5.6: Tipos de reacciones químicas

Última actualización
Guardar como PDF

Page ID: 69914

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

Es útil colocar reacciones químicas en diversas categorías. Aquí se abordan las categorías importantes de reacciones químicas.

El tipo de reacción química más simple de visualizar es una reacción combinada en la que dos sustancias se unen para formar una nueva sustancia. Las sustancias pueden ser dos elementos, dos compuestos, o un elemento y un compuesto. Un ejemplo de una reacción combinada ocurre cuando se quema carbono elemental,

\[\ce{C + O2 \rightarrow CO2}\]

para producir dióxido de carbono. Dado que esta reacción genera sólo un producto, se produce con una economía 100% atómica. Otra reacción de combinación ocurre cuando el óxido de calcio, CaO, presente en un lecho de material sólido en un horno de lecho fluidizado utilizado para quemar carbón reacciona con dióxido de azufre:

\[\ce{CaO + SO2 \rightarrow CaSO3}\]

El dióxido de azufre es un contaminante potencial del aire producido por la quema de azufre presente en el carbón. Al inyectar carbón pulverizado en un lecho de CaO y otros minerales mantenidos en estado fluido por la inyección de aire, el dióxido de azufre producido tiene la oportunidad de reaccionar con CaO y no se emite como contaminante con el gas de chimenea.

Además de ser una reacción de combinación, la reacción anterior también podría llamarse reacción de adición porque el SO ₂ se agrega al CaO. Las reacciones de adición son muy deseables en la práctica de la química verde debido a que son 100% económicas de átomos.

Lo opuesto a una reacción de combinación es una reacción de descomposición. Un ejemplo de tal reacción ocurre cuando se hace pasar una corriente eléctrica continua entre dos electrodos a través del agua a la que se le ha añadido una sal como Na ₂ SO ₄ para hacer una solución en el agua que es eléctricamente conductora:

\[\ce{2H2O(l) \: \: \: \underrightarrow{Electrolysis} \: \: \: 2H2(g) + O2(g)}\]

Reacciones como esta que ocurren por la acción de la electricidad que pasa a través de una solución se denominan reacciones de electrólisis. Como está escrito, la reacción es 100% económica de átomos. Sin embargo, pueden ocurrir algunas reacciones secundarias que reducen la eficiencia. Por ejemplo, el ion cloruro de impurezas, Cl ^-, debe evitarse en solución porque puede producir algo de gas Cl ₂, un subproducto tóxico e indeseable. Otra ineficiencia ocurre porque no toda la electricidad que pasa a través de la solución se utiliza para descomponer el agua.

Un ejemplo de una reacción de descomposición útil es la descomposición a alta temperatura del metano,

\[\ce{CH4(g) \: \: \: \underrightarrow{\Delta} \: \: \: C(s) + 2H2(g)}\]

para producir gas elemental C y H ₂ (donde el triángulo sobre la flecha muestra que se aplica calor —en este caso a una temperatura de 1260—1425°C— para hacer que se produzca la reacción). El carbono elemental de esta reacción se genera como un polvo fino llamado negro de humo. El negro de carbón es un ingrediente de la pasta en celdas secas (como las que se utilizan en dispositivos electrónicos portátiles); se utiliza como relleno en llantas y para hacer electrodos para procesos de electrólisis como aquel por el que se prepara el metal de aluminio.

Las reacciones de descomposición no siempre producen elementos. Por ejemplo, el mineral de bicarbonato de sodio, NaHCO ₃ puede calentarse,

\[\ce{2NaHCO3(s) \: \: \underrightarrow{\Delta} \: \: Na2CO3(s) + CO2(g) + H2O(g)}\]

para producir carbonato de sodio, Na ₂ CO ₃, comúnmente utilizado como químico industrial para tratar el agua, en soluciones de limpieza, y como ingrediente del vidrio.

