Los tipos de reacciones químicas son la clasificación de la forma en cómo las sustancias que se mezclan reaccionan entre sí. Las reacciones químicas se producen cuando las sustancias químicas entran en contacto (reactantes) y sus átomos y enlaces se organizan en nuevas sustancias (productos).
Según una clasificación general de las reacciones químicas, se describen tres tipos:
- Reacciones de precipitación.
- Reacciones ácido-base o de neutralización.
- Reacciones de oxidación-reducción.
Reacciones de precipitación
Cuando dos soluciones se mezclan y se forma un compuesto sólido insoluble en agua, que cae o "precipita", estamos en presencia de una reacción de precipitación. El sólido formado se llama precipitado.
Cuando el cromato de potasio y el nitrato de bario se disuelven en agua, ambos compuestos se separan en sus iones componentes:
En solución acuosa (ac), cuando el ión bario Ba2+ se encuentra con el ión cromato CrO2-4 se forma cromato de bario sólido (s) que no es soluble en agua:
La ecuación general para esta reacción de precipitación usando la fórmula de los reactantes y los productos es:
Reglas de formación de precipitados
Para predecir la identidad y la formación del producto sólido debemos seguir ciertas reglas:
- El compuesto sólido debe tener carga igual a cero. Por eso, dos aniones o iones con carga negativa no pueden combinarse, así como dos cationes o iones con carga positiva.
- Para que el compuesto no tenga carga, debe combinarse un catión y un anión que compensen sus cargas entre sí.
- La mayoría de las sales de nitrato NO3- son solubles.
- La mayoría de las sales que contienen iones metales alcalinos (Li+, Na+, K+, Cs+, Rb+) y el ión amonio (NH+4) son solubles.
- La mayoría de las sales con cloro, bromo o iodo son solubles, excepto cuando están presentes los iones plata Ag+, plomo Pb2+, y mercurio Hg 2+.
- La mayoría de las sales de sulfato SO42- son solubles, excepto el sulfato de bario BaSO42-, el sulfato de plomo PbSO42-, el sulfato de mercurio Hg2 SO42- y el sulfato de calcio CaSO42-.
- Los hidróxidos solubles son el hidróxido de sodio NaOH y el hidróxido de potasio KOH. Los compuestos medianamente solubles son el hidróxido de bario Ba(OH)2, hidróxido de estroncio Sr(OH)2 y el hidróxido de calcio Ca(OH)2.
- La mayoría de los sulfuros S2+, carbonatos CO32+, cromatos CrO42- y fosfatos PO42- son ligeramente solubles, con excepción de las sales con los iones de la regla 4.
Soluble | Insoluble |
---|---|
Sales de nitrato. | Los sulfuros S2+, carbonatos CO32+, cromatos CrO42- y fosfatos PO42- (excepto con iones de metales alcalinos y amonio). |
Compuestos con iones metales alcalinos (Li+, Na+, K+, Cs+, Rb+) y el ión amonio (NH+4) | Todos los óxidos (excepto los que se forman con Ca, Ba, y cationes de metales alcalinos). |
NaOH, KOH | Ba(OH)2, Sr(OH)2 y Ca(OH)2 |
Cloruro, bromuros y ioduros. | Cloruros, bromuros y ioduros con Ag+, Pb2+, y Hg 2+ |
Ejemplo de formación de precipitados
Cuando una solución acuosa de nitrato de plata se adiciona a una solución acuosa de cloruro de potasio, se produce un sólido blanco. En la solución se encuentran los siguientes iones:
Por las reglas de formación de precipitado:
- el catión plata se puede combinar con un anión (nitrato o cloruro), y
- el catión potasio se puede combinar con un anión (cloruro o nitrato).
Las opciones que tenemos son entonces:
- AgNO3 (presente en la solución).
- AgCl.
- KCl (presente en la solución).
- KNO3.
