Reacciones químicas

REACCIONES QUÍMICAS

Cambios materiales. Estequiometría.

Índice

El tema de reacciones químicas está desarrollado en 9 apartados. Sigue los botones interactivos y muévete por todo el tema.

2.- Ecuaciones

Pág. 9

1.- Reacciones

Pág. 5

Objetivos

Pág. 4

5.- Energía

Pág. 30

4.- Clasificación

Pág. 23

3.- Cálculos

Pág. 12

Índice

El tema de reacciones químicas está desarrollado en 9 apartados. Sigue los botones interactivos y muévete por todo el tema.

8.- Actividades finales

Pág. XX

7.- Resumen

Pág. XX

6.- Industria

Pág. XX

Biografía

Pág. XX

9.- Autoevaluación

Pág. XX

Objetivos

Las reacciones químicas son la esencia de la química.

En este tema verás....

• Concepto de reacción
• Cómo se expresan las reacciones químicas
• Estequiometría de las reacciones
• Cálculos de cantidades de materia en sistemas fisicoquímicos concretos
• Reactivo limitante, rendimiento, pureza
• Energía implicada en el proceso
• Clasificación de las reacciones
• Importacia de las reacciones químicas en la industria, motor de las ciudades.

1.- REACCIONES QUÍMICAS

1.- Reacciones químicas

1.- REACCIONES QUÍMICAS

Las reacciones químicas son las transformaciones que sufren las sustancias mediante una readaptación de sus enlaces, de reactivos a productos. Se representan a través de ecuaciones químicas, al igual que los compuestos se representan con fórmulas químicas.

Debido a la rotura y formación de enlaces, se producen siempre intercambios energéticos que puedes constituir la parte más importante de las reacciones. Algunas reacciones son inmediatas, otras, por lo contrario, se producen muy lentamente.

1.- Reacciones químicas

Existen dos teorías que explicas el proceso de las reacciones químicas: la teoría de las colisiones, desde un punto de vista cinético, y la teoría del estado de transición, desde el punto de vista energético.

A.- TEORÍA DE LAS COLISIONES

Uno de los modelos que explican cómo tiene lugar una reacción química es la teoría de las colisiones, desarrollada por Lewis y otros químicos en la década de 1920. Según esta teoría, para que ocurra una reacción química, es preciso que los átomos, las moléculas o los iones de los reactivos entren en contacto entre sí, es decir, que choquen. Para que el choque sea eficaz, deben cumplirse dos condiciones • Las moléculas reaccionantes deben tener la energía suficiente (normalmente cinética) • Las moléculas que colisionan lo hagan con la orientación adecuada.

1.- Reacciones químicas

B.- TEORÍA DEL COMPLEJO ACTIVADO

Esta teoría admite que las reacciones transcurren mediante una etapa Intermedia en la que se empiezan a romper los enlaces de los reactivos y se inicia la formación de los enlaces de los productos. A este estado se le conoce como estado de transición y al agregado molecular, complejo molecular.La diferencia de energía que hay entre el complejo activado y las moléculas reaccionantes se denomina energía de activación (Ea), que es la energía necesaria para que se forme el complejo activado a partir de los reactivos.

2.- ECUACIONES QUÍMICAS

2.- Ecuaciones químicas

La representación de reactivos y productos con sus respetivos coeficientes estequiométricos es lo que se denomina ecuación química.Para escribir correctamente la ecuación química de una reacción química debemos tener en cuenta los siguientes aspectos: • Conocer los reactivos y los productos • Saber las fórmulas de reactivos y productos • Poner el mismo número de átomos de cada especie química presente en los dos lados de la ecuación química. A este proceso se le conoce como ajuste de la reacción.

2.- Ecuaciones químicas

Recordamos cómo se realiza un ajuste de ecuaciones. La reacción será la que tiene lugar entre el ácido clorhídrico y el dióxido de manganeso para dar agua, cloruro de manganeso y cloro. Pinchando en la imagen obtendrás la imagen en grande.

TAREA OPCIONAL 1.- AJUSTE DE REACCIONES Para acceder a la tarea solo tienes que descargarte el archivo del clip. Cuando la tengas súbela a la asignación de Teams con el mismo nombre.

