tema 2. reacciones químicas i (10 11)

COLEGIO DE SAN FRANCISCO DE PAULA Sevilla Departamento de Ciencias Naturales Curso 10/11

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TEMA 2. Reacciones químicas I

1. ¿POR QUÉ SE UNEN LOS ÁTOMOS?

La atracción que mantiene unidos los átomos unos con otros para formar una molécula se denomina enlace químico. Los átomos se colocan ellos mismos en la molécula de manera que la energía de la estructura resultante sea la mínima.

Como los gases nobles tienen muy poca tendencia a formar compuestos, ellos existen como moléculas monoatómicas. Sus átomos tienen ocho electrones en su orbital más externo (excepto el Helio, que tiene dos). Debido a esta configuración electrónica, los gases nobles raramente reaccionan para formar compuestos. En 1916 Kossel y Lewis determinaron que esta configuración era tan estable que el resto de los elementos deberían perder, ganar o compartir electrones con objeto de alcanzar la misma configuración electrónica que el gas noble más cercano a ellos en la Tabla Periódica. Esta es la “regla del octeto”.

Los átomos que pierden o ganan electrones se cargan eléctricamente, y se denominan iones. Un átomo que pierde electrones se carga positivamente y se denomina ión positivo o catión. Un átomo que gana electrones tiene un exceso de carga eléctrica negativa y se denomina ión negativo o anión.

Cuando el magnesio por ejemplo, pierde dos electrones, obtiene la misma configuración electrónica que el Neón. Si un átomo de oxígeno gana dos electrones, alcanza la misma configuración electrónica que el Neón.

Esta regla es muy útil en los casos simples pero no puede ser considerada como una regla general, ya que no se cumple en algunos casos.

2. ¿QUÉ ES UNA REACCIÓN QUÍMICA?

Una reacción química describe cambios químicos. Las reacciones químicas se representan por formulas químicas.

C + O2 CO2 ( Esto es una ecuación química)

Reactivos Productos

En una reacción química los materiales iniciales son los reactivos y las nuevas sustancias que se forman son los productos.

Una reacción química se representa por una ecuación química: Una ecuación química es la expresión que muestra las fórmulas químicas de los reactivos y los productos.

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En la formación de un compuesto, los átomos tienden a perder, ganar o compartir electrones con el fin de tener ocho electrones en su último orbital electrónico, es decir, para completar la “regla del octeto”.

Una reacción química implica un cambio en los enlaces atómicos que forman las sustancias iniciales (reactivos) para originar unos diferentes (productos).

Tema 2. Reacciones químicas I 2º ESO

El químico francés Antoine Laurent de Lavoisier (1743-1794) llevó a cabo un gran número de experimentos con diferentes reacciones químicas, donde medió la masa de todos los componentes de una reacción; que es la masa los reactivos además de la masa de los productos. De los resultados de sus experimentos estableció la siguiente ley conocida como Ley de conservación de la masa.

Cuando se escribe una ecuación química, como la masa se conserva durante la reacción química, es muy importante que la ecuación esté ajustada. Una ecuación está ajustada cuando tenemos el mismo número de átomos de cada elemento en ambos lados de la flecha.

Ejemplo: H2 + O2 H2O

• Esta es la reacción entre el hidrógeno y el oxígeno para dar agua. Sin embargo, no está ajustada, ya que no hay el mismo número de átomos de cada elemento a ambos lados de la flecha.

• Como hay 2 átomos de H a cada lado de la flecha, el H está ajustado. Sin embargo hay 2 átomos de O a la izquierda de la flecha pero solo 1 átomo de O a la derecha de la flecha. Con objeto de ajustar la ecuación, debemos añadir el número 2 a la molécula de agua (a la derecha de la flecha).

H2 + O2 2 H2O

• El número que hemos añadido está ahora multiplicando la fórmula química entera y se denomina coeficiente estequiométrico.

• Tenemos ahora 2 átomos de O a ambos lados de la flecha, pero como resultado, el balance de H ha sido modificado. Tenemos ahora 4 átomos de H a la derecha de la flecha y solo 2 átomos a la izquierda.

• Con objeto de ajustar ahora la ecuación, necesitamos añadir el coeficiente estequiométrico 2 al H2 en su izquierda.

2 H2 + O2 2 H2O

La ecuación está ahora ajustada. Simplemente cuenta el número de átomos de cada elemento a ambos lados de la flecha para verificarlo.

3. TIPOS DE REACCIONES QUÍMICAS

Hay muchas reacciones químicas, sin embargo, pueden clasificarse en cuatro tipos generales: Reacciones de Síntesis, Descomposición, Sustitución simple y Doble sustitución.

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La Ley de conservación de la masa establece que en una reacción química la masa se conserva. Esto es lo mismo que decir que la masa total de los reactivos es igual a la masa total de los productos o que el número de átomos al comienzo y al final tiene que ser el mismo.


3.1. Reacción de síntesis o combinada

En una reacción de síntesis dos o más sustancias simples se combinan para formar una sustancia más compleja: Dos o más reactivos y un solo producto.

