Reacions químiques

1

Reaccions químiques

1. Reaccions químiques:

2. Teoria de les reaccions químiques

2.1 Teoria de col·lisions

2.2 Teoria de l’estat de transició

3. Equacions químiques

4. Càlculs estequiomètrics

4.1 reactiu limitant i en excés

4.2 rendiment de la reacció

5. Tipus de reaccions

2

1.Reacció química:

Una reacció química és la transformació, mitjançant una reordenació dels enllaços, de reactius en productes.

En una reacció química:

-es rompen els enllaços dels reactius (generalment implica un aport d’energia)

- es reordenen els àtoms

-es formen nous enllaços per donar els prodctes (generlament implica l’alliberament d’energia)

3

En aquest cas, veiem com l’enllaç en la molècula de clor i la molècula d’hidrògen es trenca (ambdòs són els reactius) i es forma un enllaç entre clor i hidrògen ( producte)

4

2. Teoria de les reaccions químiques:

Per tal que es produeixi una reacció química és necessari que el xoc entre les molècules sigui eficaç, per això és necessari que:

1. Les molècules reaccionants tenguin suficient energia ( cinètica)2. Les molècules col·lisionin amb la orinetació adequada.

2.1 Teoria de col·lisions

5

2.2 Teoria de l’estat de transició:

Aquesta teoria admet que la reacció té lloc mitjançant unpas previ de formació d’un complex molecular, en el qual es comencen a rompre els enllaços dels reactius i s’inicia la f o r m a c i ó d e l s e n l l a ç o s d e l s productes. Aquest estat és l’estat de transició i l’agregat molecular el complex activat

6

3. Equacions químiques:

Una equació química representa una reacció química. En aquesta apareixen els reactius i els productes, amb els respectius coeficients estequiomètrics i l’estat en que estroben entre parèntesi.

2 Mg(s) + O2(g) → 2 MgO(s)

- El símbol més (+) s’empra per separar reactius i productes i s’interpreta com “i”.

-Reactius i productes es separen mitjançant una fletxa que indica el procés químic. lLa fletxa significa “reacciona/en per donar”.

7

En una reacció química, sempre s’ha de complir al llei de Lavoisier (llei de Conservació de la massa), segons la qual, el nombre d’àtoms de cada element ha de romandre constant.

Per això, utilitzem els coeficients estequiomètrics (nombres que es col·loquen davant dels compostos o elements que intervenen en la reacció).

H2(g) + O2(g) → H2O(g)

Exemple:

Mai s’han de modificar els subíndexs que indiquen la composició química d’un reactiu o producte

L’ajust de l’equació es pot fer per:-tampteig-sistema d’equacions

8

Mg# CO2# MgO# C#8# 4# 8# 4#+#+

Mg# CO2# MgO# C#24# 12# 24# 12#+#+

La reacció es pot ajustar de vàries maneres, però fixau-vos que un cas és el “triple” de l’altre. Es preferible escriure la reacció ajustada amb la relació més senzilla

9

Interpretació de l’equació química:

Nivell microscòpic

2 molècules d’hidrogen

1 molècula d’oxigen

2 molècules d’aigua

nivell macroscòpic

2 mols d’hidrogen

1 mol d’oxigen 2 mols daigua

massa 4 grams d’hidrogen

32 grams d’oxigen 36 grams d’aigua

Es compleix la llei de conservació de la

massa

10

11

4. Càlculs estequiomètrics:Estequio=element

metria=mesura

L’estequiometria es la part de la química que s’ocupa d’establir relacions ponderals en les transformacions químiques.

És una eina bàsica per determinar per exemple el calci present en una mostra d’aigua, colesterol en la sang, òxids de nitrògen en l’atmosfera...

