Tema 2. La reacció química (I).

1. CONCEPTES INICIALS

1.1.- ELS CANVIS FÍSICS I ELS CANVIS QUÍMICS. LA REACCIÓ QUÍMICA. 

Ja vas estudiar que els canvis físics no impliquen la modificació de la naturalesa de les substàncies que experimenten la transformació.
En canvi, als canvis químics, es produeixen noves substàncies que no existien abans del canvi i poden desaparèixer de les que ja hi havia.
També ho pots veure més clar al video següent:

També podràs veure'l, fent click aquí.

A continuació tens dos enllaços web amb exercicis i exemples per diferenciar un i altre tipus de canvis:

1) En aquest primer exercici podràs diferenciar entre un tipus i un altre. Fes click aquí.

2) Et presentem un altre exercici que et permetrà diferenciar-los. Fes click aquí.


En una transformació química, les substàncies que reaccionen s’anomenen reactius i les que s’obtenen productes. Els reactius i els productes tenen una fórmula química diferent.

Per tant, anomenem reacció química al canvi que es produeix quan algunes substàncies químiques es posen en contacte, es transformen i donen lloc a altres substàncies diferents.

Aquí us mostrem diferents tipus de reaccions químiques:

 

Reacció d'un metall amb HCl

Reacció de precipitació

Diferents tipus de reaccions químiques

Reacció de combustió del carbó

En aquest link trobaràs informació sobre algunes de les reaccions més comuns del nostre entorn (digestió, pluja àcida, la fotosíntesi, ... entre d'altres). Fes click aquí.

1.2.- LA TEORIA DE LES COL·LISIONS. 

Segons la teoria de les col·lisions, la reacció química té lloc quan les partícules dels reactius xoquen entre sí i es trenquen els enllaços que mantenen units els seus àtoms. Aquest àtoms lliures es reorganitzen i s’uneixen formant les noves substàncies: els productes. 

Per tal que es produeixi reacció química, cal que aquests xocs es produeixin amb energia suficient de manera que es puguin trencar i formar aquests enllaços químics.

Així mateix, en el xoc ha d'haver una orientació adequada perquè els enllaços que s'han de trencar i formar estiguin a una distància i posició viable. 

Un exemple seria la reacció de l’hidrogen (H2) amb l’oxigen (O2) per formar l’aigua ( H2O) 

Reacció de formació de l'aigua

1.3.- REACCIONS EXOTÈRMIQUES I ENDOTÈRMIQUES. 

El trencament i la formació d'enllaços que tenen lloc en les reaccions químiques fan que en gairebé totes es produeixi un intercanvi d'energia en forma de calor, és a dir, o bé desprenen o bé necessiten que escalfem les substàncies perquè es dugui a terme la reacció.

Les reaccions endotèrmiques necessiten energia per fer que els reactius es transformin en productes, mentre que les reaccions exotèrmiques produeixen energia en forma de calor al produir-se la reacció.

Exemple de reacció exotèrmica

Exemple de reacció endotèrmica

Variació d'energia que es produeix a mesura que transcorre la reacció

Fixa't al video següent com podem experimentar amb una reacció endotèrmica amb uns reactius molt comuns:

També pots veure el video fent click aquí.

A continuació et mostrem dos videos que t'ajudaran a entendre una mica millor aquests conceptes:

Video 1: Reacciones exotérmicas y endotérmicas. Autor: Rubén Sebastián. Pots veure'l aquí.

Video 2: Reacciones exotérmicas y endotérmicas. Autor: Ediciones SM. Pots veure'l aquí.

1.4.- VELOCITAT D'UNA REACCIÓ. FACTORS QUE INFLUEIXEN.

Què representa la velocitat d'una reacció química?

La velocitat d'una reacció química és la rapidesa amb què els reactius es transformen en productes.

Tenint en compte la Teoria de les col·lisions, la velocitat d'una reacció química depèn dels factors següents:

* La temperatura:

Quan puja la temperatura les substàncies reaccionen més ràpidament. Com més gran sigui la temperatura, més energia tindran els reactius i és més fàcil que es trenquin els enllaços entre els àtoms quan xoquen entre sí.

* La concentració:

En les dissolucions, l'augment de la concentració també determina un augment de la velocitat de reacció. Com més gran sigui la concentració dels reactius, més fàcil és que les partícules es trobin i puguin xocar entre sí.

