógeno. f) Posteriormente, balancea los átomos de oxígeno. g) Finalmente, compara la cantidad de átomos que están presentes al lado de reactantes y productos. Nota: Para balancear una ecuación, deben modificarse los coeficientes, NO los subíndices. Ejercicios: A continuación, pondrás en práctica la estrategia sugerida para el balanceo de ecuaciones químicas por el método de tanteo. Intégrate a un equipo de trabajo, balancea por tanteo las siguientes ecuaciones químicas y comenta los resultados con tus compañeros. 1.- __H2 + __O2 __H2O 2.- __O2 + Sb2S3 __Sb2O4 + __SO2 3.- __FeCl3 + __NH4OH 4.- __KMnO4 + __HCl __Fe(OH)3 + __NH4Cl __KCl + __MnCl2 + __H2O + __Cl2 5.- __Mg + __HCl __MgCl2 + __H2 6.- __Al + __O2 __Al2O3 7.- __Al(NO3)3 + __H2SO4 8.- __Na2SO4 + __BaCl2 9.- __Cu + __HNO3 10.- __KClO3 __HNO3 + __Al2(SO4)3 __BaSO4 + __NaCl __Cu(NO3)2 + __H2O + __NO3 __KCl + __O2 METODO DE ÓXIDO-REDUCCIÓN Antes de iniciar con la aplicación de este método de balanceo de ecuaciones, es importante aclarar algunos conceptos. Antiguamente, el término oxidación se refería a las reacciones en donde una sustancia reaccionaba con el oxígeno del aire o bien, con el oxígeno que tenía alguna otra sustancia. El término oxidado se aplicaba a la sustancia que ganaba el oxígeno; el término reducido se aplicaba a la sustancia que había perdido el oxígeno. 117 “Inteligencia, Rectitud y Grandeza” Reacciones químicas Química 1 Por ejemplo, en la siguiente reacción observamos que tres átomos de oxígeno son transferidos al monóxido de carbono. De acuerdo a lo visto en el párrafo anterior, el monóxido de carbono se oxidó mientras que el óxido de fierro se redujo. Fe2O3 + 3CO 2Fe + 3CO2 Pierde oxígeno + Gana oxígeno Se reduce + Se oxida Actualmente, los términos oxidado y reducido se definen en función de la transferencia de electrones que se da entre las sustancias que reaccionan. En esta transferencia, unas perderán electrones mientras que otras los ganan. Para saber quien gana o pierde electrones en una reacción, compara el número de valencias que tiene cada una de las sustancias que se encuentran participando como reactivos, con las valencias que presentan una vez que se han convertido en productos. El siguiente recuadro, te servirá como referencia para hacer dicha comparación. Ganancia de electrones -7, -6, -5, -4, -3, -2, -1, 0 +1, +2, +3, +4, +5, +6, +7 Pérdida de electrones El término oxidado se utiliza para referirse a la sustancia que pierde electrones en una reacción química, o bien, aumenta su número de oxidación. El término reducido, se aplica a la sustancia que gana dichos electrones, o bien, reduce su número de oxidación. Esto lo podemos visualizar en el siguiente ejemplo: Reacción química NO balanceada: Al + HBr AlBr3 + H2 Al anotar las valencias o números de oxidación queda de la siguiente manara: Al 0 + H +1 Br -1 Al +3 Br3 -1 + H2 0 Ejercicios: A continuación, trataremos de identificar las sustancias que se oxidan y reducen. Para ello, intégrate a un equipo de trabajo y, tras leer los tres párrafos anteriores y analizar la ecuación química, resuelve el ejercicio. 118 “Inteligencia, Rectitud y Grandeza” Reacciones químicas Química 1 Sustancia oxidada: 1.- ¿Cuál es la sustancia que se oxida?__________________________________ 2.- ¿Cuál fue la variación en su número de oxidación o valencia?_____________ 3.