1. Cambios físicos y químicos 2

T.7. REACCIONES QUÍMICAS

ÍNDICE

1. Cambios físicos y químicos 2
2. Concepto de reacción química 2
3. Ecuación química 2
4. Ley de conservación de la masa 3

4.1 Ajuste de ecuaciones químicas 3
5. Concepto de mol 4
6. Mecanismo de una reacción: Teoría de las colisiones 5
7. Energía en las reacciones químicas 6
8. Velocidad de reacción 7
9. Tipos de reacciones químicas 8

9.1 Reacciones según la reorganización de los átomos 8

9.2 Reacciones según el mecanismo de la reacción 8
10. Reacciones irreversibles e reversibles 9
11. Interpretación cuantitativa de una ecuación química 10
12. Cálculos estequiométricos 11
13. Cálculo de la entalpía: ley de Hess 16
EJERCICIOS DE TEORÍA 18

PROBLEMAS 20

1. Cambios físicos y químicos

Todo en nuestro entorno esta en continuo cambio. Todas las sustancias presentes en la naturaleza experimentan cambios físicos y químicos.

Llamamos cambios físicos a aquellos en los que no cambia la naturaleza química de la materia. En estos procesos no aparecen sustancias nuevas. Ejemplos de cambios químicos son los cambios de estado, el movimiento de los cuerpos, los procesos de disolución de sustancias, etc.

Los cambios químicos son aquellos en los que cambia la naturaleza de las sustancias químicas que intervienen. En estos procesos aparecen sustancias nuevas. Ejemplos de este tipo de procesos son la formación del óxido de hierro que se produce al reaccionar el oxígeno del aire con el hierro (proceso de oxidación del hierro), la combustión del carbón, la putrefacción de la fruta, etc.

Los cambios químicos también se conocen con el nombre de reacciones químicas. En este tema nos vamos a dedicar al estudio de este tipo de procesos.
2. Concepto de reacción química

En una reacción química (o cambio químico) se produce una profunda alteración de la materia. Se parte de unas sustancias (reactivos) y lo que se obtiene después del proceso (productos) son unas sustancias completamente diferentes a las de partida.

Un ejemplo de reacción química sería:



En este caso reacciona una molécula de cloro (Cl₂) con una de hidrógeno (H₂) (reactivos) para dar como productos dos moléculas de ácido clorhídrico (HCl)
3. Ecuación química

Las reacciones químicas se representan mediante ecuaciones químicas. Las ecuaciones químicas son ecuaciones algebraicas en las que las que se representan los reactivos y los productos con sus fórmulas químicas. También se especifican las proporciones en las que se encuentran en la reacción mediante el uso de coeficientes estequiométricos. En una ecuación química se escriben las fórmulas de los reactivos a la izquierda y las de los productos a la derecha separados por una flecha:

Reactivos  Productos

La flecha siempre indica el sentido en el que se produce la reacción.

Podemos representar la reacción química anterior con la siguiente ecuación:

Cl₂(g) + H₂(g)  2HCl(g)

Normalmente se suele especificar el estado de agregación de las sustancias que intervienen en la reacción a la derecha de la fórmula química de la sustancia entre paréntesis:

(s)sólido (l)líquido (g)gas

(ac)disuelto en agua
4. Ley de conservación de la masa

El químico francés A. Lavoisier llegó a la siguiente conclusión después de llevar a cabo numerosas experiencias: En una reacción química la masa permanece constante a lo largo de todo el proceso. Según lo anterior, si una reacción química se realiza de forma completa:
Masa reactivos = Masa productos
Si consideramos la reacción de síntesis del agua:

H₂ + O₂  H₂O

Y representamos los átomos de la reacción anterior con esferas:



Vemos que no existe el mismo número de átomos en los reactivos y en los productos. Si sumamos las masas de los reactivos y los productos obtenemos lo siguiente:

Masa reactivos = 2xM(H) + 2xM(O) = 2x1u + 2x16u = 34u

Masa productos = 2xM(H) + M(O) = 2x1u + 16u = 18u

Como vemos en la reacción anterior la masa no se conserva. Para que la masa se conserve tienen que existir el mismo número de átomos en los reactivos que en los productos.
4.1 Ajuste de ecuaciones químicas

