2. REACCIONS QUÍMIQUES

2.1 DIFERENCIA ENTRE CANVIS FÍSICS I CANVIS QUÍMICS

Un procés, fenomen o canvi és físic si implica una transformació sense que hi hagi modificació de la matèria.

Un procés, fenomen o canvi és químic quan implica una transformació amb modificació de la matèria.

2.2 REACCIONS QUÍMIQUES

2.2.1 Les reaccions químiques i la teoria de les col·lisions

Les reaccions químiques es produeixen quan les molècules dels reactius xoquen entre si i es trenquen. Els àtoms que s’han alliberat es reorganitzen i formen molècules noves

No tots els xocs trenquen les molècules, el xoc només és eficaç quan les molècules tenen l’orientació adequada i prou velocitat per trencar les molècules de reactius. La velocitat de les partícules és un factor molt important perquè una reacció es produeixi o no. Quan la velocitat és alta també és elevada l’energia cinètica o els xoc entre molècules són eficaços. En general la velocitat de les reaccions es pot incrementar:

- Augmentant la temperatura perquè les partícules es mouran amb més velocitat.

- Augmentant el grau de divisió perquè la superfície de contacte augmenta

2.2.2 Equacions químiques

Una equació química és una representació simbòlica d’una reacció química

(l)

A l’esquerra de la reacció s’escriuen les fórmules de les substàncies que reaccionen – els reactius-. A la dreta de l’equació s’escriuen les fórmules del productes de la reacció.

L’equació de l’esquema anterior es llegeix de la forma següent:

- 1 molècula d’alcohol etílic en estat líquid reacciona amb tres molècules d’oxigen en estat gasós per formar dos molècules de diòxid de carboni en estat gasós i tres molècules d’aigua en estat líquid

- 1 mol d’alcohol etílic en estat líquid reacciona amb tres mols d’oxigen en estat gasós per formar dos mols de diòxid de carboni en estat gasós i tres mols d’aigua en estat líquid

2.2.3 Càlculs estequiomètrics

El magnesi reacciona amb l’oxigen per formar òxid de magnesi. Si disposem de 8 g d’oxigen calculeu:

- Quants grams de magnesi caldran per reaccionar amb tot l’oxigen disponible?

- Quants grams d’òxid de magnesi s’obtindran?

En primer lloc cal escriure l’equació química i igualar-la:

Expressem en mol les quantitats de substància que intervenen en la reacció:

M(O2)=32 u i Mol(O2)=32 g

A continuació utilitzem els factor de conversió per establir la quantitat de magnesi que reacciona am l’oxigen

Com la massa atòmica del Mg, M(Mg)=24.3 u i el Mol(Mg)=24.3 g la massa de Mg que ha de reaccionar:

Per calcular la massa de diòxid de magnesi que s’obté procedim d’una forma pareguda:

Com la massa molecular del MgO és M(MgO)=40.3 u i el Mol(MgO)=40.3 g la massa de MgO que s’obté-.

2.3 ÀCIDS I BASES

2.3.1 àcids

Com a resultat d'afegir aigua als òxids àcids s’obtenen els àcids. Per exemple

SO3+H2O ---> H2SO4

Propietats dels àcids

a) Provoquen el canvi de color en determinades substàncies anomenades indicadors:

- Fan enrogir el tornassol

- Decoloren la fenolftaleïna

- Fan enrogir l’ataronjat de metil

b) Les seves dissolucions tenen un sabor característic, àcid. El nom d’àcid prové del sabor que tenen determinats productes naturals: àcid cítric (en la llimona), àcid acètic (en el vinagre), àcid làctic (en la llet agre), etc. Les característiques organolèptiques eren un mètode comú de reconeixement dels compostos en els inicis de la química, però MAI S’HA DE PROVAR EL SABOR D’UN COMPOST QUÍMIC

c) Ataquen els metalls, excepte els metalls nobles

d) Reaccionen amb les bases en un tipus de reacció que s’anomena de neutralització i formen sals.