Ejemplo: 2 H2 + O2 2 H2O

2 Reactivos 1 producto

3.2. Reacción de descomposición

En una reacción descomposición una sustancia compleja se descompone en sus componentes más simples. Esta reacción es opuesta a la de síntesis. Un reactivo produce dos o más productos.

Ejemplo: 2 H2O 2 H2 + O2

1 reactivo 2 productos

3.3. Reacción de sustitución simple

En una reacción de sustitución simple un elemento sin combinar sustituye a otro en un compuesto. Dos reactivos producen dos productos.

Ejemplo: 2 HCl + Zn ZnCl2 + H2

2 reactivos 2 productos

3.4. Reacción de doble sustitución

En una reacción de sustitución doble dos elementos que forman parte de dos diferentes compuestos intercambian sus posiciones para formar un nuevo compuesto. Dos reactivos producen dos productos.

Ejemplo: HCl + NaOH NaCl + H2O

2 reactivos 2 productos

4. VELOCIDAD DE LAS REACCIONES QUÍMICAS

Algunas reacciones químicas ocurren muy rápidamente, tardando menos de un segundo, mientras que otras tardan cientos de años. Algunas veces es importante conocer exactamente como de rápido ocurre una reacción. Es decir, necesitamos saber la tasa de una reacción.

Cuando estudiamos las tasas de las reacciones químicas, deberíamos tener en cuenta la teoría de la colisión. Esta teoría mantiene que la combinación de las moléculas ocurre cuando ellas colisionan. Así, cuantos más colisiones ocurran en un sistema, más combinaciones de posibles moléculas ocurrirán.

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La tasa es una medida de como de lento o rápido ocurre una reacción. En química, cuando hablamos sobre la tasa de una reacción, nos referimos a la velocidad a la cuál ocurre.


Cuando introducimos el tiempo como un factor, se observa que cuanto mayor se ala cantidad de colisiones por unidad de tiempo, mayor será el número de combinaciones de moléculas y por tanto, más rápidamente tendrá lugar la reacción. Como resultado, una mayor tasa de reacción se observará.

Pero, ¿cómo medimos la tasa de una reacción química?

Como regla general para averiguar la velocidad de una reacción, podemos medir la cantidad de un reactivo consumido por unidad de tiempo, o la cantidad de un producto formado por unidad de tiempo.

t /s

0 100 200 300 400

Abs

α [F

e(C

N) 6]

-3

40

60

80

100

120

140

160

La concentración de Ferrocianida formada en una reacción varía en el tiempo con una determinada tasa. Esto puede calcularse a partir de los datos del gráfico.

4.1. Factores que afectan la velocidad de una reacción química

Hay diferentes factores que afectan la velocidad o tasa de una reacción: concentración, temperatura y presión.

a) Concentración: A medida que se incrementa la concentración de de los reactivos, se incrementa la velocidad de la reacción. Cuanto más sustancias se tengan, mayor serán las posibilidades de colisión y por tanto, más rápidamente transcurrirá la reacción. A mayor concentración de reactivos, mayor tasa de reacción.

b) Temperatura: Al cambiar la temperatura de los reactivos, cambia la tasa de la reacción. Si se incrementa la temperatura de un sistema, las moléculas rebotarán más rápidamente al poseer mayor energía cinética. Cuanto más reboten, mayor será la probabilidad de colisión con la mínima energía necesaria y, por tanto, mayor la probabilidad de combinación. Por tanto, la tasa de reacción se incrementará también. Cuando la temperatura incrementa unos 10 ºC la tasa llega a ser el doble aproximadamente.

Por otro lado, si disminuimos la temperatura de un sistema, sus moléculas se moverán más lentamente, y colisionarán menos y con menor energía. La combinación de moléculas también disminuirá y por tanto la tasa de reacción.

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c) Presión: Un cambio en la presión también afecta la tasa de una reacción química, particularmente cuando se trabaja con gases. Cuando se incrementa la presión, las moléculas tienen menos espacio, llegando a estar más concentradas. Esta mayor concentración incrementa la probabilidad de colisiones y por tanto, la reacción aumentará su velocidad. Incrementar la presión provocará un aumento de la tasa de reacción. Por otro lado, cuando se disminuye la presión, las moléculas no colisionarán entre ellas tan frecuentemente y la tasa de la reacción química disminuirá.

d) Área Superficial: Cuanto mayor sea el área superficial de una partícula, mayor será la probabilidad de que colisione con otras partículas y por tanto, mayor también la probabilidad de combinaciones. Incrementar el área superficial aumenta la tasa de una reacción. La superficie que presenta un reactivo es tanto mayor cuanto más finamente dividido esté. Es por ello que las reacciones se hagan en disolución o si es en estado sólido, con los reactivos finamente divididos.

e) Catalizador: El uso de un catalizador incrementa la tasa de una reacción química. Un catalizador es una sustancia que cambia la tasa de una reacción química sin estar implicado el mismo en la reacción. Por ello, un catalizador se mantiene sin alterarse químicamente. En la presencia de un catalizador las colisiones entre moléculas necesitarán menos energía. Los catalizadores son muy importantes en la industria, ya que posibilitan que la velocidad de las reacciones químicas sea alta a bajas temperaturas; ahorrando combustibles y dinero.

