Modulo 4 - Reacciones Químicas
Modulo 4 - Reacciones Químicas
Modulo 4 - Reacciones Químicas
2014
Química General I
REACCIONES QUÍMICAS, LA TRANSFORMACIÓN DE LA MATERIA
ÍNDICE
Tema Página
1. Generalidades de las Reacciones químicas 2
2. Tipos de Reacciones Químicas 4
3. Balance de Masa 11
4. Estequiometría de las Reacciones Químicas 15
5. Reactivo Limitante y Reactivo en Exceso 19
6. Bibliografía 22
1. Generalidades
¿Por qué se enciende un fósforo, el papel o el motor del carro? ¿Por qué se oxida un clavo?...
En cada una de éstas situaciones ha ocurrido
un cambio químico, una transformación de la
materia en donde lo que se genera
(productos) son completamente diferentes y
con propiedades distintas a las iniciales, más
importante aún, el 90 % de los casos, son
cambios irreversibles; una vez quemado el
Ilustración 1. Cuando se quema el papel, este sufre un papel no podemos convertir sus cenizas en
cambio químico irreversible, liberando gases y carbón en
forma de cenizas. papel nuevamente.
Las reacciones químicas nos permiten observar estos cambios químicos y comprender cómo se
transforma la materia. Para estudiar estas reacciones químicas, los científicos han desarrollado
un sistema universal para representarlas, este sistema son las Ecuaciones Químicas.
Las ecuaciones químicas son la representación escrita de un cambio químico que ocurre a
través de una reacción química. Hay varios elementos que se representan en una ecuación
química:
Por la complejidad del tema nos dedicaremos a estudiar las reacciones en un solo sentido
(irreversibles), es decir, aquellas que utilizan la flecha simple; las reacciones reversibles (con la
flecha doble) y de Óxido Reducción se estudiarán en un capítulo posterior y dedicado
exclusivamente a ellas.
A+BC+D
Se lee:
Para estudiar mejor las reacciones químicas, los Químicos las agrupamos de manera que su
estudio sistematizado sea mucho más sencillo; se han dividido en cinco grandes grupos que
veremos a continuación:
a. Reacciones de Síntesis
b. Reacciones de Descomposición
c. Reacciones de Simple desplazamiento
d. Reacciones de Doble desplazamiento
e. Reacciones de Neutralización
También conocida como reacción de combinación, en este tipo de reacciones los reactivos se
“combinan” para producir un compuesto más complejo. La forma general que tienen es:
A + Z AZ
Como su nombre lo indica son reacciones donde una molécula grande o compleja se fracciona
en dos o más compuestos más simples o sencillos. La forma general que tienen es:
AB A + B
Si observas, es muy interesante lo que se plantea aquí, las plantas generan nuestros alimentos y
el gas que necesitamos para vivir; nosotros de vuelta generamos el gas necesario para que ellas
vivan, el dióxido de carbono y de paso obtenemos energía para nuestras actividades en forma
de ATP. Todo en un hermoso equilibrio que permite la vida sobre la tierra.
Otra reacción de descomposición que no podemos dejar de mencionar es la reacción de
combustión en donde “se queman” los hidrocarburos (combustibles), que permiten entre otras
cosas nuestro desplazamiento rápido por tierra, agua y aire:
CnHm + O2 CO2 + H2O
ausencia de oxígeno la combustión se detiene. Puedes hacer la prueba encendiendo una vela y
luego tapándola con un vaso, observarás que la llama se apaga casi de inmediato, esto se debe
a que cortaste el suministro de oxígeno a la reacción. Éste principio es utilizado para extinguir
fuegos.
los otros sub productos de una combustión. Sin embargo a este nivel, asumiremos las
combustiones como procesos ideales donde sólo se genera dióxido de carbono y agua.
M + BZ MZ + B
Caso b: un No metal (X) reemplaza a otro anión o al elemento Hidrógeno. Ilustración 3. Un alambre de Cobre
reacciona son una solución de nitrato
X + BZ BX + Z de Plata. Se observa inmediatamente
como se forma la plata metálica sobre
lo que era el alambre de cobre.
Serie de Actividad de
los metales
En las reacciones de doble desplazamiento participan dos compuestos que se mezclan entre sí:
AB + CD AD + CB
Otro nombre con el que se conoce a este tipo de reacciones es el de “Reacciones de metátesis”,
que significa cambio de estado; lo que implica que cuando una reacción de doble
desplazamiento ocurre efectivamente, alguno de los productos formados cambia de estado, ya
sea que:
a. Se forme un sólido (s)
b. Se produzca agua pura (l)
c. Se forme un gas (g)
¿Cómo saber en qué situación obtenemos un sólido, un líquido o un gas? Las reglas de
solubilidad nos permiten establecerlo fácilmente, aquí se enlistan las principales reglas de
solubilidad:
Reglas de solubilidad
Por ejemplo:
En este caso la plata se combina con el cloruro, según las reglas de solubilidad los cloruros son
solubles pero una excepción es el AgCl, por lo tanto decir que ese compuesto es insoluble
equivale a decir que cuando reaccionan se forma un sólido de AgCl, y con respecto al ácido
nítrico (HNO3) las reglas de solubilidad dicen que los nitratos y los ácidos son solubles por lo
tanto se mantiene en forma acuosa, lo que sigue es señalar los estados físicos de los productos
de esa reacción:
Nota: Si por alguna razón los productos son todos acuosos la reacción no ocurre y sólo se tiene
una mezcla de iones disueltos en agua.
