REACCIONES QUIMICAS Una reacción química es el proceso en el cual una sustancia (o sustancias) cambia para formar una o más sustancias nuevas, es decir es un proceso de cambio de unos reactivos iniciales a unos productos finales Las reacciones químicas se representan mediante ecuaciones químicas. Por ejemplo el carbono (C) podría reaccionar con oxígeno gaseoso (O2) para formar dióxido de carbono (CO2). La ecuación química para esta reacción se escribe: C + O2 = CO2 El '+' se lee como “reacciona con” y la flecha significa “produce”. Las fórmulas químicas a la izquierda de la flecha representan las sustancias de partida denominadas reactivos. A la derecha de la flecha están las formulas químicas de las sustancias producidas denominadas productos de la reacción. Los números al lado de las formulas son los coeficientes( el coeficiente 1 se omite). En la reacción anterior el C y el O2 son los reactivos, el CO2 el producto. La reacción de formación del agua se escribe: 2H2 + O2 = 2H2O Nótese en la reacción anterior (formación del agua) que el número de átomos de cada elemento a cada lado de la ecuación es el mismo: Según la ley de la conservación de la masa los átomos ni se crean, ni se destruyen, durante una reacción química. Por lo tanto una ecuación química ha de tener el mismo número de átomos de cada elemento a ambos lados de la flecha. Se dice entonces que la ecuación está balanceada. BALANCEO DE ECUACIONES QUIMICAS Cuando la reacción química se expresa como ecuación, además de escribir correctamente todas las especies participantes (nomenclatura), se debe ajustar el número de átomos de reactivos y productos, colocando un coeficiente a la izquierda de los reactivos o de los productos. El balanceo de ecuaciones busca igualar el de átomos en ambos lados de la ecuación, para mantener la Ley de Lavoisier. Por ejemplo en la siguiente reacción (síntesis de agua), el número de átomos de oxígenos de reactivos, es mayor al de productos. H2 + O2 H2O Para igualar los átomos en ambos lados es necesario colocar coeficientes y de esta forma queda una ecuación balanceada. 2 H2 + O2 2 H2O Nota: Para calcular el número de átomos, el coeficiente multiplica a los subíndices y cuándo el coeficiente es igual a 1 "se omite" por lo que el número de átomos es igual al subíndice. Los métodos más comunes para balancear una ecuación son: Tanteo, Algebraico y Redox. Métodos Tanteo Consiste en dar coeficientes al azar hasta igualar todas las especies. Ejemplo: CaF2 + H2SO4 CaSO4 + HF Ecuación no balanceada El número de F y de H esta desbalanceado, por lo que se asignará (al azar) un coeficiente en la especie del flúor de la derecha. CaF2 + H2SO4 CaSO4 + 2 HF Ecuación balanceada Ejemplo: K + H2O KOH + H2 Ecuación no balanceada El número de H esta desbalanceado, por lo que se asignará (al azar) un coeficiente en la especie del hidrógeno de la izquierda. K + 2 H2O KOH + H2 Ecuación no balanceada Quedarían 4 H en reactivos y 3 en productos, además la cantidad de oxígenos quedó desbalanceada, por lo que ahora se ajustará el hidrógeno y el oxígeno. K + 2 H2O 2 KOH + H2 Ecuación no balanceada El número de K es de 1 en reactivos y 2 en productos, por lo que el balanceo se termina ajustando el número de potasios. 2 K + 2 H2O 2 KOH + H2 Ecuación balanceada Algebraico Este método es un proceso matemático que consistente en asignar literales a cada una de las especies , crear ecuaciones en función de los átomos y al resolver las ecuaciones, determinar el valor de los coeficientes. Ecuación a balancear: FeS + O2 Fe2O3 + SO2 Los pasos a seguir son los siguientes: 1. Escribir una letra, empezando por A, sobre las especies de la ecuación: A B C D FeS + O2 Fe2O3 + SO2 2. Escribir los elementos y para cada uno de ellos establecer cuántos hay en reactivos y en productos, con respecto a la variable. Por ejemplo hay un Fe en reactivos y dos en productos, pero en función de las literales donde se localizan las especies (A y C) se establece la ecuación A = 2C . El símbolo produce ( ) equivale al signo igual a (=). Fe A = 2C S A=D O 2B = 3C + 2D 3. Utilizando esas ecuaciones, dar un valor a cualquier letra que nos permita resolver una ecuación (obtener el valor de una literal o variable) y obtener después el valor de las demás variables. Es decir se asigna un valor al azar (generalmente se le asigna el 2) a alguna variable en una ecuación, en este caso C = 2 , de tal forma que al sustituir el valor en la primera ecuación se encontrará el valor de A. Sustituyendo el valor de A en la segunda ecuación se encuentra el valor de D y finalmente en la tercera ecuación se sustituyen los valores de C y D para encontrar el valor de B. A B FeS Fe A = 2C S A=D O 2B = 3C + 2D + O2 C Sí C =2 A= 2C A= 2(2) D Fe2O3 A= D D=4 + SO2 2B = 3C + 2D 2B = (3)(2) + (2)(4) 2B = 14 A=4 B = 14/2 B=7 4. Asignar a cada una de las especies el valor encontrado para cada una de las variables: A 4 FeS B + 7 O2 C 2Fe2O3 D + 4SO2 Ecuación Balanceada Redox Se conoce