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3.2 Algunos patrones sencillos de reactividad química
En esta sección examinaremos tres tipos de reacciones sencillas que encontraremos
con frecuencia en el capítulo. El primer motivo para examinar esas reacciones es simplemente
familiarizarnos con las reacciones químicas y sus ecuaciones balanceadas.
El segundo motivo es pensar en cómo podríamos predecir los productos de algunas
de estas reacciones conociendo únicamente sus reactivos. La clave para predecir
los productos formados por una combinación dada de reactivos es reconocer patrones
generales de reactividad química. Al reconocer un patrón de reactividad para
una clase de sustancias nuestra comprensión será más amplia que si nos limitamos
a memorizar un gran número de reacciones sin relación entre sí.
Reacciones de combinación y descomposición
En la tabla 3.1 ¥ se resumen dos tipos de reacciones sencillas, las de combinación y
de descomposición. En las reacciones de combinación, dos o más sustancias reaccionan
para formar un producto. Hay muchos ejemplos de tales reacciones, sobre todo
aquellas en las que diferentes elementos se combinan para formar compuestos. Por
ejemplo, el magnesio metálico arde en aire con un brillo enceguecedor para producir
óxido de magnesio, como se muestra en la figura 3.5 »:
[3.6]
Esta reacción se emplea para producir la flama brillante generada por las bengalas.
Cuando hay una reacción de combinación entre un metal y un no metal, como
en la ecuación 3.6, el producto es un sólido iónico. Recuerde que la fórmula de un
compuesto iónico se puede determinar a partir de las cargas de los iones en cuestión.
•(Sección 2.7) Por ejemplo, cuando el magnesio reacciona con oxígeno, el magnesio
pierde electrones y forma el ion magnesio, Mg2 . El oxígeno gana electrones y
forma el ion óxido, O2 . Por tanto, el producto de la reacción es MgO. El lector deberá
ser capaz de reconocer las reacciones de combinación y predecir los productos
de una reacción de combinación en la que los reactivos son un metal y un no metal.
En una reacción de descomposición, una sustancia sufre una reacción para producir
dos o más sustancias distintas. Muchos compuestos sufren reacciones de descomposición
cuando se calientan. Por ejemplo, muchos carbonatos metálicos se
descomponen para formar óxidos metálicos y dióxido de carbono cuando se calientan:
[3.7]
La descomposición del CaCO3 es un proceso comercial importante. La piedra caliza
o las conchas de moluscos, que son básicamente CaCO3, se calientan para preparar
CaO, que se conoce como cal o cal viva. Cada año se consumen más de 2.0 1010 kg
(22 millones de toneladas) de CaO en Estados Unidos, principalmente en la fabricación
de vidrio, la obtención de hierro a partir de sus menas y la preparación de mortero
para unir tabiques.
CaCO3(s)¡CaO(s) + CO2(g)
2Mg(s) + O2(g)¡2MgO(s)
TABLA 3.1 Reacciones de combinación y descomposición
Reacciones de combinación
Dos reactivos se combinan para formar un
solo producto. Muchos elementos reaccionan
entre sí de esta manera para formar compuestos.
Reacciones de descomposición
Un solo reactivo se rompe para formar dos o
más sustancias. Muchos compuestos se
comportan de esta manera al calentarse.
Cu(OH)2(s)¡CuO(s) + H2O(l)
PbCO3(s)¡PbO(s) + CO2(g)
2KClO3(s)¡2KCl(s) + 3O2(g)
C ¡ A + B
CaO(s) + H2O(l)¡Ca(OH)2(s)
N2(g) + 3H2(g)¡2NH3(g)
C(s) + O2(g)¡CO2(g)
A + B¡C
Ejercicios con el CD-ROM
Reacciones con oxígeno,
Formación de agua
(Reactions with Oxygen,
Formation of Water)
Mg2
Á Figura 3.5 Cuando el magnesio metálico arde, los átomos de Mg reaccionan con las
moléculas de O2 del aire para formar óxido de magnesio, MgO, un sólido iónico: 2Mg(s)
O2(g) → 2MgO(s). Las fotografías muestran lo que vemos en el laboratorio. La tira de
magnesio metálico (izquierda) está rodeada por oxígeno en el aire; al arder, se produce una
flama intensa. Al término de la reacción, queda un listón más bien frágil de un sólido
blanco, MgO. Los modelos muestran la perspectiva a nivel atómico de los reactivos y
productos.
« Figura 3.6 La descomposición de
la azida de sodio, NaN3(s), se utiliza para
inflar las bolsas de aire de los automóviles.
Si se enciende correctamente, la NaN3,
se descompone rápidamente formando
nitrógeno gaseoso, N2(g), el cual expande
la bolsa de aire.
La descomposición de azida de sodio (NaN3) desprende rápidamente N2(g); por
ello, esta reacción se usa para inflar las bolsas de aire de seguridad de los automóviles
(Figura 3.6) ¥.
[3.8]
El sistema está diseñado de modo que un impacto cause el encendido de un casquillo
detonador, que a su vez hace que la NaN3 se descomponga explosivamente. Una
cantidad pequeña de NaN3 (unos 100 g) forma una cantidad grande de gas (unos 50 L).
En la Sección 10.5 examinaremos los volúmenes de gases producidos en reacciones
químicas.
2NaN3(s)¡2Na(s) + 3N2(g)
Á Figura 3.7 El propano, C3H8,
arde en aire, produciendo una flama
azul. El propano líquido se vaporiza y
se mezcla con aire al escapar por la
boquilla.
* Si no hay suficiente O2 presente, se produce monóxido de carbono (CO) además de CO2. Una restricción
aún más severa del O2 causa la producción de las partículas finas de carbono que llamamos
hollín. La combustión completa produce CO2. Amenos que se diga específicamente otra cosa, cuando
hablemos de combustión nos referiremos a una combustión completa.
EJERCICIO TIPO 3.3
Escriba ecuaciones balanceadas para las reacciones siguientes: (a) la reacción de combinación
que se da cuando reaccionan litio metálico y flúor gaseoso; (b) la reacción de descomposición
que se da cuando se calienta carbonato de bario sólido. (Se forman dos productos: un sólido
y un gas.)
Solución (a) El símbolo del litio es Li. Con excepción del mercurio, todos los metales son sólidos
a temperatura ambiente. El flúor existe como molécula diatómica (Véase la Figura 2.19).
Por tanto, los reactivos son Li(s) y F2(g). El producto constará de un metal y un no metal, por lo
que cabe esperar que sea un sólido iónico. Los iones litio tienen carga 1 , Li , mientras que los
iones fluoruro tiene carga 1 , F . Por tanto, la fórmula química del producto es LiF. La ecuación
química balanceada es
(b) La fórmula química del carbonato de bario es BaCO3. Como apuntamos en el texto,
muchos carbonatos metálicos se descomponen al calentarse para formar óxidos metálicos y dióxido
de carbono. En la ecuación 3.7, por ejemplo, CaCO3 se descompone para formar CaO y
CO2. Por tanto, cabe esperar que BaCO3 se descomponga para formar BaO y CO2. Además, el
bario y el calcio están ambos en el grupo 2A de la tabla periódica, lo cual sugiere que reaccionan
de forma similar:
EJERCICIO DE APLICACIÓN
Escriba ecuaciones químicas balanceadas para las siguientes reacciones: (a) sulfuro de mercurio(
II) sólido se descompone en sus elementos constituyentes cuando se calienta; (b) la superficie
del aluminio metálico sufre una reacción de combinación con el oxígeno del aire.
Respuestas: (a) (b)
Combustión en aire
Las reacciones de combustión son reacciones rápidas que producen una flama. En
la mayor parte de las reacciones de combustión que observamos, interviene O2 del
aire como reactivo. La ecuación 3.5 y el ejercicio de aplicación 3.1(b) ilustran una clase
general de reacciones que implican el quemado o combustión de hidrocarburos
(compuestos que contienen sólo carbono e hidrógeno, como CH4 y C2H4). ∞(Sección
2.9)
Cuando quemamos hidrocarburos en aire, éstos reaccionan con O2 para formar
CO2 y H2O.* El número de moléculas de O2 que se requieren en la reacción y el número
de moléculas de CO2 y H2O que se forman dependen de la composición del hidrocarburo,
que actúa como combustible en la reacción. Por ejemplo, la combustión
del propano (C3H8), un gas que se utiliza para cocinar y para calefacción en los hogares,
se describe con la ecuación siguiente:
[3.9]
El estado físico del agua, H2O(g) o H2O(l), depende de las condiciones de la reacción.
A altas temperaturas y en recipientes abiertos, se forma H2O(g). La flama azul
que se produce cuando el propano arde se muestra en la figura 3.7 «.
La combustión de derivados de hidrocarburos que contienen oxígeno, como
CH3OH, también produce CO2 y H2O. La sencilla regla de que los hidrocarburos y
compuestos afines forman CO2 y H2O cuando arden en aire resume el comportamiento
de unos tres millones de compuestos. Muchos compuestos que nuestro organismo
utiliza como fuentes de energía, como el azúcar glucosa (C6H12O6), reaccionan
C3H8(g) + 5O2(g)¡3CO2(g) + 4H2O(g)
HgS(s)¡Hg(l) + S(s); 4Al(s) + 3O2(g)¡2Al2O3(s)
BaCO3(s)¡BaO(s) + CO2(g)
2Li(s) + F2(g)¡2LiF(s)
EJERCICIO TIPO 3.4
Escriba la ecuación química balanceada para la reacción que se da cuando se quema metanol, CH3OH(l) en aire.
Solución Cuando se quema cualquier
compuesto que contiene C, H y O, reacciona
con el O2(g) del aire para producir
CO2(g) y H2O(g). Por tanto, la ecuación
sin balancear es
Puesto que el CH3OH sólo tiene un átomo
de carbono, podemos comenzar a
balancear la ecuación asignando al CO2
el coeficiente 1. En vista de que el
CH3OH sólo tiene cuatro átomos de H,
anteponemos el coeficiente 2 al H2O para
balancear los átomos de H:
Esto nos da cuatro átomos de O en los
productos y tres en los reactivos (uno
en el CH3OH y dos en el O2). Podemos
anteponer el coeficiente fraccionario
al O2 para tener cuatro átomos de O en
los reactivos (hay átomos
de O en ):
Aunque la ecuación ya está balanceada,
no está en su forma más convencional
porque contiene un coeficiente fraccionario.
Si multiplicamos cada miembro
de la ecuación por 2, eliminaremos la
fracción y obtendremos la siguiente
ecuación balanceada:
EJERCICIO DE APLICACIÓN
Escriba la ecuación química balanceada para la reacción que se da cuando se quema etanol, C2H5OH(l), en aire.
Respuesta: C2H5OH(l) + 3O2(g)¡2CO2(g) + 3H2O(g)
de forma análoga para formar CO2 y H2O. Sin embargo, en el interior del organismo
las reacciones se efectúan en una serie de pasos a la temperatura corporal. En un caso
así, las reacciones se describen como reacciones de oxidación más que reacciones de
combustión.
3.3 Pesos formulares
Las fórmulas y ecuaciones químicas tienen un significado cuantitativo; los subíndices
de las fórmulas y los coeficientes de las ecuaciones representan cantidades precisas.
La fórmula H2O indica que una molécula de esta sustancia contiene
exactamente dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno. Asimismo, la ecuación
química balanceada para la combustión del propano ⎯C3H8(g) 5O2(g) ⎯→
3CO2(g) 4H2O(g), que aparece en la ecuación 3.9⎯ indica que la combustión de
una molécula de C3H8 requiere cinco moléculas de O2 y produce exactamente tres
moléculas de CO2 y cuatro de H2O. Sin embargo, ¿cómo relacionamos los números
de átomos o moléculas con las cantidades que medimos en el laboratorio? Aunque
no podemos contar directamente átomos ni moléculas, podemos determinar indirectamente
los números si conocemos las masas. Por tanto, antes de adentrarnos en
los aspectos cuantitativos de las fórmulas o ecuaciones químicas, debemos examinar
las masas de los átomos y moléculas, cosa que haremos en esta sección y en la
siguiente.
2CH3OH(l) + 3O2(g)¡2CO2(g) + 4H2O(g)
CH3OH(l) + 32
O2(g)¡CO2(g) + 2H2O(g)
CH3OH(l) + O2(g)¡CO2(g) + 2H2O(g)
CH3OH(l) + O2(g)¡CO2(g) + H2O(g)
Pesos formulares y moleculares
El peso fórmula de una sustancia no es más que la suma de los pesos atómicos de
cada uno de los átomos de su fórmula química. Por ejemplo, el ácido sulfúrico
(H2SO4) tiene un peso fórmula de 98.1 uma.*
Hemos redondeado los pesos atómicos a una posición después del punto decimal.
En la mayor parte de los problemas haremos este mismo redondeo de los pesos
atómicos.
Si la fórmula química no es más que el símbolo químico de un elemento, como
Na, el peso fórmula es igual al peso atómico del elemento. Si la fórmula química es
la de una molécula, el peso fórmula también se llama peso molecular. Por ejemplo,
el peso molecular de la glucosa (C6H12O6) es
Dado que las sustancias iónicas como el NaCl existen como matrices tridimensionales
de iones (Figura 2.23), no es apropiado hablar de moléculas de NaCl. Más
bien, hablamos de unidades formulares, representadas por la fórmula química de la
sustancia. La unidad formular del NaCl consiste en un ion Na y un ion Cl . Por tanto,
el peso fórmula del NaCl es la masa de una unidad formular:
EJERCICIO TIPO 3.5
Calcule el peso formular de (a) sacarosa, C12H22O11 (azúcar de mesa) y (b) nitrato de calcio,
Ca(NO3)2.
Solución (a) Al sumar los pesos de los átomos de la sacarosa, vemos que el peso fórmula es de
342.0 uma:
12 átomos de C 12(12.0 uma) 144.0 uma
22 átomos de H 22(1.0 uma) 22.0 uma
11 átomos de O 11(16.0 uma) 176.0 uma
(b) Si una fórmula química tiene paréntesis, el subíndice que está afuera del paréntesis
multiplica todos los átomos que están adentro. Así, en el caso de Ca(NO3)2 tenemos
1 átomo de Ca 1(40.1 uma) 40.1 uma
2 átomos de N 2(14.0 uma) 28.0 uma
6 átomos de O 6(16.0 uma) 96.0 uma
EJERCICIO DE APLICACIÓN
Calcule el peso formular de (a) Al(OH)3; (b) CH3OH.
Respuestas: (a) 78.0 uma; (b) 32.0 uma
Composición porcentual a partir de fórmulas
Ocasionalmente, debemos calcular la composición porcentual de un compuesto (es decir,
el porcentaje de la masa que corresponde a cada elemento de la sustancia). Por
ejemplo, si queremos verificar la pureza del compuesto, podríamos querer comparar
164.1 uma
342.0 uma
PF de NaCl = 23.0 uma + 35.5 uma = 58.5 uma
PM de C6H12O6 = 6(12.0 uma) + 12(1.0 uma) + 6(16.0 uma) = 180.0 uma
= 98.1 uma
= 2(1.0 uma) + 32.1 uma + 4(16.0 uma)
PF de H2SO4 = 2(PA de H) + (PA de S) + 4(PA de O)
* Usamos la abreviatura PA para peso atómico, PF para peso fórmula y PM para peso molecular.