Quan disposem de l’equació química ajustada, podem realitzar càlculs que relacionen les quantitats (mols,grams,litres ) de reactius entre si, productes entre si o de reactius i productes. Aquests càlculs poden ser de:-massa-massa-massa-volum-volum-volum

12

Exemple càlcul massa-massa:

Es fan reaccionar 10 g d’hidrogen gas amb la quantitat necessària d’oxigen molecular per tal de sintetitzar aigua. Calculeu estequiomètricament:a) la quantitat d’oxigen necessària,b) la quantitat d’aigua obtinguda.Dades: M (H) = 1; M (O) = 16

1. Ajustar l’equació

2. Realitzar els càlculs a pratir de la relació estequiomètrica:

13

Exemple càlcul massa-massa:Quina quantitat de nitrit d’amoni caldrà descompondre, escalfant, per tal d’obtenir 5,0dm3 de nitrogen, mesurat en condicions normals de pressió i temperatura?I si es varien les condicions a 20 ºC i 750 mmHg de pressió?Dades: M (H) = 1; M (O) = 16; M (N) = 14, R = 0,082 atm·l·K-1·mol-1

14

4.1 Reactiu limitant i en excés

Generalment, les reaccions finalitzen en acabar-se almenys un dels reactius.- Exceptuant algunes reaccions (reversibles) que s’estudiaran més endavant.

Per exemple, en la reacció de combustió de la gasolina d’un cotxe:

la reacció s’acaba quan ja no queda gasolina, ja que l’oxigen està en abundància en l’atmosfera i no limita cap reacció de combustió si es realitza a l’aire lliure.

15

Així doncs, quan les reaccions químiques tenen més d’un reactiu, la substància reaccionant que s’acaba primer és el reactiu limitant perquè determina la fi de la reacció. L’altra o les altres substàncies reaccionants, que no s’esgoten en el transcurs de la reacció, són els reactius en excés.El mètode general utilitzat per resoldre els exercicis teòrics o pràctics és igual al que s’ha fet servir fins ara. Únicament caldrà tenir en compte, en l’inici dels càlculs estequiomètrics, quina és la substància que s’exhaureix abans –reactiu limitant–.

16

Es fan reaccionar 100 g d’hidròxid de sodi amb 150 g d’àcid clorhídric.Calculeu la quantitat de clorur de sodi que s’obté.Dades: M (H) = 1; M (O) = 16; M (Na) = 23; M (Cl) = 35,5

Exemple

17

4.1 Rendiment d’una reaccióQuan es planeja una experimentació en un laboratori o en una indústria es realitzen, en primer lloc, uns càlculs teòrics respecte a la quantitat de producte que s’espera produir o respecte a la quantitat de reactiu que es preveu necessitar; tot seguit, es passa a l’experimentació pròpiament dita.

Difícilment la pràctica coincideix amb la teoria i el que succeeix habitualment és que s’obté menys producte o es necessita més reactiu del que s’havia previst inicialment en les càlculs teòrics. Això és degut al fet que no existeix una conversió total dels reactius en els productes desitjats. Els motius més importants d’aquesta transformació parcial són:

-que es produeixen reaccions secundàries per donar altres productes no desitjats,-que hi hagi impureses als reactius,-que la reacció sigui d’equilibri,-que es donin pèrdues en el procés de separació del producte de la mescla de lareacció.

18

L’eficiència d’una reacció química es mesura calculant el seu rendiment,, que es pot definir com:

on: la massa real és la que s’obté al final de l’experimentació,la massa teòrica és la que surt d’aplicar els càlculs estequiomètrics a la reacció,

El N2O, anomenat gas hilarant, causa histèria i inconsciència quan s’inhala. S’utilitza, en algunes ocasions, per anestèsies de curta durada. Aquest gas s’obté a partir de la reacció de descomposició:NH4NO3 →2H2O+N2OCalculeu la massa d’òxid de dinitrogen produïda a partir de 10 g de nitratd’amoni si el rendiment màssic de la reacció és del 98 %.

Exemple:

19

→ Normalment la puresa del reactiu queda reflectida en l’etiqueta del compost en forma de tant per cent en pes. Per exemple, carbur de calci 75 %.

Un altre cas es troba en les menes, que són minerals que s’utilitzen com a primera matèria per tal d’extreure’n algun metall.→ Per exemple, la galena és una mena del plom on el mineral que s’usa és el sulfur de plom (II), PbS, d’una puresa aproximada del 80 %. Altres exemples són la pirita (mena del ferro) i la bauxita (mena de l’alumini).

Els problemes en què els reactius no són purs no tenen més complicació que la de tenir cura de convertir la quantitat inicial impura en pura, perquè l’única part que reacciona és aquesta. Això es realitza aplicant el tant per cent en pes en el corresponent factor de conversió.