Los compuestos nuevos son AgCl y KNO3. Siguiendo las reglas, sabemos que el KNO3 es una sal de nitrato de un metal alcalino, por lo que es soluble en agua. Luego, la sal de cloruro de plata es insoluble y es el sólido que precipita que vemos en esta reacción.
Remoción de agentes contaminantes
Las aguas provenientes de algunas industrias contienen contaminantes en altas concentraciones, como hierro, cromo, cadmio, plomo y arsénico, que resultan tóxicos para los seres vivos.
Por medio de reacciones de precipitación, se pueden formar sales insolubles y atrapar estos agentes tóxicos de las aguas contaminadas. Por ejemplo, el ioduro de sodio es una sal soluble que actúa como agente precipitante. En presencia de iones de plata o plomo, el ión ioduro forma sales que precipitan:
La reacción del ión iodo con plomo produce un precipitado amarillo, que sirve para detectar la presencia de plomo en aguas contaminadas.
Reacciones ácido-base
Un ácido es una sustancia que produce iones H+ cuando se disuelve en agua (donador de protones). Una base es una sustancia que produce iones hidroxilo OH- o acepta iones H+ cuando se disuelve en agua (aceptor de protones).
Las reacciones ácido-base también son llamadas reacciones de neutralización. Esto quiere decir que cuando se adiciona suficiente base para reaccionar exactamente con el ácido en la solución, se dice que el ácido se neutralizó.
Cuando se combina una solución acuosa de ácido clorhídrico (HCl) y una solución acuosa de hidróxido de sodio (NaOH), tendremos una mezcla con los siguientes iones: H+, Cl-, Na+ y OH-:
El cloruro de sodio NaCl es soluble en agua y no se produce precipitado. Por otro lado, el agua H2O no es un electrolito, por lo que los iones H+ y OH- reaccionan para formar agua líquida (l):
El ión hidróxido es una base fuerte que acepta H+ para formar agua.
Reglas para determinar reacciones ácido-base
- Identificar las especies presentes en la solución combinada.
- Cuando entre las especies iónicas que se producen al disolver las sustancias están los iones H+ y OH-, habrá formación de agua.
Por ejemplo, si mezclamos HNO3 y KOH, las especies presentes en la solución serán:
Entre los iones se encuentran H+ y OH-, por lo que esta reacción será ácido-base. También se encuentra el nitrato de potasio, que sabemos es soluble en agua por las reglas de precipitación.
Titulaciones ácido-base
La titulación es una técnica para medir la concentración de una solución. Consiste en colocar en una bureta una solución de un ácido o una base fuerte, de concentración conocida, y añadirla a la otra solución.
La titulación ácido-base involucra la reacción del ácido (o base) fuerte para reaccionar con una base (o ácido) hasta un punto donde la reacción es completa. Este punto se determina en presencia de un indicador como la fenolftaleina, que es incolora en soluciones ácidas y rosada en una solución básica.
Ejemplos de reacciones ácido-base
Acidez del agua de lluvia
Al llover, el agua de lluvia disuelve gases de la atmósfera, como el dióxido de carbono, CO2, con la formación de un ácido débil como el ácido carbónico:
A su vez, el ácido carbónico se ioniza en medio acuoso:
En regiones no contaminadas, el agua de lluvia tiene un pH cercano a 5,6, lo que le otorga un carácter ligeramente ácido debido a la disolución de CO2 de la atmósfera.
Contaminantes atmosféricos y la lluvia ácida
El término "lluvia ácida" se aplica a la lluvia con pH menor a 5,6. El pH del agua pura es 7, pero como producto de la contaminación atmosférica, el agua de lluvia se acidifica. Las erupciones volcánicas y las industrias que procesan combustibles fósiles liberan óxidos de nitrógeno y azufre que reaccionan con el agua formando los respectivos ácidos:
Huevos de goma
La cáscara de los huevos está formada por carbonato de calcio (CaCO3). El vinagre es una solución de ácido acético (un ácido débil). Cuando sumergimos un huevo en vinagre, el carbonato de calcio reacciona con el vinagre, disolviendo la cáscara:
En esta reacción, se libera el dióxido de carbono y el huevo queda como si fuera de goma.