la composición calculada de una sustancia con la obtenida experimentalmente. El
cálculo de la composición porcentual es sencillo si se conoce la fórmula química. Dicho
cálculo depende del peso fórmula de la sustancia, el peso atómico del elemento
de interés y el número de átomos de ese elemento que hay en la fórmula química:
La clave para el éxito en la resolución de problemas es la práctica. Al
practicar, el lector comprobará que puede mejorar sus habilidades
siguiendo estos pasos:
Paso 1. Analice el problema. Lea el problema con cuidado para
entenderlo. ¿Qué es lo que dice? Dibuje una imagen o diagrama
si eso le ayuda a visualizar el problema. Anote los datos que
se dan. Además, identifique la cantidad que hay que obtener
(la incógnita) y anótela.
Paso 2. Desarrolle un plan para resolver el problema. Considere los
posibles caminos entre la información dada y la incógnita. ¿Qué
principios o ecuaciones relacionan los datos conocidos con la
incógnita? Tenga presente que algunos datos podrían no estar
dados explícitamente en el enunciado del problema; podría darse
por hecho que usted conoce ciertas cantidades (como el
número de Avogadro, que veremos en breve) o las buscará en
tablas (como los pesos atómicos). Considere también que su
plan puede comprender un solo paso o una serie de pasos con
respuestas intermedias.
Paso 3. Resuelva el problema. Utilice la información conocida y las
ecuaciones o relaciones apropiadas, despejando la incógnita. El
análisis dimensional (Sección 1.6) es una herramienta muy útil
para resolver muchos problemas. Tenga cuidado con las cifras
significativas, signos y unidades.
Paso 4. Compruebe la solución. Lea el problema otra vez para tener
la seguridad de haber obtenido todas las soluciones que se piden
en el problema. ¿Es lógica su respuesta? Es decir, ¿la respuesta
es exageradamente grande o pequeña, o es del orden esperado?
Por último, ¿son correctas las unidades y las cifras significativas?
Estrategias en química Resolución de problemas
EJERCICIO TIPO 3.6
Calcule la composición porcentual de C12H22O11.
Solución Examinemos este problema aplicando los pasos detallados en el ensayo “Estrategias
en química: Resolución de problemas”.
Análisis: Dada la fórmula química de un compuesto, C12H22O11, nos piden calcular su composición
porcentual, o sea, el porcentaje en masa de sus elementos componentes (C, H y O).
Estrategia: Podemos usar la ecuación 3.10, apoyándonos en la tabla periódica para obtener el
peso atómico de cada uno de los elementos componentes. Primero usamos los pesos atómicos
para determinar el peso fórmula del compuesto. (El peso fórmula de C12H22O11, 342.0 uma, se
calculó en el EJERCICIO TIPO 3.5.) Ahora deberemos efectuar tres cálculos, uno para cada elemento.
Resolución: Utilizando la ecuación 3.10, tenemos
Comprobación: Los porcentajes de los elementos individuales deben sumar 100%, lo cual se
cumple en este caso. Podríamos haber usado más cifras significativas en nuestros pesos atómicos,
para obtener más cifras significativas en nuestra composición porcentual, pero nos hemos
ajustado al criterio sugerido de redondear los pesos atómicos a un dígito después del punto decimal.
EJERCICIO DE APLICACIÓN
Calcule el porcentaje en masa de nitrógeno en Ca(NO3)2.
Respuesta: 17.1%
(átomos de ese elemento) (peso atómico del elemento)
peso fórmula del compuesto * 100%
Ejercicios con el CD-ROM
Peso molecular y porcentaje
de peso
(Molecular Weight and Weight
Percent)