La majoria dels reactius comercials no són purs, és a dir, no són del 100 % en el compost. Les anomenades impureses, productes barrejats amb la substància principal, són presents habitualment en aquests reactius i cal tenir-les en compte a l’hora de planificar un exercici o una pràctica de laboratori.

20

L’acetilè (etí) és un gas que s’obté deixant gotejar aigua sobre carbur de calci (CaC2). Quin volum d’acetilè, a 740 mmHg i 30 oC, s’ha obtingut en reaccionar amb aigua mig quilo de carbur de calci de puresa del 90 %?

Exemple:

21

5. Tipus de reaccions:Depenenet de la naturalesa del reactius, podem tenir diferents tipus de reaccions químiques.

5.1 Reaccions àcid-baseEn primer lloc, anem a veure que són els àcids i les bases:

Propietats empíriques dels àcids:

-gust agre-corrosius-produeixen hidrogen quan reaccionen amb metalls-reaccionen amb carbonats fomant CO2

-tornen vermell el paper de tornasol-perden les seves propietats quan reaccionen amb bases.

22

Propietats empíriques de les bases:

- gust amarg-corrosius-tornen blau- verd el paper de tronasol-perden les seves propietats quan reaccionen amb àcids

Els àcids i les bases són electròlits, ja que són substàncies que en dissolució aquosa es separen en ions que condueixen el corrent elèctric.

http://phet.colorado.edu/en/simulation/acid-base-solutions

23

Teoria d’Arrhenius

Àcid: tot electròlit que en dissolució aquosa es dissocia i allibera ions hidrogen

Base: tot electròlit que en dissolució aquosa es dissocia i allibera ions hidròxid

24

Força relativa d’àcids i basesUn àcid o una base són forts quna esn dissolució aquosa es dissocien totalment. Per altra banda, un àcid o una base són febles quan es dissocien parcialment

Àcid fort:

Base forta:

Àcid feble:

Base feble:

25

Escala de pH

26

Concepte de pHEl pH ens permet calcular el grau d’acidesa o basicitat d’una dissolució. Es pot calcular a partir de la concentració de ions hidroni

Reaccions de neutralitzacióSón aquelles en que un àcid reacciona amb una base, i es neutralitzen, perden les seves propietats. En totes elles els productes sempre són sal i agua

27

Volumetries àcid-base

Permeten determinar la concentració de l’àcid o la base que conté una dissolució.El seu fonament químic és la neutralització.Per conèixer le punt final de la reacció s’hi afageix un indicador. Aquest varia de color depenent del pH del medi

28

5.2 Reaccions de precipitació

Les Reaccions de Precipitació es produeixen quan es combinen determinats anions i cations obtenint-se com a producte un sòlid insoluble que rep el nom de precipitat.

Les reaccions de precipitació s’utilitzen per determinar la presència de determinats tipus de ions dels quals sabem que les seves sals no són solubles.

AgNO3(aq)  +  NaI(aq)                                                AgI(s)  +  NaNO3(aq)Exemple

Però com són electròlits forts, estan totalment dissociats i tenim

Ag+(aq)+  NO3-­‐  (aq)+  Na+(aq)+  I-­‐(aq)                              AgI(s)+  Na+(aq)+  NO3-­‐(aq)

ions espectador, no participen en la reacció

29

Solubilitat de sals

30

Hi haurà precipitat si mesclem les següents solucions aquoses?

AgNO3 + KBr ??

Ag+(aq)+  NO3-­‐(aq)+  K+(aq)  +  Br-­‐  (aq)                                  NO3-­‐(aq)+  K+(aq)  +  AgBr  (s)

Si les posem en forma iònica, obtenim:

El bromur de plata és insoluble i per tant, en resum tenim:

Ag+(aq)+  Br-­‐(aq)                                              AgBr  (s)

31

5.3 Reaccions redoxSón reaccions en què hi ha elements que al passar de reactius a productes canvien el seu Estat d’Oxidació. Per exemple, el ferro es treu d’un mineral molt ric en aquest element, que és l’hematites, Fe2O3, la reacció és la següent:

El  ferro  ha  passat  de  +3  a  0,  llavors  direm  que  el  ferro  s’ha  REDUÏT.El  carboni  ha  passat  de  +2  a  +4,  llavors  direm  que  el  carboni  s’ha  OXIDAT.

