La reacción química - Física y Química en Flash

Física y Química 4º ESO
La reacción química. Cálculos estequiométricos
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La reacción química
1.
Concepto de reacción química
Ya se ha dicho que es un proceso por el que unas sustancias (reactivos) se transforman en otras
(productos) sufriendo cambios en su estructura molecular o lo que es lo mismo reordenando la
disposición de sus átomos en moléculas distintas.
Se puede suponer una teoría que explique el proceso. Vamos a considerar que esta reordenación se
produce a partir de choques entre las moléculas de los reactivos. De estos choques no todos serán
eficaces, es decir, no todos producirán la ruptura de la molécula del reactivo y la formación de una o
varias moléculas de productos. Para que este proceso tenga lugar es necesario que las moléculas de los
reactivos interaccionen chocando entre si con la energía y la dirección adecuadas. Entonces se dice que
el choque es eficaz.
Antes de la reacción los reactivos y los
productos tienen una determinada energía.
La reacción se da por choques entre las
moléculas de los reactivos
Los productos también tienen una
energía determinada.
Recordemos que los compuestos que reaccionan se llaman reactivos, a lo largo del proceso van
desapareciendo. Las sustancias que se forman se llaman productos de la reacción que se crean a lo largo
del proceso.
Una reacción química se representa mediante una ecuación química en la que se indican a la izquierda
los símbolos y/o fórmulas de los reactivos separados por un signo de suma y a la derecha los símbolos
y/o fórmulas de los productos de la reacción también separados por el signo de la suma. De los reactivos
a productos se pone una flecha (sustituye al igual en una ecuación matemática). También debemos
recordar que para completar la ecuación se debe ajustar (para que el número de átomos de cada
especie sea igual a ambos lados de la flecha) y también indicar el estado en que se encuentran los
compuestos que intervienen en la misma: (g) - gas, (l) - líquido, (s) - sólido, (aq) - disolución acuosa. En
algunas ocasiones se indica el calor cedido (signo negativo) o ganado en el proceso (signo positivo) y
estamos de esta manera ante una ecuación termoquímica.
Reactivos → Productos
2 C4H10 (g) + 13 O2 (g) → 8 CO2 (g) + 10 H2O (l) - 2875.8 kJ/mol
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2.
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Velocidad de la reacción química
La velocidad de la reacción química es la rapidez
con que desaparecen los reactivos o la rapidez con
que se forman los productos. Toda circunstancia
que favorezca el incremento de choques eficaces
hará que la velocidad de la reacción también se
incremente. Lógicamente, si una reacción
transcurre a través de varios pasos, será el más
lento el que marque la velocidad global del
proceso.
Teniendo en cuenta los razonamientos anteriores y
que para que el choque sea eficaz debe tener la energía adecuada deducimos que la velocidad de la
reacción depende de:
La temperatura. Hemos de considerar que la temperatura de un sistema está relacionada con el nivel de
agitación térmica de las moléculas que lo forman. Cuanto mas alta sea la temperatura, mayor será este
nivel de agitación térmica. Esto implica una mayor energía cinética de las moléculas y una mayor
probabilidad de que los choques que tengan lugar lo sean con la energía adecuada para ser eficaces.
La superficie de contacto entre los reactivos: cuanto mayor sea más choques se producirán y más
probabilidad de que éstos sean eficaces.
Esta superficie puede aumentarse dividiendo los reactivos en trozos pequeños si son sólidos, por esa
razón el serrín arde con mayor rapidez que un trozo de madera. También sabemos que una forma de
evitar la corrosión es cubrir el metal con alguna pintura plástica, en este caso la superficie de contacto
es menor.
Si la reacción transcurre en fase líquida (disoluciones) la concentración será un factor determinante de
la velocidad de la reacción y si es en fase gaseosa será la presión parcial de cada uno de los reactivos la
que influya en la velocidad de la reacción.
3.
La energía en las reacciones químicas
Como hemos visto una reacción química transcurre con la ruptura de unos enlaces y la formación de
otros nuevos. Las reacciones químicas por tanto irán acompañadas de un intercambio de energía con el
exterior. Este intercambio de energía puede suponer una absorción de energía en forma de calor
(reacciones endotérmicas) o una cesión de energía también en forma de calor (reacciones exotérmicas).
Como se puede observar la reacción necesita, para
producirse, del aporte de una energía de activación, será la
energía que permite a los reactivos llegar hasta la
formación del complejo activado. El paso de la forma
complejo activado a productos implica una cesión de
energía.
Se llama entalpía de reacción (ΔH) a la energía absorbida o
desprendida en un proceso química a presión constante. Las reacciones que tienen lugar en un
recipiente abierto, en el laboratorio, son a presión constante.
En la ecuación química se indica en ocasiones la energía absorbida (+) o desprendida (-) en el proceso,
generalmente se refiere a la cantidad de energía por mol, en otras ocasiones por kg. Esta energía se
pone a la derecha en la ecuación química y tanto los reactivos como los productos deben ir
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acompañados del símbolo que corresponda a su estado físico. Este tipo de ecuaciones se conocen como
ecuaciones termoquímicas.
4.
Reacciones de combustión
Se trata de una reacción con oxígeno, es decir, una reacción de oxidación.
Esta reacción transcurre de forma violenta con liberación de gran cantidad de energía en
forma de calor y de luz (llama). La reacción de combustión debe iniciarse haciendo saltar
una chispa o acercando una llama o un cuerpo incandescente.
Son importantes las reacciones de combustión de los hidrocarburos dada la utilidad que se les ha
encontrado como fuente controlada de energía.
Los hidrocarburos son compuestos orgánicos constituidos por carbono e hidrógeno. Su fórmula general
es CnH2n+2, CnH2n, CnH2n-2… y al reaccionar con oxígeno producen CO2, H2O y energía.
Experimento casero en el que se produce una combustión:
•
•
•
•
•
Coloca una vela sobre un recipiente como se indica en la figura.
A continuación pon agua en el recipiente.
Enciende la vela.
Tapa el conjunto con un vaso invertido.
Observa, anota e intenta explicar lo que sucede.
5.
Cálculos estequiométricos
Los cálculos estequiométricos nos permiten saber qué cantidad o cantidades de reactivo/s, producto/s…
se pueden obtener o reaccionan partiendo de una cantidad de reactivo o producto que puede venir
expresada en masa, volumen de disolución (conocida la concentración), volumen de gas… expresando el
resultado en cualquiera de estas formas.
•
Para realizar los cálculos debemos poner mucha atención en la lectura de los datos que se dan
en el enunciado del problema.
Ejemplo: Calcula la masa de agua que se obtiene al reaccionar 2.24 L de oxígeno, medidos a 273K y 1
atm, con suficiente hidrógeno.
En este caso el dato es el volumen de oxígeno 2.24 L medidos en condiciones normales
•
A continuación se debe escribir la ecuación química que representa a la reacción referida.
H2 + O2 → H2O
•
El paso siguiente es realizar el ajuste de la ecuación (Recuérdese que el ajuste busca lograr que
el número de átomos de cada especie sea el mismo en el lado de reactivos y en el de productos
de la reacción.
2H2 + O2 → 2H2O
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H2 + ½ O2 → H2O
•
El dato de partida debe transformarse si es posible en moles para, utilizando la estequiometría
de la ecuación, pasar de unos moles a otros.
o Si es una masa recuerda que 1 mol = masa molecular/atómica en gramos
o Si se trata de un gas en condiciones normales (1 atm y 0ºC) recuerda (1 mol = 22.4 L)
2.24 1
22.4 Si es un determinado volumen de una disolución conocida su concentración molar
(mol/L) es fácil pasar a moles de reactivo…
A continuación se pasa a moles del compuesto que nos piden
o
•
2.24 •
1
22.4 1
1
Por último estos moles se pasan a la magnitud que nos pidan que puede ser masa, volumen…
o Aquí lo haremos calculando primero la masa molecular del agua (18 g/mol)
2.24 1
22.4 1
1
18 1
1.8 Para ver las animaciones y descargar apuntes en pdf visita http://fisicayquimicaenflash.es