Ejemplo: Usando masas atómicas Na 23.0, H 1.0, C 12.0 y O 16.0, calcular el porcentaje de economía atómica de la reacción anterior para la producción de Na ₂ CO _3.

Respuesta: Cuando reaccionan 2 unidades de fórmula de NaHCO ₃, se produce 1 unidad de fórmula de Na ₂ CO ₃. Las masas involucradas en las unidades de masa atómica, u, son las siguientes:

\(\textrm{Mass 2NaHCO}_{3} = 2 \times (23.0 + 1.0 + 12.0 + 3 \times 16.0) = 168 \textrm{ u}\)

\(Na_{2}CO_{3} = 2 \times 23.0 + 12.0 + 3 \times 16.0 = 106 \textrm{ u}\)

\(\textrm{Percent atom economy} = \frac{160 \textrm{ u}}{168 \textrm{ u}} \times 100 = 63.1 \%\)

Una reacción de sustitución o sustitución es una reacción tal como la reacción de hierro y ácido sulfúrico,

\[\ce{Fe(s) + H2SO4(aq) \rightarrow H2(g) + FeSO4(aq)}\]

en el que Fe reemplaza a H en H ₂ SO ₄, reacción mostrada anteriormente para la preparación de FESO ₄. Esta reacción también cae bajo la clasificación de reacciones que implican evolución de un gas, en este caso evolución de gas hidrógeno. Una reacción de doble reemplazo, también llamada reacción de metátesis, es aquella en la que dos compuestos intercambian iones u otros grupos. Cuando el cloruro de calcio disuelto reacciona con carbonato de sodio disuelto,

\[\ce{CaCl2(aq) + Na2CO3(aq) \rightarrow CaCO3(s) + 2NaCl(aq)}\]

el ion Ca ²⁺ en cloruro de calcio simplemente cambia de lugar con los iones Na ⁺ en el carbonato de sodio para producir carbonato de calcio sólido y NaCl en solución. Esta es también una reacción de precipitación en la que se forma un material sólido a partir de dos sustancias disueltas en agua; el sólido formado es un precipitado. La eliminación de calcio del agua como lo demuestra esta reacción es un proceso común de tratamiento del agua llamado ablandamiento del agua. Se hace porque los niveles excesivos de calcio provocan la formación de incrustaciones que pueden obstruir las tuberías de agua y dañar los aparatos de plomería. Siempre que un ácido y una base reaccionen, como se muestra aquí para la reacción de ácido clorhídrico con hidróxido de sodio,

\[\ce{HCl(aq) + NaOH(aq) \rightarrow H2O(l) + NaCl(aq)}\]

se forman agua y una sal. Tal reacción es una reacción de neutralización o simplemente una reacción ácido-base.

Ejercicio: Clasificar cada una de las siguientes reacciones como combinación, descomposición, sustitución, metátesis, neutralización, precipitación o evolución de un gas. En algunos casos, una reacción encajará en más de una categoría.

(a)\(ce{2Ca(s) + O2(g) \rightarrow 2CaO(s)}\)

b)\(\ce{2KClO3(s) \underrightarrow{\Delta} 2KCl(s) + 3O2(g)}\)

c)\(\ce{SO3(g) + H2O(l) \rightarrow H2SO4(aq)}\)

d)\(\ce{MgCO3(s) + 2HCl(aq) \rightarrow MgCl2(aq) + H2O(l) + CO2(g)}\)

(e)\(\ce{Zn(s) + CuCl2(aq) \rightarrow Cu(s) + ZnCl2(aq)}\)

f)\(\ce{KOH(aq) + Hcl(aq) \rightarrow KCl(aq) + H2O(l)}\)

g)\(\ce{MgSO4(aq) + 2KOH(aq) \rightarrow Mg(OH)2(s) + K2SO4(aq)}\)

Respuestas: a) Combinación, (b) descomposición, evolución de un gas, (c) combinación, (d) metátesis, evolución de un gas, (e) sustitución, (f) neutralización, metátesis, (g) precipitación, metátesis