4.3: Tipos de Reacciones Químicas - Reacciones de Reemplazo Simple y Doble

Última actualización
Guardar como PDF

Page ID: 74952

Anonymous
LibreTexts

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

Objetivos de aprendizaje

Reconocer las reacciones químicas como reacciones de reemplazo único y reacciones de reemplazo doble.
Utilice la tabla periódica, una serie de actividades o las reglas de solubilidad para predecir si ocurrirán reacciones de reemplazo único o reacciones de reemplazo doble.

Hasta ahora, hemos presentado las reacciones químicas como un tema, pero no hemos discutido cómo se pueden predecir los productos de una reacción química. Aquí comenzaremos nuestro estudio de ciertos tipos de reacciones químicas que nos permiten predecir cuáles serán los productos de la reacción.

Una reacción de reemplazo único es una reacción química en la que un elemento es sustituido por otro elemento en un compuesto, generando un nuevo elemento y un nuevo compuesto como productos. Presentada a continuación:

\[\ce{2HCl(aq) + Zn(s) → ZnCl2(aq) + H2(g)}\nonumber \]

es un ejemplo de una reacción de reemplazo único. Los átomos de hidrógeno\(\ce{HCl}\) son reemplazados por\(\ce{Zn}\) átomos, y en el proceso se forma un nuevo elemento, hidrógeno. Otro ejemplo de una reacción de reemplazo único es

\[\ce{2NaCl(aq) + F2(g) → 2NaF(s) + Cl2(g)}\nonumber \]

Aquí el ion cargado negativamente cambia de cloruro a fluoruro. Una característica típica de una reacción de reemplazo único es que hay un elemento como reactivo y otro elemento como producto.

No todas las reacciones de reemplazo único propuestas ocurrirán entre dos reactivos dados. Esto se demuestra más fácilmente con flúor, cloro, bromo y yodo. Colectivamente, estos elementos se denominan halógenos y se encuentran en la última columna de la tabla periódica (Figura\(\PageIndex{1}\)). Los elementos en la parte superior de la columna reemplazarán los elementos debajo de ellos en la tabla periódica, pero no al revés. Así, la reacción representada por

\[\ce{CaI2(s) + Cl2(g) → CaCl2(s) + I2(s)}\nonumber \]

ocurrirá; pero la reacción

\[\ce{CaF2(s) + Br2(ℓ) → CaBr2(s) + F2(g)}\nonumber \]

no lo hará, porque el bromo está por debajo del flúor en la tabla periódica. Esta es solo una de las muchas maneras en que la tabla periódica nos ayuda a entender la química.

Se muestra una tabla periódica completamente vacía, pero se incluyen los halógenos. — Figura\(\PageIndex{1}\): Halógenos en la Tabla Periódica. Los halógenos son los elementos de la última columna de la tabla periódica.

Ejemplo\(\PageIndex{1}\)

¿Se producirá una reacción de reemplazo único? Si es así, identificar los productos.

MgCl ₂ + I ₂ →?
CabR ₂ + F ₂ →?

Solución

Debido a que el yodo está por debajo del cloro en la tabla periódica, no se producirá una reacción de reemplazo único.
Debido a que el flúor está por encima del bromo en la tabla periódica, se producirá una reacción de reemplazo único, y los productos de la reacción serán CaF ₂ y Br ₂.

Ejercicio\(\PageIndex{1}\)

¿Se producirá una reacción de reemplazo único? Si es así, identificar los productos.

\[\ce{FeI2 + Cl2 → }\nonumber \]

Contestar: Sí; FeCl ₂ y I ₂

Las tendencias de reactividad química son fáciles de predecir al reemplazar aniones en compuestos iónicos simples; simplemente use sus posiciones relativas en la tabla periódica. Sin embargo, al sustituir los cationes, las tendencias no son tan sencillas. Esto se debe en parte a que hay tantos elementos que pueden formar cationes; un elemento en una columna de la tabla periódica puede reemplazar a otro elemento cercano, o puede que no. Una lista llamada serie de actividades hace lo mismo que hace la tabla periódica para los halógenos: enumera los elementos que reemplazarán a los elementos debajo de ellos en reacciones de reemplazo único. A continuación se muestra una serie de actividades simples.

