REACCIONES QUÍMICAS. Para determinar cuáles serán los productos en una reacción química, a menudo es de mucha ayuda pensar en términos de tipos de reacción. Pero es solamente el comienzo, puesto que es también necesario el conocimiento de las propiedades químicas de la sustancia considerada en particular. Cuanto mayor sea su conocimiento en química, mayor su habilidad en predecir los productos de reacciones químicas. Al escribir ecuaciones químicas, primero se debe determinar cuáles serán los productos, luego debe escribirse la fórmula correcta, para todos los reaccionantes y los productos y finalmente balancear la ecuación; además debe indicarse el estado físico de cada sustancia. Para escribir ecuaciones se utilizan varios símbolos y términos. Los reaccionantes siempre se escriben hacia la izquierda y los productos en la derecha, separados por una flecha sencilla (---> ), una doble flecha (<=> ). Generalmente es estado físico de los reaccionantes y los productos se indica por medio de la siguiente notación: 1. 2. 3. 4. (g) para un gas, ejemplo: CO2(g) . (l) para un líquido, ejemplo: H2O(l) . (s) para un sólido, ejemplo: FeS (s) (ac) para una sustancia en solución acuosa, como es el caso de NaCl(ac). Un triángulo en una ecuación representa calor. Ese puede escribirse bien sea sobre la flecha para indicar que el calor es necesario para que ocurra la reacción o en algunos casos se indica como producto de la reacción. Los tipos generales de reacciones han sido agrupados en categorías para facilitar su aprendizaje. Se han considerado los siguientes tipos de reacciones: 1. 2. 3. 4. 5. Combinación Descomposición Simple desplazamiento Doble desplazamiento Neutralización Introducción La Ecuación Química En una reacción química , a las sustancias iniciales se les llama reactivos, y a las sustancias que se originan se les llama productos. Durante una reacción química, los átomos, moléculas o iones interaccionan y se reordenan entre sí para formar los productos. Durante este proceso se rompen enlaces químicos y se forman nuevos enlaces. Los reactivos y los productos pueden estar en estado sólido, líquido o gaseosos, o pueden estar en solución. Una ecuación química es una expresión taquigráfica de un cambio o reacción de naturaleza química. Muestra, entre otras cosas, el rearreglo de los átomos que están implicados. Una ecuación verbal enuncia con palabras en forma de ecuación, las sustancias que participan en una reacción. Por ejemplo, cuando se calienta el óxido de mercurio (II), se descompone formando mercurio y oxígeno. La ecuación verbal para esta descomposición es: Desde el punto de vista químico, este método de describir una reacción es inadecuado. Ocupa mucho lugar y su uso es complicado; además no da información cuantitativa. La ecuación química, con símbolos y fórmulas, es un método mucho mejor para describir la descomposición del óxido de mercurio (II) en mercurio y oxígeno: Las reacciones químicas también pueden ser representadas mediante modelos moleculares, dibujando los átomos como si fueran esferas y construyendo así las moléculas de las sustancias que intervienen en una reacción. Utilizando los modelos moleculares podemos entender mejor la conservación de la materia en las reacciones químicas, puesto que el número de esferas de cada clase debe ser el mismo en las sustancias iniciales y en las finales, es decir, en los reactivos y en los productos. Esta ecuación da toda la información de la ecuación verbal, y además las fórmulas, la composición, las cantidades relativas de todas las sustancias involucradas en la reacción, y más información adicional. Aun cuando una información química da bastante información cuantitativa, todavía no es una descripción completa; no dice cuánta energía se necesita para llevar a cabo la descomposición, lo que se observa durante la reacción, o cualquier indicio acerca de la velocidad. Esta información se debe recopilar de otras fuentes o mediante experimentación. Manifestaciones de una reacción química Un cambio químico se lleva a cabo cuando: Se produce un gas. Se produce un sólido insoluble. Se observa un cambio de color permanentemente. Se observa producción o absorción de calor: Exotérmico – se libera calor. Endotérmico – se absorbe calor. Pasos para escribir las Ecuaciones Químicas Una ecuación química usa los símbolos y fórmulas de los reactivos y productos, y otros términos simbólicos para representar una reacción química. Las ecuaciones se escriben siguiendo los siguientes pasos: 1. Los reactivos se separan de los productos con una flecha ( ) que indica el sentido de la reacción. Una flecha doble ( ) indica que la reacción se efectúa en ambas direcciones y establece un equilibrio entre los reactivos y los productos. 