Les molècules dels compostos que es dissolen en aigua originant dissolucions àcides contenen àtoms d’hidrogen. En dissoldre’s es dissocien formant ions hidrogen (H+). La presència d’ions hidrogen en la dissolució és la causa del seu caràcter àcid

2.3.2 Hidròxids o bases

Els hidròxids o bases són el resultat de l’addició d’aigua a un òxid metàl·lic. Per exemple

CaO+H2O --> CaO2H2 ---> Ca(OH)2

HCl aq Cl H( ) → +− +

Propietats de les bases

a) Provoquen el canvi de color en determinades substàncies anomenades indicadors

- Fan que el tornassol es torni blau

- Fan enrogir la fenolftaleïna

- Fan engroguir l’ataronjat de metil

b) Les seves dissolucions tenen un sabor característic (sabor càustica o sabor a lleixiu)

c) Reaccionen amb els àcids en un tipus de reacció que s’anomena de neutralització i formen sals.

Els compostos que originen dissolucions bàsiques en dissoldre’s en aigua es dissocien formant ions hidroxil

2.3.3 Indicadors i pH

Una de les maneres d’identificar si una dissolució és àcida o bàsica és utilitzar indicadors. Els indicadors són substàncies que reaccionen de forma diferent depenent si es troben en contacte amb una dissolució àcida que si es mesclen amb una dissolució bàsica. A la següent taula es presenten alguns indicadors i la coloració que adquireixen en contacte amb un àcid o una base

Indicador Dissolució Color del indicador

àcida incolor Fenolftaleina

bàsica rosa violaci

àcida vermell Tornassol

bàsica blau

àcida groc Blau de bromotimol

bàsica blau

NaOH aq Na OH( ) → ++ −

Els indicadors no donen una idea de la força d’un àcid o una base. Una manera d’avaluar-la és utilitzar l’escala de pH. L’escala de pH és numèrica i va del 0 al 14 de froma que:

- una dissolució àcida té un nombre de pH més petit que 7

- una dissolució bàsica té un nombre de pH més gran que 7

- una dissolució neutra té un pH igual a 7

En un dissolució neutra el nombre d’ions H+ és igual al nombre d’ion OH- . En l’aigua pura algunes molècules, molt poques, es dissocien formant ions H+ i OH- però com de cada molècula s’obté un OH- l’aigua resulta amb pH=7

En una dissolució àcida per l’aportació d’ions H+ per part de l’àcid, el nombre d’ions H+ és molt superior al d’ions OH- ja que aquests provenen d’un nombre molt petit de molècules d’aigua que s’ionitzen. En una dissolució bàsica el nombre d’ions OH- aportats per la ionització de la base és molt superior al nombre d’ions H+ que provenen de la ionització d’un nombre molt petit de molècules d’aigua

2.3.4 Formació de sals

Si en un matràs erlenmeyer que contingui uns cm3 de dissolució d’àcid clorhídric afegim dues gotes de blau de bromotimol el líquid es torna de color groc. Emprant un comptagotes vessem gota a gota una dissolució d’hidròxid sòdic al matràs. Observarem que, per un volum determinat de dissolució bàsica el color del líquid passarà a verd. Si continuem afegint base el color canviarà novament a blau

Quan reaccionen una dissolució àcida amb una bàsica es formen una sal i aigua. En afegir base a l’àcid els ions hidrogen i hidroxil d’ambdues dissolucions es combinen entre si per formar aigua. Quan tot els ions hidrogen present a la dissolució s’han combinat la dissolució és neutra. En aquest moment el color de l’indicador és verd. Aquest canvi químic s’anomena reacció de neutralització (2)

Si es continua afegint base a la dissolució no reaccionarà perquè no hi ha més ions H+ disponibles. La presència d’ions hidroxil en dissolució provocarà un nou canvi en el color de l’indicador, el qual mostrarà que la dissolució és ara bàsica.(3)

2.4 CLASSIFICACIÓ I TIPUS REACCIONS

Hi ha molts tipus de reaccions químiques, que es poden classificar segons diferents criteris , no excloents. A continuació es mostren alguns dels més representatius, segons les característiques de les substàncies que intervenen en la reacció, del bescanvi energètic que s’hi produeix... Reaccions de síntesi Són les reaccions en les quals se sintetitza un compost a partir dels seus constituents. Es combinen, per tant, diversos reactius per donar lloc a un producte. Per exemple: C + O2 → CO2

