7

7.1 |Reaccions químiques

Macroscòpicament:

Una REACCIÓ QUÍMICA és un procés pel qual una o diverses substàncies

inicials o REACTIUS, es transformen en una altra o unes altres substàncies

finals o PRODUCTES, diferents de les inicials.

REACTIUS → PRODUCTES

Microscòpicament:

Reacció química: Reagrupació d’àtoms que, ordenant-se de manera diferent de com

estaven inicialment, constitueixen noves substàncies pures.

Això comporta el trencament d’enllaços en els reactius i la formació de nous enllaços

en els productes.

El nombre i la classe d’àtoms que

formen les substàncies inicials i

finals són els mateixos, però

agrupats de manera diferent.

Per tant, la massa total dels

reactius ha de ser igual a la

massa total dels productes

(Llei de Lavoisier)

7.2 |Equacions químiques

Equació química: Representació simbòlica abreujada d’una reacció química.

• Totes les substàncies es representen amb la seva fórmula química.

• S’indica l’estat físic de cada substància com a subíndex:

(s) → sòlid

(l) → líquid

(g) → gas

(aq) → solució aquosa

• Perquè el nombre d’àtoms de cada element sigui igual en reactius i productes,

es posen uns números o coeficients estequiomètrics davant de les fórmules.

Calcular aquests coeficients s’anomena igualar o ajustar l’equació química.

7.3 |Mols i reacció química

Els coeficients estequiomètrics d’una equació química indiquen en quina

proporció intervenen les substàncies.

Microscòpicament:

Els coeficients expressen la relació en àtoms, molècules o ions.

Macroscòpicament:

Els coeficients expressen la relació en MOLS.

En el cas de substàncies gasoses, en iguals condicions de P i T, els coeficients

també expressen la relació dels gasos en volums:

Exemple: 1 litre de metà reacciona amb 2 litres d’oxigen i s’obté 1 litre de diòxid de carboni i 2 litres d’aigua

7.4 |Igualació d’equacions químiques senzilles

• Les reaccions senzilles es poden igualar per tempteig.

• Quan la reacció és més complicada, resulta útil seguir un ordre:

1r. Igualar els àtoms d’elements metàl·lics.

2n. Igualar els àtoms d’elements no metàl·lics (excepte H i O).

3r. Igualar els àtoms d’hidrogen.

4t. Igualar els àtoms d’oxigen.

Exemple, cal igualar: Fe (s) + HCl (aq) → FeCl2 (aq) + H2 (g)

KClO3 (s) → KCl (s) + O2 (g)

H2 (g) + O2 (g) ) → H2O (l)

CaCO3 (s) + HCl (aq) → CaCl2 (aq) + CO2 (g) + H2O (l)

7.4 |Igualació d’equacions químiques senzilles

• En algunes reaccions és convenient conèixer el seu mecanisme:

- Neutralització àcid-base: ÀCID + BASE → SAL + AIGUA

Exemple, cal igualar: HCl (aq) + NaOH (aq) → NaCl (aq) + H2O (l)

H2SO4 (aq) + KOH (aq) → K2SO4 (aq) + H2O (l)

HNO3 (aq) + Al(OH)3 (aq) → Al(NO3)3 (aq) + H2O (l)

-Combustió: COMPOST ORGÀNIC + OXIGEN → DIÒXID DE CARBONI + AIGUA

Exemple, cal igualar: C6H6 (l) + O2 (g) → CO2 (g) + H2O (l)

C4H10 (g) + O2 (g) → CO2 (g) + H2O (l)

C2H5OH (l) + O2 (g) → CO2 (g) + H2O (l)

C6H12O6 (s) + O2 (g) → CO2 (g) + H2O (l)

7.5 |Càlculs estequiomètrics

a) Càlculs senzills

Recordar: els coeficients estequimètrics relacionen les substàncies de

la reacció en MOLS.

En el cas de gasos, a igual P i T, també en volums.

Exemples 3 i 4 pàg. 200.

