Cálculos químicos

La ecuaciones químicas nos van a permitir realizar cálculos en las reacciones y poder averiguar las cantidades de cada uno de los compuestos. Una vez escrita la reacción e igualada, ésta nos informa sobre la proporción en la que actúa cada uno de los compuestos, bien sean reactivos o productos. Esta relación se produce entre moléculas o entre moles, así por ejemplo:

N₂ + 3H₂ -> 2NH₃

Esta ecuación nos sirve para realizar cálculos con moléculas o con moles:

• Una molécula de nitrógeno, N₂, reacciona con 3 moléculas de hidrógeno, H₂, para dar dos moléculas de amoniaco, NH₃.
• Un mol de nitrógeno, N₂, reacciona con 3 moles de hidrógeno, H₂, para dar dos moles de amoniaco, NH₃.

Vamos a ver con un ejemplo los pasos que debemos seguir para realizar los cálculos:
Calcular el hidrógeno molecular, H₂, que se obtiene al reaccionar 131 gramos de Zn con el suficiente ácido clorhídrico, HCl, obteniéndose además dicloruro de cinc, ZnCl₂.

1.- Escribimos la ecuación que representa la reacción, una vez reconocidos los reactivos y productos.	Zn + HCl -> ZnCl2 + H2
2.- Comprobamos si la ecuación está ajustada, si no tendremos que ajustarla.	Zn + 2 HCL -> ZnCl2 + H2
3.- Para poder aplicar la ecuación, debemos pasar nuestros datos a moles. En nuestro ejemplo los 131 g de Zn tenemos que pasarlo a moles de Zn.	nº de moles = masa / masa atómica o molecular nº de moles de Zn = 131 / 65,4 = 2 moles de Zn
4.- Aplicamos la proporción que representa la ecuación a los datos de nuestro problema y relacionando nuestro dato con el dato que queremos averiguar obtenemos la cantidad solicitada.	Zn + 2 HCL -> ZnCl2 + H2 1 mol de Zn + 2 moles de HCL -> 1 mol ZnCl2 + 1 de H2 Como lo que tenemos son 2 moles de Zn, ¿qué obtendremos de hidrógeno? 1 mol de Zn -> 1 mol de H2 2 moles de Zn -> X moles de H2 Por lo tanto X = (1x2)/1 = 2 moles de H2
5.- Por último estos moles obtenidos los podemos pasas a la magnitud que no pida el problema. En nuestro caso podemos pasar los moles a gramos.	2 moles de H2 x masa molar del H2 2 x 2 = 4 g de H2

Al igual que hemos realizado los cálculos con las masa, en ocasiones es más práctico utilizar volúmenes para ello nos podemos basar en la ley de Avogadro:

Volúmenes iguales de gases diferentes en las mismas condiciones de presión y temperatura contienen la misma cantidad de moles.

Por lo que la ecuaciones que hemos leído en términos de moles también las podemos leer en términos de volúmenes. En concreto un mol de un gas en condiciones normales ( 1 atm de presión y 25ºC de temperatura), ocupa un volumen de 22,4 

Energía de las reacciones químicas

En las reacciones químicas además de una reorganización de átomos se produce un intercambio energético. Los compuestos tienen una energía que denominamos energía química, que es característica para cada uno de ellos, por lo tanto la energía química de los reactivos es diferente a la de los productos.

Cuando la energía de los productos es menor que la de los reactivos se produce una liberación de energía que puede manifestarse de diferentes maneras: calor, luz, electricidad,a este tipo de reacciones las denominamos exotérmicas.

Las reacciones exotérmicas son aquellas que producen calor

Este es el caso de una combustión, cuando quemamos algún material producimos calor y luz. Las reacciones exotérmicas como las combustiones se utilizan en la actualidad para producir la mayor parte de la energía que consumimos (los motores de los automóviles, las centrales térmicas

Si la energía de los productos es mayor que la de los reactivos necesitamos comunicar energía a la reacción para que esta se produzca, a estas reacciones las denominamos endotérmicas.

La reacciones endotérmicas son las que necesitan energía para poder producirse.

Por ejemplo, si queremos descomponer el agua en hidrógeno y oxígeno mediante una electrólisis necesitamos comunicarle cierta cantidad de energía eléctrica.

Velocidad de las reacciones químicas

Si nos ponemos a pensar en distintas reacciones una de los aspectos que podemos observar es que no todas tardan el mismo tiempo en producirse. Veamos dos ejemplos: quemamos un trozo de madera y dejamos oxidar una barra de hierro.

Evidentemente la madera se quema mucho antes, pocos minutos, mientras la barra de hierro tarda mucho más tiempo en oxidarse, varias semanas. Para saber la rapidez con la que se produce una reacción debemos conocer la velocidad de reacción.

 La velocidad de reacción es igual a la cantidad de producto que aparece por unidad de tiempo o la cantidad de reactivo que desaparece por unidad de tiempo.