como estado elemental la forma en que se encuentra un elemento en estado puro (sin combinarse con otro elemento), puede ser atómico como el metal (Al), diatómico como los gases o halógenos (O2) y poliatómicos (S6) . Como los elementos puros no están combinados se dicen que no tienen valencia, por lo que se creó el concepto "número de oxidación" , que para los átomos de los elementos tiene el valor de cero (0) . Es decir cuando se trata de una reacción de Redox, el número de oxidación de los átomos de los compuestos equivale a su valencia, mientras que los átomos de los elementos tienen número de oxidación cero, por ejemplo : Na + H2O NaOH + H2 Na0 + H+12O-2 Na+1O-2H+1 + H02 Reacción Redox Se conoce como reacción REDOX aquella donde los números de oxidación de algunos átomos cambia al pasar de reactivos a productos. Redox proviene de las palabras REDucción y OXidación. Esta reacción se caracteriza porque siempre hay una especie que se oxida y otra que se reduce. Oxidación. Es la pérdida de electrones que hace que los números de oxidación se incrementen. Reducción. Ganancia de electrones que da lugar a que los números de oxidación se disminuyan. Para la reacción anterior: Na0 Na+1 Oxidación H+12 H02 Reducción Para expresar ambos procesos, se utilizan hemirreacciones donde se escriben las especies cambiantes y sobre las flechas se indica el número de electrones ganados y/o perdidos. BALANCEO REDOX Las reglas para el balanceo redox (para aplicar este método, usaremos como ejemplo la siguiente reacción) son: K2Cr2O7 + H2O + S SO2 + KOH + Cr2O3 1. Escribir los números de oxidación de todas las especies y observar cuáles son las que cambian. K+12Cr+62O-27 + H+12O-2 + S0 S+4O-22 + K+1O-2H+1 + Cr+32O-23 2. Escribir las hemirreacciones de oxidación y de reducción, cuando una de las especies cambiantes tiene subíndices se escribe con él en la hemirreacción (por ejemplo el Cr2 en ambos lados de la reacción) y si es necesario, balancear los átomos (en este caso hay dos átomos de cromo y uno de azufre en ambos lados "se encuentran ajustados", en caso de no ser así se colocan coeficientes para balancear las hemirreacciones) y finalmente indicar el número de electrones ganados o perdidos (el cromo de +6 a +3 gana 3 electrones y al ser dos cromos ganan 6 electrones y el azufre que pasa de 0 a +4 pierde 4 electrones). +6 e Cr+62 S0 - 4e Cr+32 Reducción S+4 Oxidación 3. Igualar el número de electrones ganados al número de electrones perdidos. Para lograrlo se necesita multiplicar cada una de las hemirreacciones por el número de electrones ganados o perdidos de la hemirreacción contraria (o por su mínimo común denominador). +6 e 2 [ Cr+62 3 [ S0 - 4e Cr+32 ] S+4 ] +12 e 2 Cr+62 3 S0 - 12e 2Cr+32 3 S+4 4. Hacer una sumatoria de las hemirreacciones para obtener los coeficientes, y posteriormente, colocarlos en las especies correspondientes. 3 S0 + 2Cr+62 3 S+4 + 2Cr+32 2K2Cr2O7 + H2O + 3S 3SO2 + KOH + 2Cr2O3 5. Terminar de balancear por tanteo. 2K2Cr2O7 + 2H2O + 3S 3SO2 + 4KOH + 2Cr2O3 Estequiometria de la reacción química Ahora estudiaremos la estequiometria, es decir la medición de los elementos). Las transformaciones que ocurren en una reacción química se rigen por la Ley de la conservación de la masa: Los átomos no se crean ni se destruyen durante una reacción química. Entonces, el mismo conjunto de átomos está presente antes, durante y después de la reacción. Los cambios que ocurren en una reacción química simplemente consisten en una reordenación de los átomos. Por lo tanto una ecuación química ha de tener el mismo número de átomos de cada elemento a ambos lados de la flecha. Se dice entonces que la ecuación está balanceada. 2H2 4H + Reactivos y O2 2O = 2H2O Productos 4H + 2O Pasos que son necesarios para escribir una reacción ajustada: 1) Se determina cuáles son los reactivos y los productos. 2) Se escribe una ecuación no ajustada usando las fórmulas de los reactivos y de los productos. 3) Se ajusta la reacción determinando los coeficientes que nos dan números iguales de cada tipo de átomo en cada lado de la flecha de reacción, generalmente números enteros. Ejemplo 1: Consideremos la reacción de combustión del metano gaseoso (CH4) en aire. Paso 1: Sabemos que en esta reacción se consume (O2) y produce agua (H2O) y dióxido de carbono (CO2). Luego: los reactivos son CH4 y O2, y los productos son H2O y CO2 Paso 2: la ecuación química sin ajustar será: Paso 3: Ahora contamos los átomos de cada reactivo y de cada producto y los sumamos: Entonces, una molécula de metano reacciona con dos moléculas de oxígeno para producir dos moléculas agua y una molécula de dióxido de carbono. Ejemplo 2: Ecuación balanceada Ejemplo 3: Ajustar primero la molécula mayor Ahora ajustamos el O. Multiplicamos por dos: Ejemplo 4: Descomposición de la urea: Para balancear únicamente duplicamos NH3 y así: Ejemplo 5: Necesitamos más cloro en la derecha: Se necesita más C en la izquierda, duplicamos CH3OH. ya está ajustada.