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REACCIONES QUÍMICAS

Unidad 8

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Contenidos (1)

1.-   Concepto de reacción química.

2.-   Escritura esquemática y significado de las ecuaciones químicas.

3.-   Teoría de las colisiones.

4.-   Ajuste de las reacciones químicas:4.1.    Por tanteo.

4.2.    Por ecuaciones.

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Contenidos (2)

5.-  Tipos de reacciones:5.1.    Reacciones de síntesis.

5..2.    Reacciones de descomposición.

5.3.    Reacciones de sustitución.

5.4.    Reacciones de doble sustitución.

5.5. Importancia del oxígeno en las reacciones de combustión.

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Contenidos (3)

6.- Estequiometría de una reacción química.6.1.    Cálculos con moles.

6.2.    Cálculos con masas.

6.3.    Cálculos con volúmenes en condiciones normales.

6.4.    Cálculos con volúmenes en condiciones no normales.

6.5.    Cálculos con reactivo limitante.

6.6.    Cálculos con reactivos en disolución.

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Contenidos (4)

7.-  Rendimiento de una reacción química. Riqueza.

8.-   Algunas reacciones químicas importantes en la sociedad. (trabajo bibliográfico)

9.-  La energía en las reacciones químicas.9.1.  Calor de reacción (rotura y formación de

enlaces).

9.2. Reacciones exotérmicas y endotérmicas.

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Concepto de reacción química.

“Es un proceso mediante el cual unas sustancias (reactivos) se transforman en otras (productos de la reacción) por la reorganización de los átomos conformando moléculas nuevas. Para ello es necesario que rompan enlaces en las moléculas originales y se formen enlaces nuevos”.

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Ejemplo de reacción química.

Reactivos Productos

En la reacción: H2 + I2 — 2 HI

se rompen 1 enlace H—H y 1 enlace I —I y se forman 2 enlaces H—I

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carbono oxígeno monóxido de carbono

carbono oxígeno dióxido de carbono

Cloruro de hidrógeno cinc cloruro de cinc hidrógeno

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sulfato de cobre (II) hierro sulfato de hierro (II) cobre

etanol oxígeno dióxido de carbono agua

+ +

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Ajuste de una reacción química. El número de átomos de cada elemento tiene que ser

igual en los reactivos y en los productos. Se llama ajuste a la averiguación del número de moles

de reactivos y productos. ¡CUIDADO! En el ajuste nunca pueden cambiarse los

subíndices de las fórmulas de reactivos o productos. Métodos de ajuste:

– Tanteo (en reacciones sencillas).– Algebraicamente (en reacciones más complejas) resolviendo

un sistema de ecuaciones.

11 Ejemplo: Ajustar la siguiente reacción:

HBr +Fe FeBr3 + H2

Sean a, b, c y d los coeficientes (número de moles) de los respectivos reactivos y productos. a HBr + b Fe c FeBr3 + d H2

H) a = 2d Br) a = 3c Fe) b = c Sea d = 1; entonces a = 2, c = 2/3 y b = 2/3

Multiplicando todos los valores por 3 obtenemos los siguientes coeficientes:

a = 6, b = 2, c = 2 y d = 3. Por tanto la ecuación ajustada será:

6 HBr +2 Fe 2 FeBr3 + 3 H2

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Ejercicio: Ajusta las siguientes ecuaciones químicas por el método de tanteo:

a) C3H8 + O2 CO2 + H2O

b) Na2CO3 + HCl Na Cl + CO2 + H2O

c) PBr3 + H2O HBr + H3PO3

d) CaO + C CaC2 + CO

e) H2SO4 + BaCl2 BaSO4 + HCl

5 3 4

22

33

3

2

13 Ejercicio: Ajusta las siguientes ecuaciones químicas por el método algebraico:

a)a) a KClO3 b KCl + c O2

K) a = b; Cl) a = b; O) 3a = 2c Sea a = 1. Entonces b = 1 y c = 3/2 Multiplicando todos los coeficientes por 2:

2 KClO3 2 KCl + 3 O2

b) b) a HCl + b Al c AlCl3 + d H2

H) a = 2d; Cl) a = 3c; Al) b = c Sea c = 1. Entonces b = 1, a = 3 y d = 3/2 Multiplicando todos los coeficientes por 2:

6 HCl + 2 Al 2 AlCl3 + 3 H2

14 Ejercicio: Ajusta las siguiente ecuación químicas por el método algebraico:

a HNO3 + b Cu c Cu(NO3)2 + d NO + e H2O

H) a = 2e; N) a = 2c + d; O) 3a = 6c +d + e; Cu) b = c Sea c = 1. Entonces b = 1 y el sistema queda:

a = 2e; a = 2 + d; 3a = 6 + d + e; Sustituyendo a: 2e = 2 + d; 6e = 6 + d + e Sistema de dos ecuaciones con dos incógnitas que resolviendo queda: e = 4/3;

d= 2/3 con lo que a = 8/3 Multiplicando todos los coeficientes por 3:

8 HNO3 + 3 Cu 3 Cu(NO3)2 + 2 NO + 4 H2O

Comprobamos el nº de átomos de cada tipo antes y después de la reacción: 8 átomos de H (4 ·2), 8 de N (2·3 +2), 24 de O (8·3= 3·2·3 +2 +4) y 3 de Cu

15 Tipos de reacciones químicas

SíntesisSíntesis: A + B CDescomposiciónDescomposición

–Simple: A B + C–Mediante reactivo:AB + C AC + BC

SustituciónSustitución (desplazamiento):AB + C AC + B

Doble sustituciónDoble sustitución (doble desplazamiento):AB + CD AC + BD

2 H2 + O2 2 H2O

CaCO3 CaO + CO2

2 ZnS + 3 O2 2 ZnO + 2 SO2

PbO + C CO + Pb

HCl + NaOH NaCl + H2O

16 Estequiometría de una reacción química. Es la proporción en moles en la que se

combinan los distintos reactivos y en la que se forman los distintos productos de la reacción.

Una vez determinado el número de moles de reactivos y productos (ajuste de la reacción) se puede hacer el cálculo en masa (gramos) o en volumen (litros) en el caso de gases o disoluciones.

17 Tipos de cálculos estequiométricos. Con moles. Con masas. Con volúmenes (gases)

– En condiciones normales.– En condiciones no normales.

Con reactivo limitante. Con reactivos en disolución (volúmenes).

18 Ejemplo: En la

reacción ajustada anteriormente:6 HBr +2 Fe 2 FeBr3 + 3H2 ¿qué cantidad de HBr reaccionará con 10 g de Fe y qué cantidades de FeBr3 e H2 se formarán?

6 HBr + 2 Fe — 2 FeBr3 + 3H2

6 moles 2 moles 2 moles 3 moles

485,4 g 111,6 g 591,0 g 6 g———— = ———— = ———— = ——— x 10 g y z

Resolviendo las proporciones tendremos:

43,5 g 10 g 52,9 g 0,54 g

19 Ejercicio:Se tratan 40 g de oxido de aluminio, con suficiente disolución de ácido sulfúrico en agua para que reaccione todo el óxido de aluminio y se forme sulfato de aluminio y agua. Calcula los moles del ácido que se necesitan y la masa de sulfato que se forma. Datos (u): Mat(Al) = 27, Mat(S) = 32, Mat(O) = 16, Mat(H) = 1

M (Al2O3) = 2 · 27 u + 3 · 16 u = 102 u M [ Al2(SO4)3 ]= 2 · 27 u + 3 · (32 u + 4 · 16 u) = 342 u

Primero, ajustamos la reacción: Al2 O3 + 3 H2SO4 ———— Al2(SO4)3 + 3 H2 O

1mol 3moles 1mol 3moles Se transforman los moles en “g” o “l” (o se dejan en “mol”) para que quede en las

mismas unidades que aparece en los datos e incógnitas del problema:

20 Ejercicio:Se tratan 40 g de oxido de aluminio con suficiente disolución de ácido sulfúrico en agua para que reaccione todo el óxido de aluminio y se forme sulfato de aluminio Al2(SO4)3 y agua. Calcula los moles del ácido que se necesitan y la masa de sulfato que se forma. Datos (u): Mat(Al) = 27, Mat(S) = 32, Mat(O) = 16, Mat(H) = 1

Al2 O3 + 3 H2SO4 ———— Al2(SO4)3 + 3 H2 O

102 g 3 moles 342 g

40 g n (mol) m (g) 102 g 3 moles 40 g · 3 mol

—— = ——— n (mol) = ————— = 1,18 mol H1,18 mol H22SOSO4440 g n (mol) 102 g

102 g 342 g 40 g· 342 g —— = ——— m (g) =————— = 134,12 g Al134,12 g Al22(SO(SO44))3340 g m (g) 102 g

21 Ejemplo: Calcula el

volumen de dióxido de carbono que se desprenderá al quemar 1 kg de butano (C4H10) a) en condiciones normales b) a 5 atm y 50ºC. La reacción de combustión del butano es: C4H10 + 13/2 O2 4 CO2 + 5 H2O a)a)

1 mol 4 moles 58 g 4 mol · 22,4 l/mol 1000 g x

x = 1544,8 litros1544,8 litros

22 Ejercicio: Calcula el volumen de CO2 que se desprenderá al quemar 1 kg de butano (C4H10) a) en condiciones normales b) a 5 atm y 50ºC.C4H10 + 13/2 O2 4 CO2 + 5 H2O

b)b) Cuando las condiciones no son las normales es mejor hacer el cálculo en moles y después utilizar la fórmula de los gases:

58 g ————— 4 moles 1000 g ————— y y = 69 moles

n · R · T 69 mol · 0,082 atm · L · 323 K V = ———— = ————————————— = p mol · K 5 atm

= 365,5 litros365,5 litros

23 Ejercicio: El oxígeno es un gas que se obtiene por descomposición térmica del clorato de potasio en cloruro de potasio y oxígeno ¿Qué volumen de oxígeno medido a 19ºC y 746 mm Hg se obtendrá a partir de 7,82 g de clorato de potasio.