* El grau de divisió:

Com més petits siguins els fragments dels reactius sòlids, més fàcil és que es produeixi el contacte de les seves partícules amb les partícules d'altres reactius. I si el sòlid és soluble, la reacció encara transcorrerà més ràpidament.

* La naturalesa dels reactius:

Hi ha reactius que reaccionen molt intensament entre ells, mentre que d'altres ni tan sols reaccionen.

* La presència de catalitzadors o d’inhibidors:

Els catalitzadors incrementen la velocitat mentre que els inhibidors la disminueixen. Tots ells, actuen en quantitats molt petites, són molt específics (només funcionen per determinades reaccions químiques) i no es consumeixen en la reacció. Els catalitzadors biològics es coneixen amb el nom d'enzims.

* El pH del medi:

Que el medi sigui àcid o bàsic també influeix en la velocitat de la reacció, sobretot si es produeix en presència d'un catalitzador. Els enzims presenten una eficàcia òptima en pH propers a la neutralitat.


Ara pots veure el video següent que et permetrà recopilar la majoria de conceptes que hem vist fins ara i entendre'ls una mica millor:

També podràs veure'l fent click aquí.

A continuació tens un link que et permetrà practicar amb casos pràctics, aquests factors que acabem d'anomenar. Fes click aquí.

1.5.- TIPUS DE REACCIONS QUÍMIQUES. 

Hi ha diferents classificacions dels diferents tipus de reaccions químiques. Malgrat tot, els diferents tipus de reaccions químiques que nosaltres estudiarem són les següents: 

1.5.1.- Reaccions de síntesi:

Són aquelles en les quals es forma una substància a partir de dos o més reactius.

Ex: Reacció entre sofre i fero per formar sulfur de ferro (II).

Fe (s)  + S (s) →   FeS (s)

1.5.2.- Reaccions de descomposició:

Són aquelles en les quals una substància es descompon en unes altres de més senzilles.

Ex: Reacció de descomposició electrolítica de l'aigua que permet obtenir oxigen i hidrogen en estat gasós

2 H₂O(l) → 2 H₂(g) + O₂(g)

1.5.3.- Reaccions de desplaçament:

Són aquelles en les quals un element es desprèn d'un altre i el substitueix en aquest compost.

Ex: Reacció en la que el ferro desplaça el coure d'una dissolució de sulfat de coure (II) i l'allibera en forma de coure metàl.lic. 

Fe (s) + CuSO₄ (aq) → Cu(s) + FeSO₄

1.5.4.- Reaccions de doble desplaçament:

Són aquelles en les quals els àtoms o ions components de les subtàncies que reacciones s'hi intercanvien la posició en aquestes substàncies.

Ex: 

2 KI (aq) + Pb(NO₃)₂ (aq) → 2 KNO₃ (aq)+ PbI₂ (s)

1.5.5.- Reaccions de combustió:

Són aquelles en les que es crema el reactiu i allibera, en forma de producte, aigua i diòxid de carboni.

Ex: Reacció de combustió del metà.

1.6.- L'EQUACIÓ QUÍMICA I L'AJUST DE LES EQUACIONS QUÍMIQUES. 

Sabem que les reaccions químiques compleixen la Llei de conservació de la massa, segons la qual el nombre d'àtoms que intervenen a una reacció química ha de ser el mateix abans i després de la reacció, és a dir, ha de ser el mateix als reactius i als productes.

Per tant, ajustar una equació química és assignar a cada espècie química el coeficient adequat perquè en els dos membres (reactius i productes), hi hagi el mateix nombre d’àtoms de cada element.

Els coeficients són nombres que es col·loquen a l’esquerra d’aquestes i que indiquen el nombre de mols o molècules que són necessàries per realitzar la reacció.

Existeixen diferents mètodes per igualar les reaccions químiques. Els més coneguts són:

• el mètode de tempteig, que s'utilitza en equacions més senzilles i que consisteix en aplicar el mètode d'assaig-error.
• el mètode del sistema d'equacions, que s'usa en els casos en què és més complicat d'assignar els coeficients per tempteig. Consisteix a plantejar tantes equacions com àtoms tenim presents a la reacció.

Nosaltres, d'entrada, utilitzarem el mètode de tempteig per ajustar les nostres equacions.

Amb aquest mètode, davant de cada substància de la reacció es pot posar qualsevol nombre que creguem convenient d'acord amb la reacció. Els nombres han de ser els més petits possibles. Si no hi posem cap nombre davant de la substància, s'entén que hi ha l'1. Si ens referim al mon macroscòpic (mols), poden ser fraccionaris, si ens referim al món microscòpic (molècules), només poden ser nombres enters.

Per igualar equacions químiques, és recomanable seguir els passos següents:

• Igualar els àtoms que no siguin ni H ni O.
• Igualar després els àtoms de H
• Igualar, finalment, els àtoms de O

Tens a continuació dos videos que et poden ajudar a veure com ajustar reaccions pel mètode de tempteig. Recorda que utilitzarem aquest mètode sempre que les reaccions siguin relativament senzilles:

Però què passa si la reacció és una mica més complicada ???
Doncs que també podem recòrrer al mètode del sistema d'equacions o mètode numèric. Aquí pots veure un video que et permetrà veure com funciona:

📌A continuació et presentem un full amb exercicis d'igualació de les equacions químiques. Pots descarregar-te'l fent click aquí.

Ara et presentem diferents links on podràs practicar d'una forma més interactiva l'igualació d'equacions químiques. Resulta més divertit:

1. La estequiometría en las reacciones químicas (castellà).  Font: Rafael Jiménez Prieto - Pastora Mª Torres Verdugo.
2. Welcome to Classic Chembalancer (anglés).  Font: FundBased Learning
3. Ajuste de reacciones químicas (castellà).   Font: Centro de Estudios Galilei

🎯 Interessant: PRESENTACIÓ !!!: A continuació tens un document amb una presentació amb els conceptes més importants que s'han tractat fins al moment. També trobaràs informació sobre:

   1.- Les equacions químiques

   2.- Igualació d'equacions químiques

   3.- Càlculs estequiomètrics

   4.- Tipus de reaccions químiques

   5.-  Energia de les reaccions químiques

   6.- Velocitat de les reaccions químiques

Per poder veure'l, fes click aquí.

Tema 2. La reacció química (II).

2. MESURA DE LA MASSA DE LES SUBSTÀNCIES 

2.1.- MOL D'ÀTOMS I NOMBRE D'AVOGADRO. 

En el SI d'unitats la massa s'expressa en quilograms, però en química és més adequat utilitzar el mol, una unitat de massa que està relacionada amb la fòrmula de les substàncies.  

Un mol d’àtoms és la quantitat d’un element químic equivalent al que representa la seva massa atòmica expressada en grams.

En el SI el mol és la unitat de la magnitud anomenada quantitat de substància.

En un mol de qualsevol substància sempre hi ha el mateix nombre de partícules.

Un mol d’àtoms sempre té 6,022 · 10²³ àtoms [Nombre d’ Avogadro], però la quantitat en grams serà depenent de l’element químic.

^{2.2.- UN MOL DE SUBSTÀNCIA}

La fòrmula d'un compost ens indica els àtoms de cada element que formen la seva molècula.

La massa molecular (M) d'un compost s'obté sumant la massa atòmica de cadascun dels seus elements. Veiem dos exemples:

a) Massa molecular del NH₃ = 1 · Massa atòmica del N + 3 · Massa atòmica del H
    Massa molecular del NH₃ = 1 . 14 + 3 . 1 = 17 g/mol

b) Massa molecular del MgBr₂ = 1 · Massa atòmica del Mg + 2 · Massa atòmica del Br
    Massa molecular del MgBr₂ = 1 . 24,3 + 2 · 79,9 = 184,1 g/mol

Les masses atòmiques les obtenim de la Taula Periòdica.

En aquest link trobaràs una "calculadora de masses moleculars". Fes click aquí.

Un mol d’una substància és una quantitat equivalent a la que representa la seva massa molecular expressada en grams.

En 1 mol d’una substància hi ha 6,022 · 10²³ [Nombre d’ Avogadro] molècules d’aquesta substància.

La massa molar és la massa d’1 mol de substància. La massa molar coincideix amb la massa molecular expressada en grams. Seguint amb l'exempre anterior:

         Massa molecular del NH₃ = 1 . 14 + 3 . 1 = 17 u
         Massa molar NH₃ = 1 . 14 + 3 · 1 = 17 g

 Per tant direm que la massa molar del NH₃ és 17 g/mol. 

 

IMPORTANT: Per fer càlculs estequiomètrics, el millor és començar calculant el nombre de mols de les substàncies; després n'hi haurà prou d'utilitzar el factor de conversió adequat. A continuació fem un resum de tots els canvis que hem vist:

A)  MOL - GRAMS de substància. Necessitem conèixer la massa molar de la substància. Per exemple:

B)  MOL - ÀTOMS d'un element. Necessitem conèixer el nombre d'Avogadro 6,022 · 10²³ àtoms. Per exemple:

C)  MOL - MOLÈCULES d'una substància. Necessitem conèixer el nombre d'Avogadro 6,022 · 10²³ molècules. Per exemple: 

En resum, podria ser això:

A continuació es mostren dos videos que us ajudaran a entendre millor el concepte de mol:

 

També pots veure el video, fent click, aquí.

 També pots veure el video, fent click, aquí.

🎯 Interessant: PRESENTACIÓ !!!: A continuació torneu a tenir accés a la presentació amb els conceptes més importants que s'han tractat fins al moment. També trobaràs informació sobre:

   1.- Les equacions químiques

   2.- Igualació d'equacions químiques

   3.- Càlculs estequiomètrics

   4.- Tipus de reaccions químiques

   5.-  Energia de les reaccions químiques

   6.- Velocitat de les reaccions químiques

Per poder veure'l, fes click aquí.

Tema 2. La reacció química (III)

3. CÀLCULS EN LES REACCIONS QUÍMIQUES. ESTEQUIOMETRIA  

3.1.- CÀLCULS ESTEQUIOMÈTRICS EN MASSA. 

Es tracta de fer càlculs sobre els reactius o els productes que intervenen en una reacció mesurant les quantitats de les substàncies en unitats de massa.

Recordar que els coeficients estequiomètrics relacionen les substàncies de la reacció en MOLS. 

Veiem l'exemple de la reacció de combustió del metà:


Amb això, veiem també un exemple resolt:



Aquí tenim un altre exemple resolt:

En resum, per tal de resoldre amb més facilitat aquest tipus d'exercicis us recomanem els passos següents:

1.- Escrivim l'equació química de la reacció i l'ajustem.
2.- A sota de cada substància escrivim les dades que coneixem. 
3.- Expressem en mols la quantitat d'aquestes substàncies.
4.- Establim la proporció en mols en què reacciona la substància la quantitat de la qual coneixem, amb les que volem calcular. Hem de tenir en compte els coeficients estequiomètrics.
5.- Expressem les quantitats obtingudes de les substàncies en les unitats que ens demanen.

3.2.- CÀLCULS ESTEQUIOMÈTRICS EN VOLUM. 

 Avogadro va estudiar el comportament dels gasos en les reaccions químiques i va deduir que, quan en una reacció intervenen gasos que es troben en les mateixes condicions de pressió i temperatura, la proporció en quantitat de substància (mol) en què es combinen és la mateixa que la proporció en volum.

A més, estudiant el comportament dels gasos es pot deduir el següent: 

Un mol de qualsevol gas en condicions normals de pressió i temperatura (1 atm i 0ºC) ocupa sempre 22,4 litres. El volum d'un mol d'un gas en condicions normals s'anomena volum molar:

Volum molar = 22,4 litres

Veiem algun exemple:



Un altre exemple que càlcul estequiomètric en volum, en base a la reacció que es mostra, és el següent:
 

3.3.- EQUACIÓ DELS GASOS IDEALS. 

Cal tenim en compte, però, que si els gasos no es troben en condicions normals de pressió i temperatura, aleshores haurem de fer servir l'EQUACIÓ DELS GASOS IDEALS, que relaciona la quantitat de substància (mols: n) d'un gas amb la pressió (P) i la temperatura (T). Aquesta equació és la següent:

 P . V = n . R .T

R és l'anomenada constant dels gasos. Té un valor de 0,082 atm.l/mol.K. 


Veiem un exemple resolt:


La imatge següent et permetrà veure les equivalències entre les diferents unitats de mesura de pressió:

I la imatge següent et permetrà recordar les equivalències existents entre mesures de volum i capacitat:

A continuació es presenta un esquema amb tots els canvis necessaris per resoldre problemes d'estequiometria. Segur que us anirà molt bé.

 
Per últim també us deixem un video que us ajudarà a entendre una mica millor aquests càlculs estequiomètrics:

També podeu veure aquest video, fent click aquí.

🎯 Interessant: També pots consultar el següent blog per veure simulacions per ajustar reaccions i més exercicis d'estequiometria química. Fes click aquí.