L’estat d’oxidació dels elements en els reactius són: Fe= +3 ; C=+2 i O=-2

En els productes els estats d’oxidació són: Fe= 0 ; C=+4 i O=-2

32

Semireaccions d’oxidació i reducció

Un dels casos més espectaculars de les reaccions redox és la que es produeix entre el coure i el zinc. Suposem que tenim una solució de sulfat de coure II, CuSO4, al que submergim una barra de zinc sòlid, Zn. Llavors es produeix la següent RQ:

Cu2+  (aq)+  SO42-­‐  (aq)+  Zn(s)                                Zn+2(aq)+  SO42-­‐  (aq)+  Cu  (s)

Aquesta reacció, en realitat és la suma de dues SEMIREACCIONS:La reducció: Cu2+(aq) + 2 e Cu(s)L’oxidació: Zn(s) Zn+2(aq) + 2 e

Aquestes dues semireaccions sumades donen la primera reacció. El ió sulfat tan sols és un espectador de la RQ.

33

OXIDACIÓ:  Direm  que  un  element  s’oxida  quan  el  seu  nombre  d’oxidació  augmenta.  És  a  dir,  deixa  anar  electrons,  per  tant  han  d'aparèixer  en  el  costat  dret  de  la  semireacció.L’espècie  que  s’oxida  actua  com  a  reductor.

REDUCCIÓ:  Direm  que  un  element  es  redueix  quan  el  seu  nombre  d’oxidació  disminueix.  És  a  dir  ,  capta  electrons  i  aquests  han  d’estar  al  costat  esquerra  de  la  semireaccióL’espècie  que  es  redueix  actua  com  oxidant

34

Tota reacció química va sempre acompanyada d’un intercanvi energètic. Quan la reacció desprèn energia es diu que és exotèrmica. Quan la reacció química capta energia es diu que és endotèrmica.

Reaccions endotèrmiques i exotèrmiques.

Quan escrivim una determinada equació química podem escriure, a més dels reactius i dels productes, l’energia que cedeix o rep del seu entorn com a resultat de la reacció química. Aquesta energia rep el nom de calor de reacció. Així podríem escriure: Síntesi de l’aigua: 2 H2 + O2 -> 2 H2O + 115,6 kcal Això vol dir que quan es forma aigua a partir dels seus elements es desprenen 115,6 kcal i la reacció és exotèrmica. En aquest cas el sistema perd energia i direm que la clor de reacció “Qre” és negativa: Qre = - 115,6 kcal.

6. Energia de les reaccions químiques

35

Descomposició de l’aigua:

2 H2O + 115,6 kcal -> 2 H2 + O2 En aquest segon cas la reacció és endotèrmica i guanya energia. En aquest cas direm que la calor de reacció és positiva: Qre = 115,6 kcal.Podem observar que la quantitat d’energia que es desprèn en la formació de l’aigua és la mateixa que hem de donar per aconseguir la seva formació a partir dels seus elements.

36

7. Factors que influeixen en la velocitat de reacció:

La velocitat d’una reacció, depèn de:

1. la concentració dels reactius:

Un augment en la concentració, implica més probabilitat de xocs i per tant un augment de la velocitat de reacció

37

2. Grau de divisió dels reactius

Com més superfície de contacte hi hagi, més ràpida serà la reacció

3. Temperatura

Generalment, un augment de la temperatura implica una major velocitat de reacció. Això es deu a que la temperatura fa augmentar l’energia cinètica de les partícules, per tant major velocitat i més probabilitat de xocs.

38

3. Catalitzadors

Els catalitzadors són substàncies que modifiquen la velocitat sense consumir-se en la reacció. Això es deu a que fan disminuir l’energia d’activació

L’energia d’activació , és l’energia addicional que han d’absorbir les molècules dels reactius, perquè, en xocar formin el complex activat. Com més gran sigui Ea, més lenta serà la reacció.

Els catalitzadors,subministren nous camins pels quals es pot produir la reacció amb una energia d ’act ivació menor (augment de la velocitat)

39