2. Los reactivos se colocan a la izquierda y los productos a la derecha de la flecha. Un signo (+) se coloca entre cada reactivo y entre cada producto, cuando es necesario. 3. Las condiciones necesarias para efectuar la reacción pueden, si se desea, colocarse arriba o abajo de la flecha o signo de igualdad. Por ejemplo, una letra delta mayúscula ( ) colocada sobre la flecha ( ) indica que se suministra calor a la reacción. 4. Se colocan coeficientes (números enteros) frente a los símbolos de las sustancias (por ejemplo, 2 H2O) para equilibrar o balancear la ecuación e indicar el número de unidades fórmula (átomos, moléculas, moles, iones) de cada sustancia que reacciona o que se produce. Cuando no se indica número alguno, se sobrentiende que se trata de una unidad fórmula. 5. El estado físico de la sustancias se indica mediante los siguientes símbolos: (s) para el estado sólido; (l) para el estado líquido; (g) para el estado gaseoso; y (ac) para las sustancias en solución acuosa. 6. Empiece con las partes más complejas, es decir con los compuestos que tienen varios elementos. En algunos casos, simplemente consiste en ajustar primero los átomos diferentes al hidrógeno y al oxígeno. 7. Ajuste el hidrógeno y el oxígeno agregando agua si es necesario, después de que todos los otros elementos estén balanceados. 8. Deje los elementos en estado libre hasta el último momento, ya que cambiando los coeficientes de estos sólo cambian esta clase de átomos. Por ejemplo, cuando se escribe un 2 delante del H2O, se duplica el número de átomos de hidrógeno y oxígeno, pero cuando se escribe un 2 delante del Al sólo cambia el número de átomos de Al. 9. Para reacciones con iones poliatómicos, ajuste el ion como grupo. Por ejemplo, el SO 4-2 se ajusta como ion sulfato y no como átomos de S y átomos de O. 10. Generalmente, si aparecen fracciones en la ecuación, se multiplica todo por el número más pequeño que elimine esta fracción. No es esencial hacer desaparecer las fracciones, sin embargo, es más simple en la mayoría de los casos. Además asegúrese al final, que todos los coeficientes estén en relación o proporción más baja posible; si no es el caso, simplifique. Considere el siguiente ejemplo: Recuerde que es conveniente empezar por la sustancia más compleja. Empezando por el fosfato de magnesio (la parte más compleja) y considerando el fosfato de magnesio como grupo, escribimos un 2 delante del H3PO4 para ajustar el grupo fosfato y un 3 delante de Mg(OH)2 para ajustar el Mg dando como resultado: Únicamente nos queda el hidrógeno y el oxígeno. Observando el hidrógeno, hay 12 átomos en la izquierda y por tanto necesitamos escribir un 6 delante del H2O. De igual forma se ajustan también los átomos de O que son en total 14. Esto da finalmente: Para revisar se puede sumar todos lo átomos de Mg, O, H, y P en cada lado de la ecuación. Esto da: NÚMEROS DE OXIDACIÓN: Para comprender las reacciones de oxidación y de reducción es necesario definir inicialmente el término de número de oxidación. El número de oxidación es un número entero positivo o negativo que es utilizado para describir la capacidad de combinación de un elemento en un compuesto. Existen números de oxidación fraccionarios en los átomos de los compuestos, pero no son comunes en los compuestos inorgánicos. Un ejemplo es el Na2S4O6 (tetrationato de sodio), el cual el átomo de azufre tiene un número de oxidación promedio igual a 2½ . La variación en el número de oxidación de un átomo antes de llevarse a cabo la reacción química y después de realizada, manifiesta la cantidad de electrones ganados o perdidos. Un cambio positivo se lleva a cabo cuando un átomo pasa del estado libre o no combinado en el que el número de oxidación es igual a cero, a un estado combinado en el que el número de oxidación es positivo. Un ejemplo de un cambio negativo puede ser el caso en el que un átomo pasa de un estado no combinado a un estado combinado con número de oxidación negativo. Desde hace mucho tiempo se utilizó el término oxidación para los casos en los que un elemento se combinaba con oxígeno, pero en la actualidad, el término se ha generalizado mucho más, definiéndose oxidación como el cambio químico en el que se pierde electrones produciéndose un aumento en el número de oxidación. La reducción es un cambio química en el que un átomo gana electrones produciéndose una disminución en el número o estado de