Tipos de reacciones químicas

Centro de Nanociencias y Nanotecnología
Universidad Nacional Autónoma de México
Laboratorio de Química I
Practica # 10

Tipo de reacciones químicas

Autor
García Titla Adriana
Pasarán Sánchez César

Grupo: 101 Fecha: 22 de octubre de 2014




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Resumen:
Se realizaron tres reacciones químicas (nitrato de plomo con ioduro de potasio; hidróxido de magnesio con ácido clorhídrico; nitrato de plata con cobre) de ellas se observó cómo reaccionaban para clasificarlas en los diferentes tipos de reacciones (precipitación, sustitución simple o doble, óxido-reducción). Se encontró que las reacciones pueden entrar en uno o más grupos. La reacción de nitrato de plata con cobre, por ejemplo, es sustitución simple y óxido-reducción.

Palabras claves: Reacción química, nitrato de plomo (II), hidróxido de magnesio, nitrato de plata. _________________________________________________________________________
Objetivos:
El objetivo general es observar las reacciones que se tienen al combinar hidróxido de magnesio, nitrato de plomo (II), nitrato de plata con ácido clorhídrico, ioduro de potasio y cobre respectivamente, como objetivos específicos se pretende reforzar los conceptos de molaridad, ajustes estequiométricos, y solubilidad.

Introducción:
La materia puede tener cambios físico y químicos. Los cambios químicos alteran la naturaleza de las sustancias provocando cambios es sus propiedades o la desaparición de la misma sustancia. Una reacción química es el proceso por el cual una o más sustancias iniciales, también llamados reactivos, se transforman en otras sustancias por medio de la ruptura de enlaces que permite un reacomodo de átomos, las sustancias resultantes se conocen también como productos, durante toda reacción química se cumple la ley de conservación de la masa donde la suma de las masas de los reactivos es igual a la sumas de las masas de los productos. Existen distintos tipos de reacciones químicas como:
Reacción de síntesis, composición o adición: en esta los elementos o compuestos se combinan, para dar resultado a un solo producto.
Reacción de descomposición: reacción inversa a la síntesis, se forman dos o más productos a partir de un solo reactante, usualmente con la ayuda del calor o la electricidad.
Reacción de desplazamiento o sustitución sencilla: 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.
Reacción de doble desplazamiento: el catión de un compuesto se combina con el anión del otro y viceversa, por lo tanto hay un intercambio de átomos entre los reactivos. En general, estas reacciones ocurren en solución acuosa.
Reacción de neutralización: estas reacciones son de doble desplazamiento y ocurren entre un ácido y una base, los productos resultantes son agua y una sal formada por el catión de la base y el anión del ácido.
Reacción de combustión: un hidrocarburo orgánico se combina con el oxígeno, formando como producto agua y dióxido de carbono, este tipo de reacción libera grandes cantidades de energía y son esenciales para la vida, dado que se realizan en la respiración celular.
Reacción de precipitación: ocurren en un medio líquido y en las que uno de los productos es insoluble en otras palabras se forma un precipitado.
Reacción de óxido – reducción (Redox): existe un cambio en el número de oxidación de los reactivos, una de ellas aumenta su número mientras otra lo disminuye.
Como evidencia de que se está llevando a cabo una reacciones químicas se puede tener un cambio de color, liberación de energía en forma de luz o cambio de temperatura, la aparición de burbujas o sólidos, formación de un precipitado, desprendimiento de gases, cambios en las propiedades magnéticas o eléctricas. [1]
El representar de manera escrita una reacción química sirven para detallar los cambios por el reordenamiento de los átomos, se muestran las sustancias iniciales, la dirección en que progresa la reacción mediante una flecha, por ultimo las sustancias que se forman al término de la reacción, el estado en que se encuentran los reactivos y productos se indica con las letras s, l, g, ac entre paréntesis, significando sólido, líquido, gaseoso, y en estado acuoso respectivamente. El coeficiente las reacciones es el numero escrito frente a un elemento o compuesto químico, indica el menor número de moléculas involucradas en una reacción. El subíndice es el numero entero escrito con letra pequeña después del elemento químico indica la forma en que se encuentra naturalmente, en átomo o molécula. La representación mediante ecuación iónica muestra a detalle los iones participantes en la reacción. Al balancear una ecuación química se iguala el número de átomos, iones o moléculas tanto en reactivos como en productos, esto con la finalidad de cumplir la ley de conservación de la masa. [2]
Solubilidad es la capacidad de una sustancia para poder disolverse en otra, se puede expresar en moles por litro, gramos por litro o también en porcentaje del soluto.es una propiedad que ayuda a definir el tipo de enlace que se tiene, prácticamente todos los compuestos con enlace iónico son solubles en agua y los que tienen enlace covalente se disuelven en otros compuestos covalentes. [3]
Un precipitado es el sólido que se produce en una reacción química por efecto de cristalización. El precipitado cae al fondo o se mantiene en suspensión dependiendo de la densidad del precipitado, existen dos tipos de precipitados, el coloidal formado por partículas muy pequeñas, que no precipitan por efecto de la gravedad, y dan un aspecto turbio a la disolución; y el precipitado cristalino donde las partículas son grandes y la disolución queda transparente. [4]