Las reacciones de neutralización son reacciones exclusivas entre un ácido y una base, son un
tipo especial de reacción de doble desplazamiento pero que se estudia separadamente. En la
mayoría de las reacciones el producto es agua y una sal, en otras ocasiones, cuando el ion
carbonato tiene parte dentro de la reacción de neutralización puede formarse además el gas
dióxido de carbono (CO2). Su forma general es:
HX + MOH HOH + MX
HX + MOH H2O + MX
Donde HX es un ácido y MOH es una base. Ambas formas de escribir la molécula de agua son
válidas (HOH y H2O). Veamos el ejemplo más clásico, la reacción entre el ácido clorhídrico y el
hidróxido de sodio:
Podemos observar que se genera la tan preciada sal de mesa (NaCl), como dato interesante, la
sal fue tan importante en la antigüedad que se pagaba con ella, de allí el término “Salario”; esto
se debe a sus propiedades preservantes ya que permitía conservar las carnes “saladas” durante
más tiempo y facilitaba el almacenamiento de alimentos perecederos.
3. Balance de Masa
El científico Antoine Lavoisier, se dedicó a realizar estudios en los inicios de la química como
una ciencia formal (luego de la alquimia), entre muchas de sus conclusiones, una fue muy
importante, él determinó que la masa de los reactivos en una reacción es exactamente la
misma luego de la reacción, en los productos. Esto lo llevó a enunciar la ley de la conservación
de la masa “La masa no se crea ni se destruye, sólo se transforma”.
Cómo es bien sabido por el uso del método científico, cuando una observación se convierte en
Ley es porque se cumple el 100 % de las veces. Atados a esta ley, no podemos simplemente
escribir una ecuación química y obtener información sobre ella, antes de eso, debemos
asegurarnos de que la masa de nuestros elementos sea la misma antes y después de la
reacción, es decir, antes y después de la flecha.
Para ello se desarrollaron los métodos de balance de masa de una reacción química. En esta
ocasión estudiaremos el balance por simple inspección, ya que es el más sencillo y permite
balancear el 90% de las reacciones químicas y consiste en colocar un número entero
“coeficiente de balance” delante de cada
compuesto que lo necesite para que las cantidades
sean iguales ambos lados de la flecha.
Para balancear una reacción solo debemos seguir
unos simples pasos, veamos el siguiente ejemplo:
Escriba, diga qué tipo de reacción y balancee la
siguiente reacción química: “El hidróxido de calcio y
el ácido fosfórico reaccionan para producir fosfato
de calcio y agua”.
Ilustración 5. Al hacer reaccionar vinagre y bicarbonato en
un Erlenmeyer cubierto por un globo, se observa que la Tipo: reacción de neutralización.
masa no varía, aun cuando se genera un gas producto de
la reacción, lo que comprueba la ley de la conservación de
la masa.
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REACCIONES QUÍMICAS, LA TRANSFORMACIÓN DE LA MATERIA
Paso 1: Escribir las fórmulas correctas de los reactivos y los productos sin olvidar que los
reactivos van a la izquierda de la flecha, los productos a la derecha de la flecha, y que cada
sustancia se separa de la otra por medio del signo más (+):
Paso 3: Balancear los elementos no metálicos y/o iones poliatómicos. En el caso del ejemplo no
hay elementos no metálicos pero si tenemos el ión poliatómico fosfato (PO 43-) Procedemos al
conteo de iones fosfato:
A la izquierda tenemos un (1) ión fosfato y a la derecha tenemos dos (2) iones fosfato. Por lo
tanto si se coloca un dos (2) delante del fosfato a la izquierda quedaran balanceados.
Paso 4: balancear los elementos Hidrógeno y Oxígeno. En este punto debemos aclarar algo; lLos
números enteros que balancean cada elemento, se han colocado delante del compuesto, no
delante del elemento, esto implica que ese número entero multiplica a todos los subíndices de
ese compuesto.
Es decir que en 3 Ca (OH)2 hay:
3 átomos de Ca,
Dos (2) por tres (3) átomos de O = 6 átomos de Oxígeno
Dos (2) por tres (3) átomos de H = 6 átomos de Hidrógeno
En 2 H3PO4 hay:
Dos (2) por tres (3) átomos de H = 6 átomos de Hidrógeno
Dos (2) por uno (1) ión PO43- = 2 iones fosfato
Es importante realizar este conteo para tener clara la cantidad total de elementos a cada lado
de la flecha. Ya no tenemos que preocuparnos por el Calcio ni por el ión fosfato, pero debemos
saber cuántos átomos de Hidrógeno y de oxígeno tenemos en Total en los reactivos (a la
izquierda de la flecha).