5. LAS DISOLUCIONES

Si coges un vaso con agua, le añades una cucharada de sal y agitas, observas que la sal desaparece. Has preparado una disolución, es decir, una mezcla homogénea donde sus componentes no pueden distinguirse a simple vista.

En toda disolución se puede distinguir dos componentes: el disolvente, que es el mayoritario y el que le da el aspecto físico a la disolución, y el soluto, que es el minoritario y que se disuelve en el seno del disolvente. El disolvente universal es el agua.

En el ejemplo anterior, hemos visto una disolución formada por un soluto sólido (sal) y el disolvente líquido (agua). Sin embargo, se obtienen disoluciones con cualquier estado de agregación, así, las aleaciones metálicas (bronce, latón) son disoluciones sólidas, mientras que los peces respiran gracias a que el oxígeno gaseoso se disuelve en agua.

5.1. La concentración de las disoluciones

Si sigues añadiendo sal al vaso de agua en tu casa, llegará un momento en el que por mucho que agites, la sal se queda en el fondo, ya que no se disuelve más. Se ha formado una disolución saturada, es decir, una disolución que contiene disuelto la mayor cantidad de soluto posible a una determinada temperatura. En el caso contrario, cuando la disolución contiene menos cantidad de soluto de lo que puede admitir como máximo, se dice que es una disolución diluida.

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Masa Disolución = masa disolvente + masa soluto

La concentración de una disolución, expresa la cantidad de soluto que tiene esa disolución.


Los términos diluida y saturada no nos informan acerca de la cantidad de soluto que hay en la disolución, para ello se necesita conocer la cantidad exacta de soluto que contiene. Para expresar la cantidad de soluto de una disolución se han establecido diferentes formas, entre ellas:

1) Concentración en masa: Indica la masa de soluto contenidos en cada unidad de volumen de disolución. La más utilizada es gramos por litro (g/L).

2) Tanto por ciento en masa (%): Indica los gramos de soluto que hay contenidos en 100 g de disolución.

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Concentración en g/L = gramos de soluto x litros de disolución

% en masa = gramos de soluto x 100 gramos de disolución

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Actividades Tema 2. Reacciones químicas I

1.- Los átomos de oxígeno tienen seis electrones en su capa electrónica más externa.

a) Razona si tienen tendencia a ganar 2 electrones o a peder seis.b) ¿Cuál es la formula del ión más frecuente del oxígeno?

2.- Si el átomo de calcio tiene el número atómico Z = 20, ¿cuántos protones y electrones tendrá en catión Ca2+?

3.- ¿Por qué el ión más frecuente del sodio es el catión Na+ y no un anión?

4.- Dada la siguiente reacción química: Mg + HCl MgCl2 + H2

a) Indica cuáles son los reactivos y cuáles los productos de la reacción.b) Escribe la ecuación química ajustada.c) Indica qué tipo de reacción química es.

5.- Escribe las ecuaciones ajustadas correspondientes a las reacciones siguientes:

a) Ácido clorhídrico + hidróxido de sodio cloruro de sodio + aguab) Óxido de hierro (III) + carbono (sólido) hierro (sólido) + óxido de carbono (IV)c) nitrógeno (gas) + hidrógeno (gas) amoniaco

6.- Dada la siguiente reacción química: CH4 + O2 CO2 + H2O

a) Escribe la ecuación química ajustada.b) Demuestra si se cumple la Ley de Lavoisier.c) Indica qué tipo de reacción química es.

7.- Razona qué tiene que ver el conservar los alimentos en el frigorífico con uno de los factores que afectan a la velocidad de las reacciones químicas.

8.- La reacción química CO2 + H2O O2 + CH2O, solo la pueden realizar algunos seres vivos. Además esta reacción tiene lugar gracias a una proteína llamada Rubisco. Razona:

a) ¿Qué proceso es el representado en esta reacción y qué seres vivos lo realizan?b) Si la Rubisco no es un reactivo, pero favorece la reacción ¿entonces qué podemos decir que es?

9.- Se disuelven 20 g de un soluto en 100 g de agua. ¿Cuál es la concentración en masa de la disolución?

10.- La concentración de una disolución es 60 g/L. ¿Cuánto soluto hay en 200 mL de esta disolución?

11.- En 200 g de agua se disuelven 25 g de un soluto. ¿Cuál es el porcentaje en masa de soluto en la disolución?

12.- ¿Cuántos gramos de sal necesito añadir al agua para preparar 400 g de una disolución de concentración 8%? ¿Cuántos litros de agua forman la disolución?

13.- Se disuelven 25 g de soluto en 200 cm3 de disolución. ¿Cuál es la concentración en g/L?

14.- Se disuelven 50 g de soluto en agua, obteniéndose una disolución concentrada al 0.5 %. ¿Qué volumen de agua se ha utilizado para hacer esta disolución?

15.- Tengo 100 mL de una disolución de concentración 5g/L. Si tomo 1 mL de la disolución, a) ¿Qué concentración tiene? b) ¿Y cuántos gramos de soluto hay?

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