Metodología:
Se prepararon las siguientes disoluciones en la práctica:
Se realizaron los cálculos necesarios para la preparación: HCl, KI, AgNO3, Pb (NO3)2.
Parte I
Se colocaron 100mL en un vaso de precipitados sobre una disolución de nitrato de plomo II.
Se colocaron 2 mL de ioduro de potasio gota a gota. Se dejó reaccionar y se observaron los resultados. Se identificó qué tipo de reacción era. Se calculó la cantidad de producto insoluble formado.
Parte II
Se colocaron 5 mL de nitrato de plata en un tubo de ensaye, se sumergió un alambre de cobre enrollado para aumentar el área de contacto y se dejó reaccionar para observar lo que sucede. Se identificó qué tipo de reacción es y se calculó la cantidad del producto insoluble formado.
Parte III
Se colocaron como 5 mL de leche de magnesia en un vaso de precipitados. Se agregaron cuidadosamente una cantidad suficiente de HCL para obtener una disolución transparente. Se identificó qué tipo de reacción es y se calcularon los iones de magnesio en la disolución final.

Resultados y Discusiones:
Para la disolución de Pb (NO3)2 0.1M se utilizó la Ecuación 1, donde se despejo la cantidad de masa en gramos necesarios para la disolución. Se multiplicaron el peso molecular por el volumen solicitado que es de 150 mL, (pero dado que solo se cuenta con un matraz de 100 mL y otros de 50 ml, se tomara como volumen 50 ml para después el resultado multiplicarlo por dos) por la molaridad dada, en este caso de 0.1; el peso molecular resulto de la suma las masas de las masas atómicas:
Pb= 207.2 N= 2*14.01 O=6*16
Lo que da un total del 331.22 uma.
Ecuación 1
0.1M=x331.22*(0.050)
Al despejar nos queda que x es 1.66 g, sin embargo este compuesto no se encuentra en su forma pura, se tiene a un 92.2 % por lo cual se necesitaran 1.8 g de Pb(NO3)2 para obtener una disolución de 0.1 M, este resultado es para 50 ml, y se multiplica por 2 para obtener 100 mL.
Al momento en que se adicionó la disolución de KI a la disolución de Pb (NO3)2 se observó un cambio de color, antes de la reacción ambas sustancias eran incoloras, al instante de combinarse se obtuvo un precipitado de color amarillo intenso que se desplazaba hacia la superficie, como se muestra en la Figura 1.