3.- CÁLCULOS

3.- Cálculos

Una reacción química ajustada nos indica la proporción de moléculas reaccionan de cada reactivo y la proporción de moléculas se forman de cada producto. Hasta ahora hemos considerado el coeficiente estequiométrico como número de moléculas que reaccionan o se forman pero también podríamos considerarlo como número de moles que reaccionan o se forman. Los cálculos estequiométricos están basados en las leyes ponderales y volumétricas. En muchas ocasiones tendrás que tener en cuenta los conceptos de gases y disoluciones que hemos ido aprendiendo a lo largo del curso.

3.- Cálculos estequiométricos

Para resolver estos ejercicios basta con seguir los siguientes pasos:

1. Escribir la reacción química.
2. Ajustar la reacción.
3. Escribir debajo de cada sustancia los datos que nos dan y lo que nos piden (paso no obligatorio, pero si muy recomendable)
4. Pasar los datos de los reactivos a moles y establecer relaciones numéricas con los productos (aplicando los coeficientes estequiométricos)

Todos los cálculos deben hacerse mediante factores de conversión. Veamos un ejemplo:

3.- Cálculos estequiométricos

Ahora te toca a ti. ¿Estás listo? Tendrás los enunciados de los ejercicios y las soluciones. Se trata de que hagas el ejercicio y luego compruebes el resultado. Se descomponen 30 Kg de mármol (carbonato de calcio) en óxido de calcio y dióxido de carbono. ¿Qué volumen ocupará el dióxido de carbono obtenido medido a 200ºC y 1,00 atm de presión? En la reacción de combustión del metano se obtiene dióxido de carbono y agua. a) ¿Qué volumen de oxígeno necestitamos para quemar completamente 150 litos de metano medidos en c.n? b) ¿Cuántos litros de dióxido de carbono se obtienen? c) ¿Cuántos litros de aire (21% oxígeno) nos harían falta? Ten en cuenta que una reacción de combustión siempre se realiza entre un hidorcarburo y el oxígeno.

3.- Cálculos estequiométricos

B.- Reactivo limitante

Es habitual que cuando realizamos una reacción química no añadamos todos los reactivos en cantidades estequiométricas exactas. Por esto, puede ocurrir que uno de los reactivos se consuma totalmente y que queden cantidades apreciables de algún que otro reactivo o reactivos sin reaccionar. A pesar de que queden reactivos, la reacción no se seguirá produciendo. Al reactivo que se consume primero se le conoce como reactivo limitante y al otro/os, reactivos excedentes. Veamos un ejemplo.

3.- Cálculos estequiométricos

3.- Cálculos estequiométricos

3.- Cálculos estequiométricos

C.- Rendimiento

Un proceso químico estequiométricamente describe de forma teórica lo que ocurre en una reacción. En la práctica, las cantidades de productos obtenidas son menores que las previstas teóricamente. Por eso, es imprescindible utilizar el concepto de rendimiento. El rendimiento es la relación entre la cantidad que se obtiene y la que teóricamente debería haberse obtenido. Se suele expresar en forma de porcentaje:

3.- Cálculos estequiométricos

D.- Riqueza/pureza

En los procesos químicos es usual emplear reactivos impuros. Se expresa el concepto de riqueza para expresar la cantidad de sustancia pura presente en una muestra. Igual que el rendimiento, la riqueza suele expresarse en tanto por ciento. La riqueza (o pureza) es la cantidad de una sustancia pura que hay en una muestra. Se expresa como:

3.- Cálculos estequiométricos

EJEMPLO RENDIMIENTO Y RIQUEZA

El sulfato de bario se obtiene tratando sulfuro de bario con sulfato de sodio. a. Escribe la reacción ajustada b. Calcula la masa de sulfato de bario y de sulfuro de sodio que se obtienen con 50g de sulfato de sodio si el rendimiento es del 75% c. Determina la masa de sulfato de bario obtenida si los 50 g de sulfato de sodio tienen una riqueza del 80 %.

3.- Cálculos estequiométricos

TAREA OPCIONAL 2.- PROBLEMAS HOJA 1 Para acceder a la tarea solo tienes que descargarte el archivo del clip. Cuando la tengas súbela a la asignación de Teams con el mismo nombre.

4.- CLASIFICACIÓN DE LAS REACCIONES

4.- Clasificación de las reacciones

Existen una gran cantidad de posibles maneras de que se produzca la interacción entre compuestos, presentando diferentes características y peculiaridades. Algunas de los principales tipos de reacciones químicas entre compuestos son las siguientes:

Reacciones de síntesis o adición En este tipo de reacciones químicas se combinan dos o más sustancias para formar un único compuesto.