Serie de actividades para reemplazo de cationes en reacciones de reemplazo único

Li
K
Ba
Sr
Ca
Na
Mg
Al
Mn
Zn
Cr
Fe
Ni
Sn
Pb
H ₂
Cu
Hg
Ag
Pd
Pt
Au

El uso de la serie de actividades es similar a usar las posiciones de los halógenos en la tabla periódica. Un elemento en la parte superior reemplazará a un elemento debajo de él en compuestos sometidos a una reacción de reemplazo único. Los elementos no reemplazarán elementos por encima de ellos en compuestos.

Ejemplo\(\PageIndex{2}\)

Utilice la serie de actividades para predecir los productos, si los hubiera, de cada ecuación.

FeCl ₂ + Zn →?
HNO ₃ + Au →?

Solución

Debido a que el zinc está por encima del hierro en la serie de actividades, reemplazará al hierro en el compuesto. Los productos de esta reacción de reemplazo único son ZnCl ₂ y Fe.
El oro está por debajo del hidrógeno en la serie de actividades. Como tal, no reemplazará el hidrógeno en un compuesto con el ion nitrato. No se predice ninguna reacción.

Ejercicio\(\PageIndex{2}\)

Utilice la serie de actividades para predecir los productos, si los hubiere, de esta ecuación.

\[\ce{AlPO4 + Mg → }\nonumber \]

Contestar: Mg ₃ (PO ₄) ₂ y Al

Una reacción de doble reemplazo ocurre cuando se intercambian partes de dos compuestos iónicos, haciendo dos nuevos compuestos. Una característica de una ecuación de doble reemplazo es que hay dos compuestos como reactivos y dos compuestos diferentes como productos. Un ejemplo es

\[\ce{CuCl2(aq) + 2AgNO3(aq) → Cu(NO3)2(aq) + 2AgCl(s)}\nonumber \]

Hay dos formas equivalentes de considerar una ecuación de doble reemplazo: o los cationes se intercambian, o los aniones se intercambian. (No puedes intercambiar ambos; terminarías con las mismas sustancias con las que empezaste). Cualquiera de las dos perspectivas debería permitirle predecir los productos adecuados, siempre que empareje un catión con un anión, y no un catión con un catión o un anión con un anión.

Ejemplo\(\PageIndex{3}\)

Predecir los productos de esta ecuación de doble reemplazo:

\[\ce{BaCl2 + Na2SO4 → }\nonumber \]

Solución

Pensando en la reacción como cambiar los cationes o cambiar los aniones, esperaríamos que los productos fueran BasO ₄ y NaCl.

Ejercicio\(\PageIndex{3}\)

Predecir los productos de esta ecuación de doble reemplazo:

\[\ce{KBr + AgNO3 → }\nonumber \]

Contestar: KNO ₃ y AgBr

Predecir si ocurre una reacción de doble reemplazo es algo más difícil que predecir una reacción de reemplazo único. Sin embargo, hay un tipo de reacción de doble reemplazo que podemos predecir: la reacción de precipitación. Una reacción de precipitación ocurre cuando dos compuestos iónicos se disuelven en agua y forman un nuevo compuesto iónico que no se disuelve; este nuevo compuesto cae de la solución como un precipitado sólido. La formación de un precipitado sólido es la fuerza impulsora que hace que la reacción continúe.

Para juzgar si ocurrirán reacciones de doble reemplazo, necesitamos saber qué tipos de compuestos iónicos forman precipitados. Para ello, utilizamos reglas de solubilidad, que son enunciados generales que predicen qué compuestos iónicos se disuelven (son solubles) y cuáles no (no son solubles, o insolubles). En la\(\PageIndex{1}\) tabla se enumeran algunas reglas generales de solubilidad. Debemos considerar cada compuesto iónico (tanto los reactivos como los posibles productos) a la luz de las reglas de solubilidad. Si un compuesto es soluble, usamos la etiqueta (aq) con él, lo que indica que se disuelve. Si un compuesto no es soluble, usamos la (s) etiqueta (s) con él y asumimos que precipitará de la solución. Si todo es soluble, entonces no se esperará ninguna reacción.