7.5 |Càlculs estequiomètrics

a) Càlculs senzills

Més exemples:

Extra 1: Per a la combustió de 200 g de butà, calcula:

a) El nombre de molècules d’aigua que s’obtindran

b) El volum de diòxid de carboni, mesurat a 25ºC i 90000 Pa, que s’obtindrà

c) El volum d’aire, mesurat en c.n., necessari per a la combustió del butà

Dada: L’aire conté un 21 % en volum d’oxigen

Extra 2: Es neutraliza hidròxid de sodi amb àcid sulfúric. Si es neutralitzen 50 g

d’hidròxid de sodi, calcula:

a) El volum de dissolució d’àcid sulfúric 12 M necessari per a la neutralització

b) La massa d’aigua que s’obtindrà

Extra 3: El zinc metàl·lic reacciona amb l’àcid clorhídric i s’obté clorur de zinc i

hidrogen gasós. Si reaccionen 5 g de zinc, calcula:

a) El volum d’hidrogen mesurat a 20ºC i 1’01·105 Pa que s’obtindrà

b) La massa de clorur d’hidrogen necessari

Extra 4: L’hidrogen i l’oxigen reaccionen formant aigua. Si s’han format 240 g d’aigua,

a) Quina és la massa d’hidrogen que ha reaccionat?

b) Quin és el volum d’oxigen, mesurat en c.n. Que ha reaccionat?

7.5 |Càlculs estequiomètrics

b) Reactiu limitant

Quan tenim dades dels diversos reactius d’una reacció química, cal determinar quin és el

REACTIU LIMITANT.

EL REACTIU LIMITANT ÉS EL QUE PRIMER S’ACABA. Quan ell s’ha acabat, per més

que hi hagi d’altres reactius, la reacció ja no es pot produir i s’acaba.

Per determinar quin és el reactiu limitant, es pot fer comparant en mols els

diversos reactius. Això permet trobar el reactiu que s’acaba i els que hi són en excés.

Tots els càlculs s’han de fer a partir del reactiu limitant (ja que ell segur que

reacciona completament).

Veure exemples: 7 pàg 203 i 8 pàg 204

Extra: Es neutralitzen 20 g d’hidròxid de sodi amb àcid sulfúric 0’2 M.

Calcula la massa de sal que s’obtindrà.

7.5 |Càlculs estequiomètrics

c) Impureses dels reactius

A vegades el reactiu no és totalment pur sinó que està en una mostra mesclat amb altres

substàncies o amb impureses que no reaccionen.

Normalment es dóna el % de puresa del reactiu que hi ha en la mostra.

Situacions possibles en els exercicis:

-Cal fer el càlcul del producte que s’obtindrà a partir d’una mostra: a l’inici, cal aplicar el %

de puresa del reactiu en la mostra.

(veure exercici 20 pàg 228).

-A partir del producte obtingut es determina el reactiu pur que contenia la mostra i es

calcula el % de puresa.

(veure exemple 9 pàg 205).

7.5 |Càlculs estequiomètrics

d) Rendiment de la reacció

Moltes vegades, en una reacció química s’obté una quantitat de producte menor del que

caldria esperar teòricament.

S’anomena rendiment de la reacció a la relació entre la quantitat de producte real

que s’obté i el producte teòric. Normalment s’expressa en percentatge.

(Veure exemple 10 pàg. 206)

També:

Per a la combustió de 200 g de benzè, amb excés d’oxigen, s’han obtingut 275 L de

diòxid de carboni mesurats en c.n. Quin ha estat el rendiment de la reacció?

producte real

producte teòric% RENDIMENT = · 100

7.5 |Càlculs estequiomètrics

e) Reaccions simultànies

-Quan diversos reactius reaccionen simultàniament amb un altre reactiu comú,

SEMPRE cal plantejar cada reacció per separat i fer el càlcul per a cadascuna.

(Veure exercici 16 pàg. 228)

- Una aplicació possible és la determinació de composició de mescles:

(Veure exemple 5 pàg. 201)

També:

Tenim una mescla gasosa de metà i butà. En la combustió de 20 L de mescla, mesurats

en c.n., s’han obtingut 44’196 g d’aigua. Determina la composició de la mescla en % en

volum de cada gas.

7.5 |Càlculs estequiomètrics

f) Reaccions consecutives

Són aquelles en què el producte d’una reacció és reactiu de la següent reacció.

SEMPRE cal plantejar cada reacció per separat.

En els càlculs, cal fer els de l’una i després encadenar els de la següent.

Exemples:

A) La pedra calcària està formada majoritàriament per carbonat de calci. En escalfar el

carbonat de calci es descompon en diòxid de carboni i òxid de calci, anomenat

vulgarment calç viva. L’òxid de calci reacciona amb l’aigua formant hidròxid de calci,

que s’anomena calç apagada. Si es parteix de 20 kg de pedra calcària del 90 % de

riquesa en carbonat de calci, quina serà la massa de calç apagada o hidròxid de calci

que s’obtindrà si la primera reacció té un rendiment del 80 % i la segona un rendiment

del 60 %?

B) En reaccionar l’hidrogen i el nitrogen gasosos, s’obté amoníac. Posteriorment,

l’amoníac obtingut reacciona amb clorur d’hidrogen i es forma clorur d’amoni. Si es

parteix de 20 g d’hidrogen i 20 g de nitrogen, calcula la massa de clorur d’amoni

s’obtindrà, sabent que la primera reacció té un rendiment del 70 % i la segona té un

rendiment del 85 %.