oxidación. Número de oxidación es un número entero positivo o negativo que se utiliza para describir la capacidad de combinación de un elemento en un compuesto. Oxidación: Proceso que se lleva a cabo cuando una sustancia se combina con oxígeno, o todo proceso en el que hay pérdida de electrones. Se produce un aumento en el número de oxidación. Reducción: Proceso que se lleva a cabo cuando una sustancia libera oxígeno, o todo proceso químico en el que hay una ganancia de electrones. Se produce una disminución en el número de oxidación. En una reacción, cualquiera que sea la sustancia que se oxida, pierde electrones y otra sustancia los gana, la que a su vez se reduce; por lo tanto la oxidación acompaña a la reducción y la reducción acompaña a la oxidación. La ecuación se llama entonces de oxidación-reducción (o ecuación "redox"). En una ecuación de redox, a la sustancia que se oxida se le conoce con el nombre de agente reductor porque produce la reducción de otra sustancia. A la sustancia que se reduce se le llama agente oxidante, ya que por el contrario, produce la oxidación de otra sustancia. Números de Oxidación Capacidad de combinación o valencia La capacidad de combinación de un átomo recibe el nombre de valencia. Se representa con un número que indica el número de enlaces formados. En la molécula de amoníaco (NH3), el nitrógeno tiene valencia 3, debido a que esta formando tres enlaces con los átomos de hidrógeno. En tanto que, el hidrógeno tiene valencia 1. Recuerde que los electrones que participan en la formación de enlaces químicos son los electrones correspondientes al último nivel del átomo en los elementos representativos. Por lo anterior, estos electrones se conocen como electrones de valencia. Números o estados de oxidación Es estado de oxidación es la carga eléctrica que un átomo parece tener cuando forma parte de un compuesto. La carga eléctrica depende de la cantidad de electrones ganados, perdidos o compartidos por un átomo. Como ya se dijo anteriormente, si un elemento pierde electrones se oxida, y si el elemento gana electrones, se reduce. Para comprender más fácilmente lo anterior, analicemos como ejemplo la formación de bromuro de potasio (KBr) a partir de sus iones. En el caso del bromo, éste se reduce ya que gana 1 electrón que proviene del potasio que se oxida: Entonces, el potasio tiene un número de oxidación positivo de +1, y el bromo un número de oxidación negativo de -1. Relación entre valencia y el número de oxidación En la mayoría de los casos, el valor numérico del estado de oxidación coincide con el valor de la valencia. Por ejemplo, el magnesio tiene un número de oxidación de +2 y su valencia también es de 2. Lo anterior se debe a que la carga de +2 la adquiere en el momento en que pierde dos electrones. En general, un número de oxidación positivo para cualquier elemento es igual al número del grupo del elemento en la tabla periódica. El número de oxidación negativo para cualquier elemento se puede obtener restando de 8 el número del grupo y dándole a la diferencia un signo negativo. Por esto el cloro es -1 y el fósforo tiene número de oxidación de -3 que significa que el fósforo tiene una tendencia de ganar tres electrones y el cloro 1 electrón. La valencia de un elemento no tiene signo; el estado de oxidación sí. Reglas para determinar los números de oxidación 1. Todo elemento en su estado libre (natural o no combinado) tiene como número de oxidación cero: Fe, Sn, Zn, Na, Ca. Tome en cuenta que hay varias moléculas que en su estado libre existen como moléculas diatómicas, ejemplo: F2, Cl2, Br2, I2, H2, N2, O2. 2. En los iones monoatómicos el número de oxidación es la carga del ion: ION número de oxidación Na+ +1 Ca+2 +2 Al+3 +3 +3 +3 Fe 3. En la mayoría de los compuestos, el oxígeno tiene un número de oxidación de -2: Esto se en el caso de los compuestos covalentes. Una excepción importante son los peróxidos (compuestos que contienen un grupo O2-2) en los cuales se asigna a cada oxígeno un estado de oxidación de -1: Compuesto número de oxidación del oxígeno Na2O -2 CaO -2 Al2O3 -2 Cl2O7 -2 4. El compuestos covalentes con no metales se asigna al hidrógeno un número de oxidación de +1: Compuesto número de oxidación del hidrógeno HCl +1 H2S +1 NH3 +1 5. La suma algebráica de los números de oxidación de todos los átomos en la fórmula de un compuesto es cero. Ejemplo, el ácido nítrico (HNO3), ácido sulfúrico (H2SO4), sulfato de sodio (Na2SO4) 6. En los iones complejos, la suma algebráica de los números de oxidación de todos sus átomos es igual a la carga del ion.