Figura 1. Reacción entre Pb(NO3)2 y KI
La Reacción 1 es la fórmula química que representa la combinación de ambas sustancias, se encuentra balanceada y se lee como, un mol de nitrato de plomo en estado acuoso reacciona con dos moles de yoduro de potasio en estado acuoso para formar un mol de yoduro de plomo (II) en estado sólido y dos moles de nitrato de potasio en estado acuoso.
2KI(aq) + Pb(NO3)2 (aq) 2 KNO3 (aq) + PbI2 (s) Reacción 1
El tipo de reacción es de doble desplazamiento y además de precipitación dado que el yoduro de plomo formado tiene la característica de ser insoluble en el agua y alcohol; al reaccionar ambas sustancias se rompen enlaces y existe un intercambio de cationes en ambos compuestos, los aniones de Pb2+ se juntan con los cationes de I-, haciendo que los aniones de K+ se junten con los cationes de NO3- para dar lugar a KNO3, en general esto significa que hubo una sustitución de iones Pb2+ y K+. Como se mezclan, la concentración de iones de plomo y iones yoduro disminuye y estos dos forman un precipitado, mientras que los iones de compuestos restantes permanecen en solución.
Otra forma de expresar la reacción química es:
Pb2+(aq) + 2NO 3(aq) + 2K+(aq) + 2I (aq) PbI2(s) + 2K+ (aq) + 2NO 3(aq)
De esta forma se obtiene la ecuación iónica neta:
Pb2+(aq) + 2I (aq) PbI2(s)
Para calcular la masa del precipitado de PbI2 resultante se hicieron los siguientes cálculos:
0.002 L * 0.1mol/1L = 0.0002 mol KI
0.03L * 0.1mol/1L = 0.003 mol Pb(NO3)2
Estos resultados se utilizan para saber cuál es el reactivo limitante
0.0002 mol KI * (1 mol PbI2 / 2 mol KI) = 0.001 mol PbI2
0.003 mol Pb (NO3)2 * (1 mol PbI2 / 1 mol Pb(NO3)2) = .0003 mol PbI2
Por lo anterior se dice que KI es el reactivo limitante dando un rendimiento teórico de 0.001 mol PbI2 cuyo peso molecular es 461 g/mol

Por lo tanto el precipitado de la reacción tiene un peso de 0.46 gramos.

La reacción de nitrato de plata con cobre es una reacción de desplazamiento simple donde un ion más reactivo desplaza al menos reactivo en una solución. También es de precipitación ya que se forman cristales de plata que son insolubles en agua y de óxido-reducción porque hay un intercambio de electrones entre el cobre y la plata. En la reacción 2, los iones de cobre son más reactivos que los iones de plata; por esto, los iones de cobre desplazan a los iones de plata en la solución formándose alrededor del alambre de cobre pequeños cristales de plata. Un mol de cobre reacciona con 2 moles de nitrato de plata para formar un mol de nitrato de cobre más 2 moles de plata:

Cu + 2 AgNO3 Cu (NO3)2 + 2 Ag… Reacción 2

La cantidad de cristales de plata obtenidos se calculó mediante la siguiente relación:
Numero de mol(n) = Molaridad (M) *Litro de disolución (L)
Al conocer la masa del cobre, se pudo saber de igual forma el número de mol mediante su masa molecular.
El número de moles de (AgNO3) = 1.0 M * 0.005L = 0.005 mol de AgNO3(ac)
Entonces, si tenemos que
2 mol AgNO3(ac) 2 mol de Ag
Por lo tanto:
[(0.005 mol Cu)*2]/2=0.005 mol Ag

Según la fórmula:
1 mol Ag(s) 107.8682 g Ag(s)
Entonces:
(0.005 mol Ag(s))*107.86=0.5393 g Ag(s)
Los gramos de plata obtenidos dentro de la reacción son 0.5393 g.

En todas las reacciones químicas hay pérdida, ganancia, o compartimiento de electrones. En la reacción 2, el cobre pierde dos electrones para pasar de Cu0 a Cu2+; los iones de plata toman esos electrones para pasar de Ag+ a Ag0 y formar así los cristales de plata que se forman alrededor del alambre de cobre. [5]
La reacción se llevó a cabo en un tubo de ensaye que tenía nitrato de plata acuoso y se añadió un alambre de cobre en estado sólido. Una vez ocurrida la reacción, el alambre de cobre tenía cristales de plata sólidos en toda la superficie y el nitrato de plata pasó a ser nitrato de cobre acuoso.