7.6 |Tipus de reaccions químiques

A) Classificació segons el mecanisme:

- Reaccions de combinació o síntesi

A partir de diversos reactius s’obté un producte.

Na2O(s) + H2O(l) → 2 NaOH(aq)

- Reaccions de descomposició

A partir de d’un reactiu s’obtenen diversos productes.

CaCO3 (s) → CaO(s) + CO2(g)

- Reaccions de substitució o desplaçament

Un element desplaça a un altre element que estava formant part d’un compost.

Zn (s) + CuSO4 (aq) → ZnSO4 (aq) + Cu (s)

- Reaccions de doble desplaçament

Dos elements es desplacen mútuament de llurs compostos i s’intercanvien.

AgNO3(aq) + NaCl(aq) → NaNO3(aq) + AgCl(s)

B) Classificació per la naturalesa de la reacció:

B.1.Reaccions àcid-base o de neutralització

Àcid: Substància capaç d’alliberar ions H+ quan es troba en solució aquosa.

Base: Substància que, en solució aquosa, allibera ions OH–.

Reaccions de neutralització: Reaccions en les que es combinen els ions H+ de

l’àcid amb els ions OH– de l’hidròxid o base.

Àcid + Base → Sal + H2O

En afegir unes gotes d’un indicador anomenat

fenolftaleïna a una solució d’un hidròxid,

apareix un color rosa violat característic.

7.6 |Tipus de reaccions químiques

pH: Escala que mesura el grau d’acidesa o basicitat.

Indicadors: substàncies que canvien de color

segons l’acidesa del medi.

Paper indicador

universal

B.2. Reaccions de precipitació

Reaccions en què s’obté un producte sòlid insoluble que s’anomena precipitat.

NaCl(aq) + AgNO3(aq) → NaNO3(aq) + AgCl(s) ↓

El precipitat groc és de iodur de plata.

7.6 |Tipus de reaccions químiques

B.3. Reaccions d’oxidació-reducció (redox)

Oxidació: Procés en què una espècie química perd electrons. L’element que

s’oxida augmenta el seu estat d’oxidació.

Reducció: Procés en què una espècie química guanya electrons. L’element que

es redueix disminueix el seu estat d’oxidació.

Reductor: Espècie química que redueix a l’altra, ell s’oxida.

Oxidant: Espècie química que oxida a l’altra, ell es redueix.

Reaccions d’oxidació-reducció o reaccions redox: Reaccions de transferència

d’electrons. Una espècie química cedeix un o més electrons a una altra espècie

química que els capta.

2 Na(s) + S(s) → Na2S(s)

El sofre reacciona amb el sodi i s’obté sulfur de sodi.

En aquesta reacció, el sofre guanya electrons, és

l’oxidant, i el sodi els perd, és el reductor.

7.6 |Tipus de reaccions químiques

7.7 |Energia de les reaccions químiques

Reaccions exotèrmiques: Reaccions químiques que tenen lloc amb despreniment

d’energia en forma de calor.

Reaccions endotèrmiques: Reaccions químiques que tenen lloc amb absorció

d’energia en forma de calor.

En una reacció química es pot absorbir o emetre energia en formes que no són

calor com en la fotosíntesi (absorció de llum) o en l’electròlisi (absorció d’energia

elèctrica )

En reaccionar el magnesi amb el dioxigen, es

desprèn majoritàriament energia lluminosa.

7.7 |Energia de les reaccions químiques

En tota reacció química hi ha una primera fase de trencament dels enllaços

dels reactius que absorbeix energia (energia d’activació), després hi ha una

altra fase de formació dels enllaços dels productes que desprèn energia.

El balanç entre les dues etapes farà que globalment la reacció sigui

endotèrmica o exotèrmica.

7.8 |Velocitat de les reaccions químiques

Velocitat d’una reacció: Quantitat de substància reaccionant que es transforma

o desapareix en cada unitat de temps i per unitat de volum.

Factors que influeixen en la velocitat d’una reacció:

• Concentració de les solucions de les substàncies que reaccionen.

• Estat de divisió en què es troben els reactius.

• Temperatura.

• Catalitzadors: Substàncies que augmenten la velocitat d’una reacció, sense

que aparentment prenguin part en el procés, ja que al final de la reacció els

trobem tal com estaven al començament.

L’estat de divisió en que es troben els

reactius influeix en la velocitat de la

reacció, per això les branques petites

cremen molt més ràpid que els troncs.