Tabla\(\PageIndex{1}\): Algunas reglas de solubilidad útiles (solubles)
Estos compuestos generalmente se disuelven en agua (son solubles):	Excepciones:
Todos los compuestos de Li ⁺, Na ⁺, K ⁺, Rb ⁺, Cs ⁺ y NH ₄ ⁺	Ninguno
Todos los compuestos de NO ₃ ⁻ y C ₂ H ₃ O ₂ ⁻	Ninguno
Compuestos de Cl ⁻, Br ⁻, I ⁻	Ag ⁺, Hg ₂ ² ⁺, Pb ² ⁺
Compuestos de SO ₄ ²	Hg ₂ ² ⁺, Pb ² ⁺, Sr ² ⁺, Ba ² ⁺

Tabla\(\PageIndex{2}\): Algunas reglas de solubilidad útiles (insolubles)
Estos compuestos generalmente no se disuelven en agua (son insolubles):	Excepciones:
Compuestos de CO ₃ ² ⁻ y PO ₄ ³ ⁻	Compuestos de Li ⁺, Na ⁺, K ⁺, Rb ⁺, Cs ⁺ y NH ₄ ⁺
Compuestos de OH ⁻	Compuestos de Li ⁺, Na ⁺, K ⁺, Rb ⁺, Cs ⁺, NH ₄ ⁺, Sr ² ⁺, y Ba ² ⁺

Por ejemplo, considere la posible reacción de doble reemplazo entre Na ₂ SO ₄ y SrCl ₂. Las reglas de solubilidad dicen que todos los compuestos iónicos de sodio son solubles y todos los compuestos de cloruro iónico son solubles, excepto Ag ⁺, Hg ₂ ² ⁺ y Pb ² +, que no se están considerando aquí. Por lo tanto, Na ₂ SO ₄ y SrCl ₂ son ambos solubles. Los posibles productos de reacción de doble reemplazo son NaCl y SrSO ₄. ¿Son estos solubles? El NaCl es (por la misma regla que acabamos de citar), pero ¿qué pasa con SrSO ₄? Los compuestos del ion sulfato son generalmente solubles, pero Sr ² ⁺ es una excepción: esperamos que sea insoluble, un precipitado. Por lo tanto, esperamos que ocurra una reacción, y la ecuación química equilibrada sería:

\[\ce{Na2SO4(aq) + SrCl2(aq) → 2NaCl(aq) + SrSO4(s)}\nonumber \]

Se esperaría ver un cambio visual correspondiente a SrSO ₄ precipitando fuera de la solución (Figura\(\PageIndex{2}\)).

Una solución azul está en un vaso de precipitados de vidrio. Se está formando un precipitado blanco en el fondo del vaso de precipitados. — Figura\(\PageIndex{2}\): Reacciones de Doble Reemplazo. Algunas reacciones de doble reemplazo son obvias porque se puede ver un precipitado sólido saliendo de la solución. Fuente: Foto cortesía de Choij, http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Copper_solution.jpg(opens en ventana nueva).

Ejemplo\(\PageIndex{4}\)

¿Se producirá una reacción de doble reemplazo? Si es así, identificar los productos.

Ca (NO ₃) ₂ + KBr →?
NaOH + FeCl ₂ →?

Solución

De acuerdo con las reglas de solubilidad, tanto Ca (NO ₃) ₂ como KBr son solubles. Ahora consideramos cuáles serían los productos de doble reemplazo cambiando los cationes (o los aniones), es decir, CaBr ₂ y KNO ₃. Sin embargo, las reglas de solubilidad predicen que estas dos sustancias también serían solubles, por lo que no se formaría precipitado. Por lo tanto, no predecimos ninguna reacción en este caso.
De acuerdo con las reglas de solubilidad, se espera que tanto NaOH como FeCl ₂ sean solubles. Si asumimos que puede ocurrir una reacción de doble reemplazo, debemos considerar los posibles productos, que serían NaCl y Fe (OH) ₂. El NaCl es soluble, pero, según las reglas de solubilidad, Fe (OH) ₂ no lo es. Por lo tanto, se produciría una reacción y el Fe (OH) ₂ (s) precipitaría de la solución. La ecuación química equilibrada es\[\ce{2NaOH(aq) + FeCl2(aq) → 2NaCl(aq) + Fe(OH)2(s)}\nonumber \]

Ejercicio\(\PageIndex{4}\)

\[\ce{Sr(NO3)2 + KCl → }\nonumber \]

Contestar: Sin reacción; todos los productos posibles son solubles.

Claves para llevar

Una reacción de reemplazo único reemplaza un elemento por otro en un compuesto.
La tabla periódica o una serie de actividades pueden ayudar a predecir si ocurren reacciones de reemplazo único.
Una reacción de doble reemplazo intercambia los cationes (o los aniones) de dos compuestos iónicos.
Una reacción de precipitación es una reacción de doble sustitución en la que un producto es un precipitado sólido.
Las reglas de solubilidad se utilizan para predecir si ocurrirán algunas reacciones de doble reemplazo.