Cada reacción tiene su propia velocidad, pero dentro de un misma reacción la velocidad puede variar dependiendo de varios factores. Si tenemos dos tacos de madera iguales y uno de ellos lo troceamos al quemarlos comprobaremos que el troceado tarda menos tiempo en arder, son la misma reacción pero se han producido con diferente velocidad. Esto es por que al trocearlo hemos aumentado la superficie de contacto de los reactivos siendo este uno de los factores que hacen aumentar la velocidad de reacción. ¿Por qué crees que es mucho mejor masticar los alimentos cuando los ingerimos?

Otro factor que influye en la velocidad de las reacciones es la temperatura, a medida que aumenta la temperatura suele aumentar la velocidad de reacción. Hagamos la siguiente experiencia:

Cojamos tres piezas de fruta, una la colocamos en el frigorífico, otra la dejamos en la despensa y otra la dejamos en el patio a pleno sol, ¿cuál crees que se pudre antes?.

No hace falta esperar mucho tiempo para saber que la fruta que se encuentra en el patio es la que antes empieza a pudrirse, la que estaba a mayor temperatura. Esto explica que los alimentos se conserva mejor en la nevera, menor temperatura y por lo tanto menor velocidad a la hora de estropearse.

En ocasiones necesitamos modificar la velocidad de las reacciones para ello se utilizan una sustancias llamadas catalizadores. Son sustancias que no varían mientras se está produciendo la reacción, tan sólo modifican la velocidad de reacción. Este es el caso de los automóviles, en ellos es necesario que la velocidad de reacción sea muy elevada, antiguamente el catalizador que se utilizaba era el plomo que iba en el combustible, esto provocaba una gran contaminación por plomo ya que después de la reacción este se desprendía con los humos del coche. Actualmente el catalizador está en el motor del automóvil y no queda libre en la atmósfera como sucedía con el plomo.

Reacciones ácido-base

Lo primero que debemos saber es distinguir un ácido de una base

ÁCIDOS	BASES
Presentan un sabor agrio, vinagre	Presentan un sabor amargo, jabón
Reaccionan con algunos metales desprendiendo hidrógeno.	Favorecen la disolución de las grasas, por eso se utilizan como detergentes.
Reaccionan con carbonatos, como el mármol, desprendiendo dióxido de carbono	Dañan la capa grasa de la piel, de aquí que tengamos que utilizar productos los menos básicos posibles para nuestro aseo
Sus propiedades desaparecen cuando reaccionan con una base.	Sus propiedades desaparecen cuando reaccionan con un ácido.

El grado de acidez o basicidad de una sustancia nos lo da su pH. Es una escala que va desde el 1 al 14, de manera que cuanto menor sea el número más ácida es la sustancia y cuanto mayor sea es más básica. Las sustancias que no son ni ácidas ni básicas tienen un pH = 7 son sustancias neutras, el agua pura. Para medir el pH se utiliza el papel indicador universal que una vez impregnado en la sustancia nos informa del pH a partir del color que este adquiere.

ESCALA DE PH DE LOS COMPUESTOS
ÁCIDOS <- aumenta la acidez						NEUTRA	BÁSICOS aumenta la basicidad ->
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14
jugos gástricos	zumo de limón	zumo de naranja	zumo de tomate	lluvia ácida	café, saliva	agua pura	agua de mar	jabón de manos	jabón en polvo	disolución NaOH	amoniaco	disolución concentrada de NaOH

Cuando un ácido reacciona con una base se produce una reacción de neutralización, dando lugar a una sal más agua y desprendiendo energía, son por general reacciones exotérmicas. Por ejemplo, si hacemos reaccionar el ácido clorhídrico con una base como el hidróxido sódico obtenemos cloruro sódico (sal común) más agua.

HCl + NaOH -> NaCl + H₂O

Tipos De Reacciones Quimicas 

Las reacciones químicas pueden clasificarse de manera sencilla en cinco grandes grupos.  Existen otras clasificaciones, pero para predicción de los productos de una reacción, esta clasificación es la más útil. 

Reacciones de simtesis o composicion 

En estas reacciones, dos o más elementos o compuestos se combinan, resultando en un solo producto. 

 Síntesis Química: la combinación de dos o mas sustancias para formar un solo compuesto.

A +   B à C (donde A y B pueden ser elementos o compuestos)

Ejemplo:

Escriba la reacción de síntesis entre el aluminio y el oxígeno.

Solución:

Dos elementos se combinarán para formar el compuesto binario correspondiente.  En este caso, el aluminio y el oxígeno formarán el óxido de aluminio.  La ecuación que representa la reacción es la siguiente:

4 Al (s) +  3 O₂ (g) à  2 Al₂O₃ (s)

Reacciones de Descomposición o Análisis

Estas reacciones son inversas a la síntesis y son aquellas en la cuales se forman dos o más productos a partir de un solo reactante, usualmente con la ayuda del calor o la electricidad.

Descomposición Química: la formación de dos o mas sustancias a partir de un solo compuesto.