Para solucionar el problema anterior tenemos que ajustar la ecuación química. El proceso de ajustar (o igualar) la ecuación consiste en colocar números delante de las fórmulas (coeficientes) para garantizar que exista el mismo número de átomos en los reactivos que en los productos, ya que en una reacción química no pueden desaparecer o crearse átomos. O lo que es lo mismo, la masa en una reacción química se conserva.
Para ajustar una reacción química siempre tenemos que seguir los siguientes pasos:

1. Asignamos una letra del abecedario a cada uno de los compuestos de la reacción:

a(H₂) + b(O₂)  c(H₂O)

2. Planteamos una ecuación algebraica por cada elemento de la reacción. En la ecuación se especifican el número de átomos de cada elemento y la letra que multiplica a dichos átomos. En este caso la reacción tiene dos elementos (H,O), por lo tanto necesitamos dos ecuaciones:

(H) 2a = 2c

(O) 2b = c

3. Imponemos para la primera letra un valor igual a uno. (a=1)

(H) 2 = 2c

(O) 2b = c

4. Resolvemos el sistema de ecuaciones:

(H) 2 = 2c  2/2 = c  1=c

(O) 2b = c  2b = 1  b=1/2

5. Sustituimos las letras en la reacción química.

(H₂)+ 1/2(O₂)  (H₂O)

Si obtenemos coeficientes que no sean enteros intentaremos evitarlos, siempre que sea posible, multiplicando la ecuación por el número entero apropiado. En este caso obtenemos una ecuación con coeficientes enteros multiplicándola por 2:

2x[(H₂)+ 1/2 (O₂)  (H₂O)]

Obteniendo finalmente:

2(H₂)+ (O₂)  2(H₂O)

6. Para ver si hemos realizado correctamente todo el proceso comprobamos que el número de átomos de cada elemento es el mismo en los reactivos y en los productos:



Vemos que tenemos 4 átomos de hidrógeno y 2 de oxígeno en los reactivos y en los productos. La ecuación se encuentra ajustada y ahora se conserva la masa en la reacción química.
5. Concepto de mol

Una reacción química ajustada nos da, por tanto, la siguiente información:
2 moléculas de H₂

1 molécula de O₂

2 moléculas de H₂O

reaccionan con

para dar

2H₂ + O₂ 2H₂O



1. Se define el mol como la cantidad de sustancia que contiene 6’02x10²³ unidades elementales.

2. La masa de un mol en gramos es igual al valor de la masa atómica o molecular.


Observar que si queremos que reaccionen en las cantidades justas tenemos necesidad de “contar” moléculas, ya que los reactivos han de estar en la proporción de 2 moléculas de H₂ por una de O₂, pero ¿cómo contar moléculas? A nivel práctico en un laboratorio no se pueden contar moléculas individualmente. Para poder conseguirlo se hace uso del concepto de mol:
El mol es la unidad de cantidad de materia del Sistema Internacional de Unidades (S.I.). Cuando se usa el mol las unidades elementales deben ser especificadas, pudiendo ser átomos, moléculas, iones, etc.

Según lo anterior:

1 mol de H
6’02x10²³ átomos de H
1 g de átomos de H
M(H) = 1u



1 mol de H



1 mol de H





1 mol de O
6’02x10²³ átomos de O
16 g de átomos de O
M(O) = 16u

1 mol de H₂O
6’02x10²³ moléculas de H₂O
18 g de moléculas de H₂O
M(H) = 1u
M(O) = 16u

Ejemplo 1  Realiza los siguientes cálculos:

a) ¿Cuántos moles son 7 g de Na?

b) ¿Cuántos moles son 22’5 g de H₂O?

c) ¿Cuántas moléculas hay en 22’5 g de H₂O?

d) ¿Cuántos átomos de H hay en 22’5 g de H₂O?

e) Si tenemos 1’2x10²⁴ átomos de hidrógeno en moléculas de agua, ¿Cuántos gramos tenemos?