4.- Clasificación de las reacciones

Reacciones de descomposición Las reacciones de descomposición son aquellas en las que un compuesto concreto se descompone y divide en dos o más sustancias. La mayoría de las reacciones requieren de energía en forma de calor. Es lo que ocurre por ejemplo cuando se produce la electrólisis del agua, separándose el agua en hidrógeno y oxígeno. Otro ejemplo:

4.- Clasificación de las reacciones

Reacción de sustitución También conocida como desplazamiento. Es la reacción que se lleva a cabo cuando un elemento de un compuesto es desplazado por otro elemento.

Reacción de doble sustitución También conocida como de doble descomposición o metátesis. Este tipo de reacción se lleva a cabo entre dos compuestos en donde se presenta un intercambio de iones entre ambas sustancias.

4.- Clasificación de las reacciones

Reacción de oxidorreducción o redox Tipo de reacción química en la que existe intercambio de electrones. En estas reacciones uno de los compuestos pierde electrones a favor del otro, oxidándose. El otro compuesto se reducirá al aumentar su número de electrones.

Reacción de combustión Reacción extremadamente rápida y energética, en el que una sustancia orgánica reacciona con oxígeno.

4.- Clasificación de las reacciones

Reacción de neutralización Este tipo de reacción química se produce cuando una sustancia básica y otra ácida interaccionan de tal marera que se neutraliza formando un compuesto neutro y agua.

Reacciones nucleares Aquella reacción química en la que se provoca una modificación no de los electrones de los átomos, sino de su núcleo. Esta combinación o fragmentación va a provocar un elevado nivel de energía. Se denomina fusión a la combinación de átomos, mientras que su fragmentación recibe el nombre de fisión.

4.- Clasificación de las reacciones

La siguiente imagen muestra otra manera de clasificar las reacciones. En concreto, en función de los principales parámetros.

5.- ENERGÍA DE UN PROCESO QUÍMICO

5.- Energía de un proceso químico

Toda reacción química lleva asociada una variación observable de energía que puede manifestarse en forma luminosa, eléctrica, mecánica o calorífica, siendo esta última, con mucho, la más frecuente. Para estudiar un proceso químico desde un punto de vista energético, se suele considerar separadamente el conjunto de sustancias en transformación, denominado genéricamente sistema, del resto, que recibe el nombre de medio o entorno. De acuerdo con lo anterior, las reacciones químicas implican una transferencia de energía que en unas ocasiones se lleva a cabo del sistema al medio y en otras en sentido inverso.

5.- Energía de un proceso químico

La ruptura y formación de enlaces nuevos llevan asociada una determinada variación de la cantidad de energía almacenada en ellos, por lo que se puede llegar a un estado de menor energía si los productos son más estables que los reactivos, o bien al contrario, se puede llegar a un estado de mayor energía si los compuestos formados son más inestables que los iniciales.

6.- QUÍMICA E INDUSTRIA

6.- Química e industria

A finales del siglo XVIII, el impulso modernizador que supone la Revolución industrial alcanza a la industria química. La fabricación de textiles comienza a requerir grandes cantidades de algunos productos químicos para teñir y blanquear tejidos. Las primeras industrias químicas se dedican a la producción de ácidos y de álcalis, y en concreto en 1764 ya que se produce a gran escala el ácido sulfúrico y en 1806 se pone en marcha en Francia plantas comerciales de sosa.

6.- Química e industria

La evolución de la industria química ha ido ligada a la evolución de la sociedad y en la actualidad su importancia es enorme. La finalidad de la industria química es la obtención de aquellos productos que la sociedad le demanada y que sirven para la satisfacción de las crecientes necesidades humanas.

6.- Química e industria

Ácido clorhídrico (HCl)

Ácido sulfúrico (H2SO4)

Amoniaco (NH3)

Recibe este nombre cuando se encuentra disuelto en agua, siendo también conocido como salfumán.

Es un gas incoloro de olor muy desagradable y penetrante; fácilmente soluble en agua pero muy volátil, en usos no industriales suele venderse disuelto en agua.

Es un ácido líquido, muy corrosivo, que reacciona violentamente con agua y con los compuestos del carbono desprendiendo mucho calor en el proceso.

6.- Química e industria

Ácido sulfúrico (H2SO4) Es un ácido líquido, muy corrosivo, que reacciona violentamente con agua y con los compuestos del carbono desprendiendo mucho calor en el proceso. Se trata del compuesto químico más producido en el mundo, por lo que su consumo suele utilizarse como medidor de la capacidad industrial de un país. Gran parte de su producción se emplea en la obtención de fertilizantes, aunque también es fundamental en la síntesis de otros ácidos y en la industria petroquímica. Existen distintos procesos de producción del ácido sulfúrico, siendo el más común el de contacto, en el cual se emplea un catalizador para convertir el SO2 en SO3, del que se obtiene ácido sulfúrico por hidratación.

6.- Química e industria

Amoniaco (NH3) Es un gas incoloro de olor muy desagradable y penetrante; fácilmente soluble en agua pero muy volátil, en usos no industriales suele venderse disuelto en agua. Se produce a partir de la descomposición de la materia orgánica, pero también industrialmente. Más del 75% del amoníaco producido en las plantas químicas se usa para fabricar abonos o para su aplicación directa como abono. El resto se utiliza en textiles, plásticos, explosivos, en la industria papelera y en productos de limpieza domésticos. El amoniaco se obtiene mediante el proceso Haber-Bosch, consistente en la reacción directa entre el nitrógeno y el hidrógeno gaseosos. Esta es una reacción muy lenta (al tener una elevada energía de activación) por lo que se utiliza un catalizador (óxido de hierro). Aunque termodinámicamente la reacción se ve favorecida a bajas temperaturas, esta síntesis se realiza a altas temperaturas para favorecer la energía cinética de las moléculas y aumentar así la velocidad de reacción.

6.- Química e industria

Ácido Clorhídrico (HCl) Recibe este nombre cuando se encuentra disuelto en agua, siendo también conocido como salfumán. Puro se conoce como cloruro de hidrógeno, y a temperatura ambiente es un gas con una leve tonalidad amarillenta, más denso que el aire, corrosivo, no inflamable y de olor irritante. Al exponerse a la atmósfera forma un denso vapor blanco, también corrosivo. Aparece de forma natural entre los gases emitidos por volcanes. Entre sus aplicaciones, hay que destacar su uso industrial para limpiar, tratar y galvanizar metales, curtir cueros, y en la refinación y manufactura de una amplia variedad de productos. Puede obtenerse por adición de ácido sulfúrico a la sal común (NaCl), pero industrialmente se produce a partir de reacciones orgánicas de cloración de compuestos del carbono con cloro elemental. Otro método de producción a gran escala es por electrólisis de disoluciones de sal común, produciendo cloro, hidróxido de sodio e hidrógeno. El gas cloro así obtenido puede ser combinado con el gas hidrógeno, formando gas HCl químicamente puro.

7.- RESUMEN

7.- Resumen

• Los procesos que ocurren durante un cambio químico se pueden representar usando una ecuación química. En una ecuación química, se muestran las fórmulas químicas para la sustancia o sustancias que sufren la reacción química (los reactivos) y las fórmulas para la nueva sustancia o sustancias que se forman (los productos), y están unidas por una flecha. La flecha en una ecuación química tiene las propiedades de un “signo igual” en matemáticas, y debido a esto, en una ecuación química, debe haber el mismo número y tipos de átomos a cada lado de la flecha.

• Una ecuación química en la que aparecen el mismo número y tipos de átomos a cada lado de la flecha se denomina equilibrada. Para equilibrar una ecuación, inserte coeficientes frente a los reactivos o productos apropiados hasta que haya el mismo número y tipos de átomos en ambos lados de la flecha.

7.- Resumen

• Las reacciones químicas pueden clasificarse de diferentes maneras, pero en todas ellas lleva consigo una reorganización de los átomos buscando siempre la menos energía.

• La energía requerida para iniciar una reacción química se llama energía de activación. Cuanto mayor sea la energía de activación, más lenta, o menos favorable será una reacción. La magnitud de la energía de activación está directamente ligada a la velocidad de una reacción química.

8.- ACTIVIDADES FINALES

8.- Actividades finales

Ya casi hemos llegado al final, te queda una última tarea y la autoevaluación.La actividad final consiste en una hoja de problemas en las que practicarás todos los cálculos y conceptos del tema.

TAREA OPCIONAL 3.- PROBLEMAS HOJA 2 Para acceder a la tarea solo tienes que descargarte el archivo del clip. Cuando la tengas súbela a la asignación de Teams con el mismo nombre.

¡Lección aprendida!