aabb
a
a
b
b

Figura 2. Reacción 2. a) Alambre de cobre al inicio de la reacción; b) formación de cristales al finalizar la reacción.
Para la reacción tres:
Mg (OH)2 + 2HCl MgCl2 + 2H2O
Había 8.5 g de hidróxido de magnesio en 100 mL de solución. Si se ocuparon 3 mL entonces se tiene que:
(3mL*8.5g)/100mL=0.255g
Para transformar a moles:
#de moles=0.255g/58.3uma
#de moles= 0.0043mol.
Según la fórmula se puede deducir que:
1 mol Mg (OH) 1 mol MgCl2
Entonces: 0.0043 mol de Mg (OH) 0.0043 mol de MgCl2
Para determinar el número de iones en el compuesto de MgCl2 se utilizó el número de avogadro:
1 mol MgCl2 6.023x1023 MgCl2
Entonces: 0.0043 mol*6.023x1023=2.589x1021
Por lo tanto la cantidad de iones que existen al final de la reacción es de 2.5x10 21

Las reacciones de sustitución simple se presentan cuando un elemento químico más activo o más reactivo desplaza a otro menos reactivo. El elemento desplazado queda en forma libre. En caso de los metales, los más activos son los alcalinos y alcalino-térreos. Para los no metales, los más reactivos son algunos halógenos como el flúor, cloro, bromo, etc. además del oxígeno y fósforo.
Las reacciones de doble sustitución consiste en que dos elementos que se encuentran en compuestos diferentes intercambian posiciones; formando así nuevos compuestos. No se presenta cambio en el número de oxidación o cargas relativa de los elementos por lo cual se les denomina reacciones NO-redox. [6]
Por su parte las reacciones de óxido-reducción ocurren cuando hay un compartimiento o movimiento de electrones dentro de un mismo elemento en los reactivos que en los productos. En la reacción 2 el Cu se oxidó pasando de tener un número de oxidación de cero a 2+; la plata se redujo pasando de 3+ a plata cero.

Conclusiones:
Una misma reacción puede ser de varios tipos como resultó en la interacción de Pb(NO3)2 y KI. La reacción fue de precipitación y también fue una reacción de metátesis, ya que implicó el intercambio de iones entre el Pb(NO3)2 y KI.
El nitrato de plata reacciona con el cobre en una reacción de sustitución simple donde el cobre pasa a formar nitrato de cobre y la plata pasa a formar plata pura.
En la reacción de nitrato de plomo con ioduro de potasio se observó una reacción de doble sustitución. El plomo y el potasio intercambiaron papeles para formar ioduro de plomo y nitrato de potasio.
Para la tercera reacción de leche de magnesia con ácido clorhídrico se formó cloruro de magnesio.
La ley de conservación de la materia se comprueba en todas las reacciones a partir de la correspondencia que tienen los reactivos con los productos, para esto es importante el correcto balanceo de ecuaciones.
Las reacciones químicas suceden no solo en laboratorios sino también en lugares como fábricas, autos, e incluso en interior de nuestro cuerpo.

Referencias y Bibliografía:
[1] Anónimo. Reacciones químicas. Consultado el 18 de octubre de 2014. http://www.amschool.edu.sv/paes/science/reacciones.htm
[2] Ruíz, Enrique. Estequiometría: Ecuaciones químicas. Consultado el 18 de octubre de 2014. http://www.eis.uva.es/~qgintro/esteq/tutorial-02.html
[3] Méndez Ángeles. Concepto de solubilidad. Consultado el 18 de octubre de 2014. http://quimica.laguia2000.com/conceptos-basicos/concepto-de-solubilidad
[4] Glenn H. Brown,Eugene M. Sallee. Química cuantitativa. Editorial Reverte. España.
[5] Weston, T. (2009). A redox reaction: Cupper in silver nitrate solution. 19.10.2014, de (Desconocido) Recuperado de: http://honorsph.startlogic.com/honorsphysicalscience/Cu_AgNO3/cu_agno3.html
[6]Full Química. (2012). Reaciones Químicas. 20.10.2014, de Full Química Sitio web: http://www.fullquimica.com/2011/11/reacciones-quimicas.html