Datos: M(Na)=23u ;M(H)=1u; M(O)=16u

Para realizar los cambios de unidades que se nos piden en los apartados anteriores tenemos que utilizar factores de conversión. Para realizar los cambios de unidades es conveniente hacerlo de forma ordenada yendo de unidades menores a mayores (o al contrario) utilizando el siguiente esquema:

gramos
mol
moléculas
átomos

a) Según el esquema anterior para pasar de gramos a moles solo hay un paso. Tenemos que aplicar un único factor de conversión:



b) Este caso es similar al anterior. La única diferencia es que ahora en vez de átomos tenemos moléculas. Por lo tanto, tenemos que calcular la masa de una molécula para poder realizar el cambio de unidades:

M(H₂O)=2x1u + 16u = 18u



c) Para pasar de gramos a moléculas tenemos que llevar a cabo dos cambios de unidades (ver esquema anterior):



d) Para pasar de gramos a átomos de hidrógeno tenemos que llevar a cabo tres cambios de unidades (ver esquema anterior):



e) Para pasar de átomos a gramos tenemos que hacer tres cambios de unidades en el sentido inverso al anterior apartado:


6. Mecanismo de una reacción: Teoría de las colisiones

Esta teoría nos permite explicar cómo se producen las reacciones químicas. Según esta teoría para que dos sustancias reaccionen es necesario que se produzca un choque o colisión entre sus moléculas:



Para que se produzca la reacción es necesario que las moléculas posean energía suficiente para romper los enlaces que mantienen unidos sus átomos y puedan formar nuevos enlaces que dan lugar a nuevas sustancias (productos). Esta energía mínima es lo que se llama energía de activación (E_a).
En el caso de la reacción de síntesis de del ácido clorhídrico tenemos la siguiente situación:



Las moléculas de hidrógeno y cloro chocan entre si formando un compuesto intermedio que se denomina complejo activado. Después el complejo activado se deshace y forma los productos. Es importante señalar que este proceso puede darse en ambos sentidos. Es decir, de los reactivos podemos volver a los productos pasando por el complejo activado.
7. Energía en las reacciones químicas

Cuando se rompen y forman enlaces en el transcurso de una reacción química se produce un balance energético. Tenemos que tener en cuenta que la ruptura de los enlaces en los reactivos siempre consume energía mientras que la formación de enlaces en los productos siempre la libera. Teniendo en cuenta el balance entre estos dos tipos de procesos podemos distinguir dos tipos de reacciones químicas:
-Reacciones endotérmicas:

Son aquellas es las que la energía aportada es mayor que la energía desprendida. La reacción, en conjunto, absorbe energía en forma de calor. En este tipo de reacciones la energía de los productos es mayor que la de los reactivos. Por lo tanto, en el proceso global de la reacción se absorbe energía. E_a representa la energía de activación que tienen que tener las moléculas para que se produzca la reacción.


-Reacciones exotérmicas:

Son aquellas es las que la energía aportada es menor que la energía desprendida. La reacción, en conjunto, desprende energía en forma de calor. En este tipo de reacciones la energía de los productos es menor que la de los reactivos. Por lo tanto, en el proceso global de la reacción se desprende energía.


-Entalpia de reacción ():

Para cuantificar la emisión u absorción de energía en una reacción química definimos una nueva magnitud:

La entalpia de reacción, , es la cantidad de calor que se desprende o se absorbe en una reacción química que tiene lugar a presión constante.

La entalpia de reacción se mide en kilojulios (KJ) y viene referida al número de moles especificados en la ecuación química ajustada.

Por convenio se utiliza el siguiente criterio de signos:

-En las reacciones endotérmicas la entalpía de reacción es positiva ().

-En las reacciones exotérmicas la entalpía de reacción es negativa ().
Normalmente la entalpía de reacción se especifica en las ecuaciones químicas de la siguiente forma:

Cl₂ + H₂  2HCl

Desde un punto de vista energético podemos leer la ecuación dela siguiente forma:

Cuando un mol de cloro diatómico reacciona con un mol de hidrógeno diatómico se forman dos moles de ácido clorhídrico y se desprenden -92’31 KJ.

Es importante señalar que si invertimos el sentido de la reacción el signo de la entalpia cambia:

2HCl  Cl₂ + H₂

8. Velocidad de reacción

Algunas reacciones químicas se producen muy rápidamente (i.e. combustión del gas de un mechero) mientras que otras transcurren más despacio (i.e. oxidación del hierro). Por lo tanto, es evidente que no todas las reacciones químicas transcurren con la misma rapidez.

Llamamos velocidad de reacción a la rapidez con que los reactivos se transforman en productos. Teniendo en cuenta la teoría de las colisiones, podemos aumentar la velocidad de una reacción: