Inorganicos

4.2 Reacciones químicas de los Compuestos Inorgánicos

Reacción química, proceso en el que una o más sustancias —los reactivos— se transforman en otras sustancias diferentes —los productos de la reacción. Un ejemplo de reacción química es la formación de óxido de hierro producida al reaccionar el oxígeno del aire con el hierro.

4.2.1 Combinación

Es un fenómeno químico, y a partir de dos o más sustancias se puede obtener otra (u otras) con propiededes diferentes. Para que tenga lugar, debemos agregar las sustancias a combinar en cantidades perfectamente definidas, y para producirse efectivamente la combinación se necesitará liberar o absorver calor (intercambio de energía).

Ejemplos: una cierta cantidad de cobre reaccionará con el oxígeno del aire cuando se le acerque la llama de un mechero, entonces se combinan el cobre y oxígeno, gracias a la energía proporcionada por el calor de la llama del mechero.

4.2.2 Descomposición

Es un fenómeno químico, y a partir de una sustancia compuesta (formada por 2 ó más átomos), puedo obtener 2 ó más sustancias con diferentes propiedades.

Ejemplos: al calentar óxido de mercurio, puedo obtener oxígeno y mercurio; puedo hacer reaccionar el dicromato de amonio para obtener nitrógeno, óxido crómico y agua.

4.2.3 Sustitución

Reacción química en la que un átomo o un grupo de átomos es sustituido por otros átomos o grupos de átomos. Las reacciones de sustitución son muy frecuentes en química orgánica, y se clasifican según su mecanismo. Una sustitución radical (SR) transcurre a través de etapas intermedias en las que existen radicales libres. Un ejemplo es la cloración del metano:

CH4 + Cl2 ! CH3Cl + HCl

Las sustituciones nucleófilas (SN) son aquellas en las que la reacción se produce a través de moléculas que poseen un par de electrones disponibles (reactivos nucleófilos), por ejemplo OH- o Br-. Dentro de éstas se distingue entre las sustituciones monomoleculares (SN1) y las bimoleculares (SN2). En las reacciones SN1, inicialmente tiene lugar una etapa lenta en la que se rompe un enlace y se forma un ion carbonio positivo sobre el que actúa, en una etapa rápida posterior, el nucleófilo:

En las reacciones SN2, la formación del nuevo enlace y la ruptura del antiguo se producen simultáneamente, en un estado transitorio de cinco enlaces:

La diferencia entre ambas reacciones es que la reacción SN1 da lugar a dos productos diferentes debido a que, en la etapa lenta, el ion carbonio que se forma es plano, y susceptible de ser atacado por uno u otro lado. En las reacciones SN2, el nucleófilo se une siempre por la parte opuesta a la que ocupa el sustituyente que se pierde (lo que implica la inversión de la configuración del átomo de carbono en el que éste estaba) y por tanto sólo surge un producto.

Otro tipo de reacción es el de las sustituciones electrófilas (SE). En ellas, una especie activa cargada positivamente (reactivo electrófilo), por ejemplo HSO3+, actúa sobre moléculas ricas en electrones, como los hidrocarburos aromáticos. Un ejemplo es la sulfonación del benceno:

C6H6 + H2SO4 ! C6H5SO3H + H2O

Eligiendo los compuestos de partida y las condiciones de reacción (temperatura, disolvente) se puede controlar en gran medida el mecanismo por el que tiene lugar la sustitución.

4.2.4 Neutralización

Reacción de un ácido y una base para formar sal y agua.

Cuando se combina una disolución acuosa de un ácido con otra de una base, tiene lugar una reacción de neutralización. Esta reacción en la que, generalmente, se forman agua y sal, es muy rápida. Así, el ácido sulfúrico y el hidróxido de sodio NaOH, producen agua y sulfato de sodio:

H2SO4 + 2NaOH!2H2O + Na2SO4

4.2.5 Oxido-Reducción

Reacción química correspondiente a la acción de un cuerpo oxidante sobre un cuerpo reductor, que da lugar a la reducción del oxidante y a la oxidación del reductor.

OXIDANTE Y REDUCTOR

Una disolución acuosa de iones Cu2+ es azul. Si se le añaden limaduras de hierro (Fe), se comprueba que el color azul desaparece: los iones Cu2+ han reaccionado. Por otra parte, en la disolución se forman iones Fe2+, lo que se manifiesta por el precipitado verdoso que forman en presencia de sosa. También se observa que el hierro queda recubierto por un depósito rojo. Efectivamente, se forma cobre metálico, Cu. El balance de la reacción es el siguiente:

Fe + Cu2+ ! Fe2++ Cu

El hierro ha sido oxidado por los iones Cu2+, que a su vez han sido reducidos por el hierro. La reacción anterior es una reacción de oxidación-reducción (o reacción redox) en la que el hierro es el reductor y el cobre el oxidante.

La reacción es de hecho la suma de las dos semirreacciones siguientes:

Oxidación: Fe ! Fe2+ + 2e-

Reducción: Cu2+ + 2e- ! Cu

Por tanto, la oxidación de un cuerpo corresponde a una pérdida de electrones y la reducción corresponde a una ganancia de electrones. Un oxidante (en este caso los iones Cu2+) es una sustancia susceptible de captar uno o varios electrones; un reductor (en este caso el hierro) cede fácilmente uno o varios electrones.

Si se designa el oxidante por Ox, el reductor por Red y el número de electrones implicados por n, las semirreacciones pueden escribirse del modo siguiente:

PAR REDOX

A cualquier oxidante de un tipo se le puede asociar un reductor del mismo tipo, y viceversa: de este modo se define un llamado `par redox', que se designa por Ox/Red. Una reacción de oxidación-reducción es un intercambio de electrones entre el oxidante de un par redox y el reductor de otro par. Se puede observar que este tipo de reacción es análoga a las reacciones ácido-base, que corresponden a un intercambio de protones entre la base de un par ácido-base y el ácido de otro par (véase Ácidos y bases).

Consideremos dos pares redox designados como Ox1/Red1 y Ox2/Red2. Si se sabe que el oxidante Ox1 reacciona con el reductor Red2, se producirán las siguientes semireacciones:

Ox1 + n1e- ! Red1

Red2 ! Ox2 + n2e-

con el siguiente balance final:

n2Ox1 + n1Red2 ! n2Red1 + n1Ox2

(Se ha multiplicado la primera ecuación por n2 y la segunda por n1 para que el número de electrones intercambiados en ambas semirreacciones sea el mismo.)

NÚMERO DE OXIDACIÓN

En la medida en que cada especie puede existir en una forma más o menos oxidada, es posible definir un `número de oxidación' para caracterizar la forma que se está considerando. Cuanto más elevado es el número, más oxidada está la forma.

En los cuerpos simples, el número de oxidación corresponde a la carga del elemento químico. Así, el hierro puede existir en su forma reducida, el hierro metálico Fe (número de oxidación 0), o en dos formas oxidadas, los iones Fe2+ (número de oxidación ii) y Fe3+ (número de oxidación iii). En casos más complejos, el número de oxidación está ligado a la valencia del elemento químico considerado.

Cuando un cuerpo se oxida, aumenta su número de oxidación; cuando se reduce, disminuye. Por tanto, un oxidante es un compuesto cuyo número de oxidación puede disminuir, mientras que un reductor es una sustancia cuyo número de oxidación puede aumentar.

PREVISIÓN DE LAS REACCIONES

Un par redox está caracterizado por un potencial normal de electrodo, E0, que, según la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC), es su potencial de reducción, es decir, el que corresponde a la semirreacción:

Ox + ne- ! Red

Así, los pares redox se ordenan según el valor de su potencial normal de reducción: cuanto más elevado es el potencial, mayor es el poder oxidante de la forma oxidada.

En disolución, cuando hay dos pares redox Ox1/Red1 y Ox2/Red2 con potenciales normales respectivos E01 y E02, si E01>E02 la reacción que se produce es:

n2Ox1 + n1Red2 ! n2Red1 + n1Ox2

Balance de las semirreacciones siguientes:

Ox1 + n1e- ! Red1

Red2 ! Ox2 + n2e-

Es necesario comparar los potenciales de electrodo para prever termodinámicamente el sentido de la reacción de oxidación-reducción. Sin embargo, aunque la termodinámica permite predecir en qué sentido tendrán lugar las reacciones de oxidación-reducción cuando están presentes varios pares redox, no puede prever la cinética de dichas reacciones. De hecho, algunas reacciones termodinámicamente posibles no tienen lugar en la práctica porque son demasiado lentas.

4.3 Impacto Económico y ambiental de los compuestos químicos orgánicos e inorgánicos.

4.3.1 Aplicaciones de las reacciones químicas en procesos industriales de control de contaminación ambiental, etc.

Las reacciones de oxidación-reducción son muy frecuentes en la industria: constituyen el principio de funcionamiento de las pilas eléctricas y se emplean para refinar electroquímicamente determinados metales. En la naturaleza, intervienen en la respiración celular y la fotosíntesis.

La electrólisis de las disoluciones salinas es una reacción de oxidación-reducción: se produce oxidación en el ánodo

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