- ¿Ganó o perdió electrones?_________________________________________ 4.- ¿Cuántos ganó o perdió?___________________________________________ Sustancia reducida: 5.- ¿Cuál es la sustancia que se reduce?_________________________________ 6.- ¿Cuál fue la variación en su número de oxidación o valencia?_____________ 7.- ¿Ganó o perdió electrones?_________________________________________ 8.- ¿Cuántos ganó o perdió?___________________________________________ La ecuación química y los números de oxidación o valencia de cada elemento en la reacción, son el punto de partida para el balanceo de ecuaciones por el método de óxido-reducción o redox. Para balancear una ecuación química por el método de óxido-reducción se sugiere la siguiente metodología: a).- Identifica los átomos que están participando en la reacción. Sn + HNO3 SnO2 + NO2 + H2O b).- Anota el número de oxidación que le corresponde a cada uno de los átomos presentes en la ecuación. Sn0 + H+1N+5O3-2 Sn+4O2-2 + N+4O2-2 + H2+1O-2 c).- Identifica al átomo que se reduce (gana electrones) y realiza lo siguiente: Con ayuda de una semirreacción representa su estado de oxidación como reactante y como producto. Iguala el número de átomos en ambos extremos de la semirreacción. Calcula cuál fue la variación de electrones y multiplícala por el número de átomos que tienes; anótala al lado de los reactantes. N+5 N+4 + 1e- d).- Identifica al átomo que se oxida (pierde electrones) y realiza lo siguiente: Con ayuda de una semirreacción, representa su estado de oxidación como reactante y como producto. Iguala el número de átomos en ambos extremos de la semirreacción Calcula cuál fue la variación de electrones y multiplícala por el número de átomos que tienes; anótala al lado de los reactantes. Sn0 Sn+4 - 4e119 “Inteligencia, Rectitud y Grandeza” Reacciones químicas Química 1 e).- Iguala el número de electrones ganados y perdidos, multiplicando la primera semirreacción por el número de electrones obtenidos en la segunda semirreacción. La segunda semirreacción la multiplicarás por el número de electrones de la primera. (N+5 (Sn0 (4N+5 (Sn0 4N+5 + N+4 + Sn+4 4N+4 Sn+4 Sn0 1e-)4 4e-) + 4e-) 4e-)4 4N+4 + Sn+4 f).- El resultado obtenido, trátalo como si fuera una suma; en ésta, veremos que el número de electrones se hace cero y sólo nos quedan las especies reaccionantes que cambiaron su número de oxidación. g).- En esta misma ecuación, veremos que los reactantes quedan colocados a la izquierda de la flecha, mientras que los productos quedan hacia la derecha de la misma. El resultado obtenido nos permite iniciar el balanceo de la ecuación; este resultado nos dice que al lado de los reactantes debemos tener cuatro N+5 y un Sn0, mientras que al lado de los productos deberán aparecer cuatro N +4 y un Sn+4. Si colocamos estos datos en la ecuación se observará lo siguiente: Sn0 + 4H+1N+5O3-2 Sn+4O2-2 + 4N+4O2-2 + H2+1O-2 h).- La ecuación puede no estar totalmente balanceada, por lo que deberás concluirla por tanteo, ajustando el número de átomos a partir de los datos que ya tenemos. Sn0 + 4H+1N+5O3-2 Sn+4O2-2 + 4N+4O2-2 + 2H2+1O-2 i).- Finalmente, comprueba que el número de átomos es reactantes y productos son iguales. Reactivos Sn=1 N=4 H=4 O = 12 Productos Sn=1 N=4 H=4 O = 12 120 “Inteligencia, Rectitud y Grandeza” Reacciones químicas Química 1 Ejercicios: Balancea las siguientes reacciones por el método de óxidoreducción. 