ALGUNOS PATRONES SENCILLOS DE REACTIVIDAD QUÍMICA TEORIA Y EJERCICIOS RESUELTOS

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)

Categoría: ESTEQUIOMETRÍA CÁLCULOS CON FÓRMULAS Y ECUACIONES QUÍMICAS