N2 + 3 H2 → 2 NH3

Les reaccions de síntesi han permès obtenir substàncies en un ampli àmbit d’aplicació, sobretot en el camp de la química orgànica i bioquímica, que van des de nous conductors elèctrics fins a productes farmacèutics. Reaccions de descomposició Són les reaccions on una determinada substància es descompon en altres. Per tant, a partir d’un sol reactiu i amb aportació energètica, aquest es transforma en dos o més productes. Per exemple: NH4NO2 → N2 + 2 H2O CaCO3 → CO2 + CaO Reaccions de desplaçament o substitució En aquestes reaccions, un element és substituït per un altre en una determinada substància. Normalment, són reaccions entre un compost i un element. Aquest s’integra al compost i s’allibera un altre element que formava part de la substància inicial. Tanmateix, aquests tipus de reaccions també pot tenir lloc entre dos compostos. �Per exemple:

H2SO4 + Zn → ZnSO4 + H2

3 Cu(NO3)2 + 2 Fe → 2 Fe(NO3)3 + 3 Cu Reaccions de doble desplaçament En aquest tipus de reaccions, un element substitueix un altre, i aquest substitueix el primer en cadascun dels compostos. Es produeix, per tant, un doble intercanvi de posicions entre cations i anions de dues substàncies. Per exemple: AgNO3 + NaCl → NaNO3 + AgCl ZnO + H2SO4 → ZnSO4 + H2O Reaccions d’emissió de gasos En aquestes reaccions, algun dels productes de la reacció és un compost gasós. Com s’ha vist anteriorment a l’apartat de simbologia, se sol indicar a l’equació química amb una fletxa cap amunt col· locada al costat del producte gasós. Per exemple: H2SO4 + Zn → ZnSO4 + H2 ↑ Aquesta reacció també es pot classificar com de desplaçament o substitució. Reaccions de precipitació Aquestes reaccions provoquen la formació d’un precipitat. Tal i com s’ha vist anteriorment a la simbologia, se sol indicar en l’equació química mitjançant una fletxa cap avall (↓) col·locada al costat del compost que precipita. Per exemple: AgNO3 + NaCl → NaNO3 + AgCl ↓ Aquesta reacció també es pot classificar com de doble desplaçament. Reaccions de combustió Els productes orgànics que tenen només C i H (anomenats hidrocarburs) o bé C, H i O fan la combustió donant sempre diòxid de carboni i aigua. Per tant, es pot dir genèricament que un compost (combustible) crema en presència d’O2 (comburent) per donar, com a productes de la reacció, CO2 i H2O: Combustible + O2 → CO2 + H2O Per exemple: CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O [metà] C2H6 + 7/2 O2 → 2 CO2 + 3 H2O [età] C3H8 + 5 O2 → 3 CO2 + 4 H2O [propà]

Reaccions de neutralització Els àcids són substàncies amb unes propietats particulars que són neutralitzades en reaccionar amb una base. A l’inrevés, també les propietats d’una base són neutralitzades amb la presència d’un àcid. Per aquest motiu, les reaccions d’un àcid amb una base per formar la sal corresponent s’anomenen de neutralització i, genèricament, es poden expressar com: àcid + base → sal + aigua Per exemple: HCl + NaOH → NaCl + H2O H2SO4 + 2 NaOH → Na2SO4 + 2 H2O H2SO3 + Ca(OH)2 → CaSO3 + 2 H2O H3PO4 + Al(OH)3 → AlPO4 + 3 H2O

Energia i reaccions químiques

Una reacció química comporta la ruptura dels enllaços de les substàncies inicials (reactius) i la formació d’enllaços nous associats a les substàncies finals (reactius). En aquest procés hi ha un canvi d’energia global anomenada energia de reacció i que és la diferència entre les energies absorbides en trencar els enllaços de les substàncies de partida i les energies despreses per formant els enllaços de les substàncies finals

Reaccions exotèrmiques

Una reacció exotèrmica va acompanyada d’un despreniment de calor, es a dir de transferència d’energia al medi. Per exemple la reacció de combustió del metà desprèn 212,9 kcal d’energia per mol de metà:

En les reaccions exotèrmiques l’energia necessaria per trencar els enllaços dels reactius és menor que l’energia que es desprèn quan es formen els enllaços de les substàncies finals

Reaccions endotèrmiques

Una reacció endotèrmica és aquella en la qual els reactius necessiten un subministrament continu d’energia. Considerem per exemple la reacció de descomposició del carbonat de calci (CaCO3) en la qual l’energia absorbida és de 42,4 calories per mol de CaCO3:

CH g O g CO g H O g Energia4 2 2 22 2( ) ( ) ( ) ( )+ → + +

En les reaccions endotèrmiques l’energia necessària per trencar els enllaços dels reactius és més gran que l’energia que és desprèn quan es formen els enllaços de les substàncies producte

EXERCICIS

1. Quina diferència hi ha entre canvi químic i canvi físic?

2. Distingiu entre canvis físics i químics

- Evaporació d’un perfum

- Combustió d’un tros de fusta

- Dissolució de sucre en aigua

- Oxidació d’un clau de ferro

- Enfosquiment d’una poma en contacte amb l’aire

- Cocció d’un ou dur

- Fermentació dels sucres del raïm

- Formació de guspires en forjar el ferro

3. Completa i dibuixa les molècules que s’obtindran en cadascuna de les següents reaccions:

8 molècules d’hidrogen (H2)+4 molècules d’oxigen (O2) → X molècules d’aigua (H2O)

6 molècules de monòxid de carboni (CO) + 3 molècules d’oxigen(O2) → X molècules de diòxid de carboni (CO2)

4 molècules d’hidrogen (H2) + 4 molècules d’oxigen (O2) → X molècules d’aigua oxigenada (H2O2)

4. En totes les reaccions químiques, la massa:

a) Es conserva

b) Es perd

c) Depèn dels reactius

d) Depèn dels productes

CaCO s Energia CaO s CO3 2( ) ( )+ → +

5. Si mesurem la massa d’un tros de cinta de magnesi i després la cremem i mesurem la massa de l’òxid de magnesi obtingut observem que no són iguals. Per què? (No es compleix la Llei de conservació de la massa?)

6. De la següent reacció química:

- Indiqueu quins són els reactius i quins els productes

- Trobeu els coeficients per ajustar-la

7. En 37 g d’hidròxid de calci Ca(OH)2 calculeu

a) Quants mols de Ca hi ha?

b) Quants àtoms d’oxigen hi ha?

c) Quants grams de Ca hi ha?

8. L’alumini reacciona amb el sofre i forma sulfur d’alumini Al2S3.

a) Escriviu la reacció i ajusteu-la

b) Calculeu la quantitat de sofre que reacciona amb 50 g d’alumini

c) Quina quantitat de sulfur d’alumini s’obtindrà amb les quantitats de l’apartat anterior?

9. El carbó es crema amb l’oxigen i produeix diòxid de carboni mitjançant una reacció que es pot representar:

a) Quina massa d’oxigen caldrà per cremar 6 kg de carbó?

b) Quina massa de diòxid de carboni s’obtindrà en aquest cas?

10. El clorur d’hidrogen (HCl) s’obté fent reaccionar l’àcid sulfúric (H2SO4) amb el clorur de sodi (NaCl)

a) Igualeu la reacció química

b) Quants grams de clorur de sodi fan falta per obtenir 1 kg de HCl?

c) Quants grams de H2SO4 caldrà que reaccionin?

11. Quan s’aboca aigua a la calç viva (òxid de calci, CaO) es forma calç apagada (hidròxid de calci, Ca(OH)2)

a) Escriviu i ajusteu la reacció química

b) Calculeu la massa de calç apagada que es formaran si tenim 10 g de calç viva.

c) Calculeu la quantitat d’aigua que es necessita per apagar la calç viva que disposem.

12. L’amoníac (NH3) es descompon en gas hidrogen (H2) i nitrogen (N2).

a) Escriviu la reacció i ajusteu-la

b) Calculeu la massa d’amoníac que s’ha de descompondre per obtenir 7 grams de N2

c) Calculeu la quantitat d’hidrogen que s’obté quan es descomposen 34 g d’amoníac.

13. Consulteu la taula periòdica i completeu les oracions

a) Un mol de molècules d’hidrogen equival a ___________g i conté

________ molècules d’H2

_____________ àtom d’hidrogen

b) Mig mol de molècules d’oxigen són __________g i conté

________ molècules d’O2

________ àtoms d’oxigen

c) Dos mols de molècules d’àcid carbònic (H2CO3) són _________g i contenen

________ molècules d’àcid carbònic

________ àtoms d’hidrogen

________ àtoms d’oxigen

________ àtoms de carboni