Ecuación ajustada: 2 KClO3 2 KCl + 3 O2

2 mol 3 mol 2 mol·122,6 g/mol = 245,2 g —— 3 mol

7,82 g —— n(O2) Resolviendo se obtiene que n (O2) = 0,0957 moles

n · R · T 0,0957 moles · 0,082 atm · L · 292 K V= ———— = ——————————————— = p mol · K (746 / 760) atm

= 2,33 litros2,33 litros

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Reacciones con reactivo limitante

Hay veces que nos dan más de una cantidad de reactivos y/o productos.

En estos casos, uno de los reactivos quedará en excesoexceso y no reaccionará todo él.

El otro reactivo se consume totalmente y se denomina reactivo limitantereactivo limitante, ya que por mucho que haya del otro no va a reaccionar más.

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2 Na + 2 H2O 2 NaOH + H2

46 g — 36 g ——— 80 g

10 g — m(H2O) — m(NaOH) m(H2O) = 7,8 g

lo que significa que el sodio es el reactivo limitanteel sodio es el reactivo limitante y que el agua está en exceso(no reaccionan 9 g – 7,8 g = 1,2 g)

m (NaOH) = 80 g · 10 g / 46 g = 17,4 g17,4 g

Ejemplo: Hacemos reaccionar 10 g de sodio metálico con 9 g de agua. Determina cuál de ellos actúa como reactivo limitante y qué masa de hidróxido de sodio se formará? En la reacción se desprende también hidrógeno

26 Ejercicio: Hacemos reaccionar 25 g de nitrato de plata con cierta cantidad de cloruro de sodio y obtenemos 14 g de precipitado de cloruro de plata. Averigua la masa de nitrato de plata que no ha reaccionado.

AgNO3 + NaCl AgCl + NaNO3

169,8 g ————— 143,3 g

m ————— 14 g

De donde se deduce que:

m (AgNO3) que reacciona = 16,6 g

m (AgNO3) sin reaccionar = 25 g – 16,6 g = 8,4 g8,4 g

27 Ejemplo: Añadimos 150 ml de disolución 2 M de hidróxido de sodio a otra disolución de sulfato de magnesio. Averigua la masa de hidróxido de magnesio que se formará si el sulfato de magnesio está en exceso.

2 NaOH + MgSO4 Mg(OH)2 + Na2SO4

2 mol —————— 58,3 g

0,15 L · 2 mol/L ————— m

De donde se deduce que:

m (Mg(OH)2) = 0,3 mol · 58,3 g / 2 mol = 8,7 g8,7 g

28 El rendimiento en las reacciones químicas. En casi todas las reacciones químicas suele obtenerse

menor cantidad de producto dela esperada a partir de los cálculos estequiométricos.

Esto se debe a:– Perdida de material al manipularlo.

– Condiciones inadecuadas de la reacción.

– Reacciones paralelas que formas otros productos.

Se llama rendimiento a: mproducto (obtenida)

Rendimiento = ———————— · 100 mproducto (teórica)

29 Ejemplo: A 10 ml de disolución de cloruro de sodio 1 M añadimos nitrato de plata en cantidad suficiente para que precipite todo el cloruro de plata. Determina la masa de este producto que obtendremos si el rendimiento de la reacción es del 85 %.

n(NaCl) = V · Molaridad = 0,01 L · 1 mol/L NaCl + AgNO3 AgCl + NaNO3

1 mol 143,4 g 0,01 mol m (AgCl) De donde m(AgCl) = 1,43 g 1,434 g · 85

mAgCl (obtenida) = ————— = 1,22 g1,22 g 100

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Riqueza La mayor parte de las sustancias no suelen

encontrarse en estado puro. Se llama riqueza al % de sustancia pura que tiene la

muestra. m (sustancia pura)

riqueza = ———————— · 100 m (muestra)

Ejemplo:Ejemplo: Si decimos que tenemos 200 g de NaOH al 96 %, en realidad sólo tenemos

96200 g · ——— = 192 g de NaOH puro 100

31 Ejemplo: Tratamos una muestra de cinc con ácido clorhídrico del 70 % de riqueza. Si se precisan 150 g de ácido para que reaccione todo el cinc, calcula el volumen de hidrógeno desprendido en C.N.