A à  B + C

(donde B y C pueden ser elementos o compuestos)

Ejemplo­:

Escriba la ecuación que representa la descomposición del óxido de mercurio (II).

Solución:

Un compuesto binario se descompone en los elementos que lo conforman.  En este caso, el óxido de mercurio (II) se descompone para formar los elementos mercurio y oxígeno. La ecuación que representa la reacción es la siguiente:

2 HgO (s) à  2 Hg (l)  + O₂ (g)

Reacciones de Desplazamiento o Sustitución Sencilla

Estas reacciones son aquellas en las cuales un átomo toma el lugar de otro similar pero menos activo en un compuesto.  En general, los metales reemplazan metales (o al hidrógeno de un ácido) y los no metales reemplazan no metales.  La actividad de los metales es la siguiente, en orden de mayor actividad a menor actividad: Li, K, Na, Ba, Ca, Mg, Al, Zn, Fe, Cd, Ni, Sn, Pb, (H), Cu, Hg, Ag, Au.  El orden de actividad de los no metales mas comunes es el siguiente:  F, O, Cl, Br, I, siendo el flúor el más activo.

Desplazamiento Químico: un elemento reemplaza a otro similar y menos activo en un compuesto.

AB + C à  CB + A   ó   AB + C  à  AC + B

(dónde C es un elemento más activo que un metal A o un no metal B)

Ejemplo 1:

Escriba la reacción entre el magnesio y una solución de sulfato de cobre (II).

Solución:

El magnesio es un metal más activo que el cobre y por tanto, lo reemplazará en el compuesto, formando sulfato de magnesio.  A la vez, el cobre queda en su estado libre como otro producto de la reacción.   La ecuación que representa la reacción es la siguiente:

Mg (s) +  CuSO₄ (ac) à  MgSO₄ (ac)  +  Cu (s)

Ejemplo 2:

Escriba la reacción entre el óxido de sodio y el flúor. 

Solución:

El flúor es un no metal más activo que el oxígeno y por tanto, lo reemplazará en el compuesto, formando fluoruro de sodio.  A la vez, el oxígeno queda en su estado libre como otro producto de la reacción.   La ecuación que representa la reacción es la siguiente:

 2 F₂ (g) +  2 Na₂O (ac) à 4 NaF (ac)  +  O₂ (g)

Ejemplo 3: 

Escriba la reacción entre la plata y una solución de nitrato de bario. 

Solución:

La reacción no se da, puesto que la plata es un metal menos activo que el bario y por ende, no lo reemplaza. 

Reacciones de Doble Desplazamiento o Intercambio

Estas reacciones son aquellas en las cuales el ión positivo (catión) de un compuesto se combina con el ión negativo (anión) del otro y viceversa, habiendo así un intercambio de átomos entre los reactantes.  En general, estas reacciones ocurren en solución, es decir, que al menos uno de los reactantes debe estar en solución acuosa.

 Doble Desplazamiento Químico: los reactantes intercambian átomos – el catión de uno se combina con el anión del otro y viceversa.

AB + CD à  AD + CB

Solución:

En esta reacción, la plata reemplaza al hidrógeno del ácido, formando cloruro de plata.  Al mismo tiempo, el hidrógeno reemplaza a la plata, formando ácido nítrico con el nitrato.  La ecuación que representa la reacción es la siguiente:

AgNO₃ (ac) +  HCl (ac) à  HNO₃ (ac)  +  AgCl (s)

 Reacciones de Neutralización

Estas reacciones son de doble desplazamiento o intercambio.  Su particularidad es que  ocurren entre un ácido y una base y los productos de la reacción son agua y una sal formada por el catión de la base y el anión del ácido. 

Por ejemplo, la reacción entre el ácido sulfúrico y el hidróxido de sodio resulta en la formación de agua y sulfato de sodio.  La ecuación que representa esta reacción es la siguiente:   

H₂SO₄ (ac) +  2 NaOH (ac) à  2 H₂O (l)  +  Na₂SO₄ (ac)

Reacciones de Combustión

Estas reacciones ocurren cuando un hidrocarburo orgánico (un compuesto que contiene carbono e hidrógeno) se combina con el oxígeno, formando agua y dióxido de carbono como productos de la reacción y liberando grandes cantidades de energía.  Las reacciones de combustión son esenciales para la vida, ya que la respiración celular es una de ellas. 

   

Combustión: un hidrocarburo orgánico reacciona con el oxígeno para producir agua y dióxido de carbono.

hidrocarburo + O₂ à  H₂O + CO₂

Ejemplo 1:

Escriba la ecuación que representa la reacción de combustión de la glucosa, el azúcar sanguíneo (C₆H₁₂O₆).

Solución:

En esta reacción, la glucosa es un hidrocarburo que reacciona con el oxígeno, resultando en los productos de la combustión – el agua y el dióxido de carbono. La ecuación que representa la reacción es la siguiente:

C₆H₁₂O₆  +  O₂  à  H₂O  +  CO₂

Reacciones Químicas
 https://www.youtube.com/watch?v=gd42eKVg7PQ