Del conteo anterior tenemos que en los reactivos hay:
6 átomos de oxígeno
12 átomos de hidrógeno
Éstas son las cantidades de átomos que debemos tener en los productos (a la derecha de la
flecha)
No conviene cambiar los coeficientes de balance que ya hemos colocado (el 3 y el 2) y el fosfato
de calcio en los productos ya está balanceado también, por lo que sólo podemos colocar un
coeficiente delante del agua para balancear los últimos elementos que nos quedan. En el agua
tenemos:
Un (1) átomo de oxígeno
Dos (2) átomos de Hidrógeno
“Tres moles de Hidróxido de calcio y dos moles de ácido fosfórico reaccionan para producir un
mol de fosfato de calcio y seis moles de agua”.
Como puedes observar esos coeficientes de balance representan las moles exactas que se
requieren de cada sustancia para formar esas cantidades de moles exactas de producto.
Todas estas relaciones podemos utilizarlas dentro de factores de conversión para saber las
cantidades de producto y/o reactivos que estarán involucrados en una reacción. Por ejemplo:
se desea saber ¿Cuántas moles de agua se producen por la reacción de 3,5 moles de C2H6?
Para resolver este problema:
3,5 X 6 ÷ 2= 10,5
4. El resultado se presenta como sigue:
Nótese que la unidad en la que el problema nos presenta el dato es la misma unidad que debe
colocarse en el denominador del factor de conversión Estequiométrico, con la idea de que se
cancelen estas unidades y solo me quede la unidad que estoy buscando, en este caso mol de
agua.
Solo para recordar, la masa molar de un compuesto es la suma de las masas de todos los
elementos en ese compuesto. Si ahora el problema anterior nos preguntara: se desea saber
¿Cuántos gramos de agua se producen por la reacción de 3,5 moles de C2H6?
En el paso número dos (2) deberíamos añadir un factor de conversión adicional con la masa
molar del agua para poder obtener los gramos de agua:
H = 2 x 1,00 g = 2,00 g
+
O= 1 x 16,00 g = 16, 00 g
18,00 g
Esto quiere decir que un (1) mol de agua pesa 18,00 g de agua
2.2. Apliquemos los factores de conversión:
3,5 moles de C2H6 X (6 mol de H2O/2 mol de C2H6) X (18,00 g de H20/ 1 mol de H2O)
Ahora Podemos continuar con el paso 3 que es resolver las operaciones matemáticas que se
plantean:
En esta situación la cantidad de queso te limita la preparación de los derretidos, algo similar
pasa en química, dependiendo de las cantidades de reactivos que se mezclen y de la
estequiometria de la reacción (la relación de mol en que reaccionan los reactivos) habrá un
reactivo en exceso y un reactivo limitante.
El reactivo limitante es aquel que se consume por completo en una reacción, y una vez que se
consume todo, la reacción cesa. El reactivo en exceso como su nombre lo dice es el reactivo
que sobra porque está en mayor cantidad.
Veamos los pasos a seguir para resolver un problema de reactivo limitante a través de un
ejemplo sencillo:
Se hacen reaccionar 20 gramos de nitrato de plata con 20 gramos de cloruro de sodio. ¿Cuántos
gramos de Cloruro de plata se formarán? ¿Cuál de los reactivos es el limitante? ¿Cuál de los
reactivos está en exceso?
Mol de AgNO3 = 20 g AgNO3 (1 mol AgNO3/ 169,90 g AgNO3) = 0,1177 mol de AgNO3
Mol de NaCl = 20 g de NaCl (1 mol de NaCl/ 58,45 g de NaCl) = 0,3422 mol de NaCl
Paso 4: Establecer el reactivo limitante y el reactivo en exceso. Para eso debemos dividir las
moles calculadas de cada reactivo en el paso anterior entre el coeficiente de balance
respectivo. Se obtendrá un número adimensional, el valor más pequeño que se obtenga será el
del reactivo limitante.
AgNO3 NaCl
0,1177 mol de AgNO3 / 1 mol de AgNO3 = 0,3422 mol de NaCl / 1 mol de NaCl =
0,1177 0,3422
Aun cuando un mol de AgNO3 reacciona con un mol de NaCl, podría pensarse que agregar
cantidades iguales de esos reactivos deberá hacer que reaccionen por completo; haciendo un
cálculo más profundo nos podemos percatar que hay menor cantidad de mol de AgNO 3 que de
NaCl; por lo tanto podemos concluir que nuestro reactivo limitante es el Nitrato de Plata
(AgNO3) y el reactivo en exceso es el Cloruro de Sodio (NaCl).
Paso 5: calcular los gramos de cloruro de plata que se forman a partir de 20 gramos de Nitrato
de plata que es el reactivo limitante, para esto utilizamos la misma metodología de los
problemas de estequiometría. No olvidemos calcular la masa molar del producto de interés:
AgCl
20 g de AgNO3 1 mol AgNO3 x 1 mol de AgCl x 143.35 g de AgCl = 16,87 g de AgCl
169,90 g AgNO3 1 mol AgNO3 1 mol de AgCl
BIBLIOGRAFÍA