150 g · 70m (HCl) = ———— = 105 g

100

Zn + 2 HCl ZnCl2 + H2 73 g 22,4 L 105 g V(H2) De donde V = 105 g · 22,4 L / 73 g = 32,2 litros32,2 litros

32 Un gasóleo de calefacción contiene un 0,11 % en peso de azufre. a)a) Calcule los litros de dióxido de azufre (medidos a 20ºC y 1 atm) que se producirán al quemar totalmente 100 kg de gasóleo.b)b) Comente los efectos de las emisiones de dióxido de azufre sobre las personas y el medio ambiente.DATOS: Masas atómicas: S=32; O=16a)a) 100 kg · 0,11

m (S) = —————— = 0,11 kg = 110 g100

S + O2 SO2

32 g 1 mol ——— = ——— n(SO2) = 3,4 moles 110 g n(SO2)

n · R · T 3,4 mol · 0’082 atm · L · 293 K V= ———– = ————————————— = 82,6 L82,6 L p mol · K 1 atm

Cuestión de Selectividad (Marzo 98)

Cuestión de Selectividad (Marzo 98)

33 Energía de las reacciones químicas. En todas las reacciones químicas se produce

un intercambio energético con el medio (normalmente en forma de calor) debido a que la energía almacenada en los enlaces de los reactivos es distinta a la almacenada en los enlaces de los productos de la reacción.

EREACCIÓN = EPRODUCTOS – EREACTIVOS

34 Energía de las reacciones químicas (continuación). Si en la reacción se desprende calor ésta se

denomina “exotérmica” y si se consume calor se denomina “endotérmica”.

Si EREACCIÓN > 0, EPRODUCTOS > EREACTIVOS

por tanto, se absorbe calor endotérmica Si EREACCIÓN < 0, EPRODUCTOS < EREACTIVOS

por tanto, se desprende calor exotérmica

35 Ejemplos de reacciones termoquímicas

Reacción endotérmica:2 HgO (s) +181,6 kJ 2 Hg (l) + O2 (g)

Se puede escribir:2 HgO (s) 2 Hg (l) + O2(g); ER = 181,6 kJ

Reacción exotérmica:C (s) + O2 (g) CO2 (g) +393,5 kJ

Se puede escribir:C (s) + O2 (g) CO2 (g); ER = –393,5 kJ

36 Ejercicio: La descomposición de 2 moles de óxido de mercurio (II) en mercurio y oxígeno precisa 181,6kJ a 25ºC y 1 atm de presión: a) calcula la energía necesaria para descomponer 649,8g de HgO; b) el volumen de O2 que se obtiene en esas condiciones cuando se descompone la cantidad suficiente de HgO mediante 500 kJ.

2 HgO 2 Hg + O2 ; E = 181,6 kJ

433,18 g 1 mol 181,6 kJ a)a) 649,8 g E De donde E = 272,41 kJ272,41 kJ b)b) n(O2) 500 kJ

n(O2) = 500 kJ · 1 mol/ 181,6 kJ = 2,75 mol

V(O2) = n(O2) ·R·T / p = 67,2 litros67,2 litros

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Teoría de las colisiones

Para que se produzca una reacción química es necesario:

1º) que los átomos o moléculas posean la energía cinética suficiente para que al chocar puedan romperse los enlaces de los reactivos (energía de activación).

2º) que el choque posea la orientación adecuada para que puedan formarse los enlaces nuevos.

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Perfil de una reacción

reactivos

reactivos

productos

productos

Energía de activación

Energía de reacción

Energía

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Catalizadores

Son sustancias que, incluso en cantidades muy pequeñas influyen la velocidad de una reacción, pues aunque no intervengan en la reacción global, si intervienen en su mecanismo con lo que consiguen variar la energía de activación (normalmente disminuirla para que la reacción se acelere).

40 Perfil de una reacción (sin y con catalizador)

reactivos

EnergíaEnergías de activación

con catalizador

sin catalizador

productos

Q

41 Procesos reversibles e irreversibles Un proceso irreversibleproceso irreversible es el que tiene lugar en

un sólo sentido. Por ejemplo, una combustión; la energía desprendida se utiliza en calentar el ambiente y se hace inaprovechable para regenerar los reactivos.

Un proceso es reversibleproceso es reversible cuando tiene lugar en ambos sentidos, es decir, los productos una vez formados reaccionan entre sí y vuelven a generar los reactivos.

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Ejemplo de proceso reversible

La reacción de formación del ioduro de hidrógeno es reversible:

H2 (g) + I2 (g) 2 HI (g)

El símbolo se utiliza en las reacciones reversibles para indicar que la reacción se produce en ambos sentidos.