Vea también Ácidos.
Reacciones de oxidación-reducción
Las reacciones donde hay transferencia de electrones entre los reaccionantes se denominan reacciones de oxido-reducción o redox:
- oxidación: transformación química en la cual una especie química cede electrones. Por ejemplo, la oxidación de hierro:
- Reducción: transformación química en la cual una especie química gana electrones. Por ejemplo, la reducción del oxígeno:
El hierro Fe y el oxígeno O2 reaccionan formando óxido de hierro(III):
En esta reacción el hierro Fe le transfiere electrones e-<.sub> al oxígeno O2 para formar el óxido de hierro (III), Fe2O3.
Especie oxidada y especie reducida
En las reacciones de oxidación-reducción siempre hay dos especies químicas:
- una especie oxidada, que experimenta oxidación, es decir, cede electrones;
- una especie reducida que experimenta reducción, es decir, recibe electrones.
En el caso de la oxidación del hierro, la especie oxidada es el hierro Fe y la especie reducida es el oxígeno O2.
Oxidante y reductor
Un agente oxidante es aquel que recibe electrones mientras que el agente reductor es el que aporta los electrones.
En la reacción entre el zinc (Zn) y el ión cobre (Cu2+), el Zn es el reductor (especie oxidada) que aporta los electrones y el Cu2+ es el oxidante (especie reducida) que recibe los electrones.
Un agente oxidante se reduce y un agente reductor es oxidado en una reacción redox.
Ejemplos de reacciones de oxidación-reducción
Formación de cloruro de sodio
La sal común o cloruro de sodio NaCl se forma por la reacción del sodio Na y el gas cloro Cl2:
En esta reacción, el sodio sólido, con átomos de sodio de carga neutra, reacciona con moléculas de cloro diatómicas, para formar el sólido iónico NaCl, que contienen iones Na+ y Cl-. En este caso, el Na es el agente reductor o la especie oxidada porque aporta su electrón y el Cl2 es el agente oxidante o la especie reducida porque gana los electrones.
Combustión del metano
En la reacción de combustión del metano se produce una reacción de oxidación-reducción;
En esta reacción no hay compuestos iónicos pero igual se puede describir la transferencia de electrones. El carbono C experimenta un cambio en su estado de oxidación de -4 in CH4 a +4 en CO2:
Por otro lado, el oxígeno cambia de estado de oxidación de 0 en O2 a -2 en el agua y CO2, con una ganancia de dos electrones por átomo:
En esta reacción el agente reductor es el metano CH4 que es el compuesto completo, y el agente oxidante es el oxígeno O2. El hidrógeno no cambia su estado de oxidación y no participa en el proceso de transferencia de electrones.
Metalurgia
La metalurgia es el proceso de extraer un metal a partir de minerales. En la metalurgia de la galena PbS, un mineral compuesto de plomo y azufre, se realizan varias reacciones de oxidación-reducción para poder extraer el plomo.
En una primera reacción, el sulfuro de plomo reacciona con el oxígeno:
El estado de oxidación para el azufre aumenta de -2 a +4. Asi, el azufre se oxida. El estado de oxidación para el oxígeno disminuye de cero a -2, con lo cual se reduce. Entonces el agente oxidante que acepta los electrones es el O2, y el agente reductor que es el que dona electrones es el sulfuro de plomo PbS.
En una segunda reacción, el óxido de plomo reacciona con el monóxido de carbono para producir el metal libre:
El plomo se reduce, su estado de oxidación disminuye de +2 a 0, y el carbono se oxida porque su estado de oxidación aumenta de +2 a +4. El agente oxidante es entonces el PbO y el agente reductor es el CO.
Vea también Reacciones químicas.
Referencia
Zumdahl, S. S., Zumdahl, S.A. Chemistry. 9na ed. 2014. Brooks/Cole