1.- O2 + Ag Ag2S + H2O 2.- KMnO4 + HCl KCl + MnCl2 + H2O + Cl2 3. - Al + H2SO4 H2 + Al2(SO4)3 4. - Zn + AgNO3 Zn(NO3)2 + Ag 5. - Zn + HCl ZnCl2 + H2 6. - HNO3 + H2S 7. - KI + H2SO NO + S + H2O K2SO4 + I2 + H2S + H2O 8. - Cr2O3 + Na2CO3 + KNO3 9. - Cu + HNO3 CO2 + Na2CrO4 + KNO2 Cu(NO3)2 + NO + H2O 10. - Fe2SO4 + KMnO4 + H2SO4 K2SO4 + MnSO4 + Fe(SO4)3 + H2O El término semirreación se utiliza para representar ecuaciones químicas incompletas; en este caso, se utiliza para representar las variaciones en el número de oxidación de las sustancias que se reducen o se oxidan. Existen otras alternativas metodológicas para balancear ecuaciones por el método de óxido reducción. Si conoces algunos de ellos y consideras que es más práctico, utilízalo para resolver los problemas que se te planteen. Importancia de las reacciones de óxido-reducción Generalmente, cuando hablamos de algún proceso químico, pensamos que éste sólo puede ocurrir cuando realizamos una práctica dentro del laboratorio. En pocas ocasiones, comparamos lo visto en el laboratorio escolar, con lo que ocurre en la vida diaria. La transferencia de electrones que se observa en las reacciones óxido-reducción, no se restringe a una metodología que nos enseña cómo calcular la variación de ellos en las sustancias que se oxidan o se reducen. Las reacciones de óxido-reducción tienen una mayor trascendencia; se observan o emplean en una enorme diversidad de “cosas”, que tienen relación con tu vida diaria. 121 “Inteligencia, Rectitud y Grandeza” Reacciones químicas Química 1 Por ejemplo: a) Con ayuda de estas reacciones te puedes explicar por qué se oxidan los metales o, por qué se destiñe la ropa. b) A través de ellas, nuestro organismo obtiene la energía necesaria para funcionar. c) Gracias a ellas, es posible fabricar fuegos artificiales. d) La comunicación que existe entre nuestras neuronas son posibles gracias a este tipo de reacciones. e) Los antisépticos y desinfectantes tienen una acción oxidante que permite conservar la salud. f) El revelado de películas fotográficas es otro más de los ejemplos que podemos mencionar. Finalmente, ¿sabías que el envejecimiento es un proceso donde intervienen reacciones de óxido-reducción? Algunas sustancias como los dulces, el alcohol, la nicotina, son reconocidas como agentes oxidantes, los cuales favorecen el envejecimiento. CRITERIOS DE DESEMPEÑO ENCUENTRE QUE ESPECIES QUIMICAS DE LAS SIGUIENTES REACCIONES SE OXIDAN Y CUALES SE REDUCEN. A) 3NH3 + 8CrO4-2 + 14H2O 3NO-3 + 8Cr+3 + 37OH- B) 3Cu + 2NO-3 + 8+ 3Cu++ + 2NO + 4H2O C) 3Sn++ + Cr2O7-2 3Sn++ + 2Cr+3 + 7H2O BALANCEAR LAS SIGUIENTES REACCIONES. A) HNO3 + P + H2O H3PO4 + NO B) Cr(OH)3 + NaClO + Na2CO3 C) H2SO4 + H2S Na2CrO4 + NaCl + H2O + CO2 SO2 + S + H2O D) HNO3 + As2O3 + H2O H3AsO4 + NO2 122 “Inteligencia, Rectitud y Grandeza” Reacciones químicas Química 1 BALANCEA LAS SIGUIENTES REACCIONES QUÍMICAS POR EL MÉTODO DE OXIDO REDUCCIÓN. A) C + HNO3 CO2 + NO2 + H2O B) KMnO4 + H2SO4 + Sb C) HClO3 + C2O4H2 K2SO4 + MnSO4 + Sb2O3 + H2O HCl + CO2 D) MnSO4 + Na2CO3 + O2 E) NH4NO3 CO2 + Na2SO4 + Na2MnO4 N2O + H2O F) As2O3 + H2SO4 + Zn AsH3 + H2O + ZnSO4 G) KMnO4 + FeSO4 + H2SO4 K2SO4 + MnSO4 + Fe2(SO4)3 + H2O H) KCN + Co(CN)2 + HCN K3Co(CN)6 + H2 123 “Inteligencia, Rectitud y Grandeza”
