Tipos y Balanceo de Reacciones Químicas

Reacciones Químicas

• Procesos que implican la reorganización de átomos y moléculas.

Tipos de Reacciones Químicas

• Reacciones de síntesis: Dos o más reactivos se combinan para formar un único producto (A + B → AB).
• Reacciones de descomposición: Un único reactivo se descompone en dos o más productos (AB → A + B).
• Reacciones de desplazamiento simple: Un elemento reemplaza a otro en su compuesto (A + BC → AC + B).
• Reacciones de doble desplazamiento: Dos compuestos intercambian iones o elementos (AB + CD → AD + CB).
• Reacciones de combustión: Una sustancia se combina con oxígeno, liberando energía en forma de calor y luz (CxHy + O2 → CO2 + H2O).

Balanceo de Ecuaciones Químicas

• La ley de conservación de la masa establece que la materia no puede ser ni creada ni destruida.
• El número de átomos de cada elemento debe ser igual en ambos lados de la ecuación.
• Pasos para balancear ecuaciones:
  • Escribir la ecuación no balanceada.
  • Contar el número de átomos de cada elemento en ambos lados.
  • Añadir coeficientes para balancear el número de átomos de cada elemento.
  • Reducir los coeficientes a la relación de números enteros más simple.
  • Verificar que la ecuación esté balanceada.

Ejemplo de Balanceo

$$ 2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O $$

• Hay 4 átomos de hidrógeno en ambos lados.
• Hay 2 átomos de oxígeno en ambos lados.

Velocidades de Reacción

• La temperatura, concentración, área superficial y catalizadores son factores que afectan las velocidades de reacción.
• El aumento de la temperatura generalmente incrementa la velocidad de la reacción.
• El aumento de la concentración de los reactivos generalmente incrementa la velocidad de la reacción.
• El aumento del área superficial de un reactivo sólido generalmente incrementa la velocidad de la reacción.
• Los catalizadores aceleran las reacciones sin ser consumidos.
• Los catalizadores biológicos son enzimas.
• Los catalizadores proporcionan una ruta de reacción alternativa con una energía de activación inferior.

Equilibrio Químico

• Las reacciones reversibles pueden avanzar en ambas direcciones, hacia adelante y hacia atrás.
• El equilibrio es un estado en el que las velocidades de las reacciones directa e inversa son iguales.
• Las concentraciones de reactivos y productos permanecen constantes en el equilibrio.

Principio de Le Châtelier

• Si se aplica un cambio de condición (estrés) a un sistema en equilibrio, el sistema se desplazará en una dirección que alivie el estrés.
• Los factores estresantes incluyen cambios en la concentración, la temperatura y la presión.

Constante de Equilibrio (K)

• K es una medida cuantitativa de las cantidades relativas de reactivos y productos en el equilibrio.
• Para la reacción aA + bB ⇌ cC + dD, la constante de equilibrio es:

$$K = \frac{{\left[ C \right]^c \left[ D \right]^d}}{{\left[ A \right]^a \left[ B \right]^b}}$$

• K > 1: Los productos se ven favorecidos en el equilibrio.
• K < 1: Los reactivos se ven favorecidos en el equilibrio.

Termodinámica

• La entalpía (H) es el contenido de calor de un sistema a presión constante.
• Las reacciones exotérmicas liberan calor (ΔH < 0).
• Las reacciones endotérmicas absorben calor (ΔH > 0).
• La entropía (S) es una medida del desorden o aleatoriedad de un sistema.
• La energía libre de Gibbs (G) es una medida de la espontaneidad de una reacción (ΔG = ΔH - TΔS).
• ΔG < 0: Reacción espontánea.
• ΔG > 0: Reacción no espontánea.
• ΔG = 0: La reacción está en equilibrio.

Reacciones Redox

• La oxidación es la pérdida de electrones y el aumento del número de oxidación.
• La reducción es la ganancia de electrones y disminución del número de oxidación.
• Un agente oxidante causa la oxidación al aceptar electrones y se reduce en el proceso.
• Un agente reductor causa la reducción al donar electrones y se oxida en el proceso.
• El número de oxidación es un número asignado a un elemento que representa el número de electrones perdidos o ganados.
• Reglas para asignar números de oxidación:
  • El número de oxidación en forma elemental es 0.
  • El número de oxidación de un ion monoatómico es igual a su carga.
  • El oxígeno suele tener un número de oxidación de -2.
  • El hidrógeno suele tener un número de oxidación de +1.
  • La suma de los números de oxidación en un compuesto neutro es 0.
  • La suma de los números de oxidación en un ion poliatómico es igual a su carga.

Balanceo de Ecuaciones Redox

• Método de la media reacción:
  • Escribir la ecuación no balanceada.
  • Separar en dos medias reacciones (oxidación y reducción).
  • Balancear cada media reacción:
    • Balancear elementos distintos de H y O.
    • Balancear O añadiendo H2O.
    • Balancear H añadiendo H+.
    • Balancear la carga añadiendo electrones.
  • Multiplicar cada media reacción para que el número de electrones sea el mismo.
  • Sumar las medias reacciones y cancelar lo que aparece en ambos lados.
  • En solución básica, añadir OH- para neutralizar H+, formando H2O. Cancelar H2O en ambos lados.
  • Verificar que la ecuación esté balanceada.

Ácidos y Bases

• Los ácidos donan protones (H+) en soluciones acuosas, tienen un pH menor que 7 y tornan el papel tornasol rojo.
• Las bases aceptan protones (H+) en soluciones acuosas, tienen un pH mayor que 7, tornan el papel tornasol azul, tienen un sabor amargo y se sienten resbaladizas.
• La escala de pH mide la acidez o basicidad de una solución (pH = -log[H+]).
• [H+] es la concentración de iones de hidrógeno en moles por litro.
• pH + pOH = 14.
• Los ácidos y bases fuertes se disocian completamente en agua.
• Los ácidos y bases débiles se disocian parcialmente en agua.
• Las reacciones de neutralización entre ácidos y bases producen sal y agua (Ácido + Base → Sal + H2O).
• La valoración es una técnica para determinar la concentración de un ácido o base reaccionando con una solución de concentración conocida.
• Los amortiguadores son soluciones que resisten cambios en el pH cuando se añaden pequeñas cantidades de ácido o base.
• Los amortiguadores están hechos típicamente de un ácido débil y su base conjugada, o una base débil y su ácido conjugado.

Química Orgánica

• Los hidrocarburos contienen solo carbono e hidrógeno.
  • Alcanos: Enlaces sencillos (C-C).
  • Alquenos: Enlaces dobles (C=C).
  • Alquinos: Enlaces triples (C≡C).
  • Hidrocarburos aromáticos: Contienen anillos de benceno.
• Los grupos funcionales son grupos específicos de átomos responsables de las reacciones químicas características de las moléculas.
• Ejemplos de grupos funcionales y sus correspondientes formulas:
  • Alcohol: -OH (Ej: Etanol CH3CH2OH)
  • Éter: -O- (Ej: Dietiléter CH3CH2OCH2CH3)
  • Aldehído: -CHO (Ej: Formaldehído HCHO)
  • Cetona: -CO- (Ej: Acetona CH3COCH3)
  • Ácido carboxílico: -COOH (Ej: Ácido acético CH3COOH)
  • Éster: -COOC- (Ej: Acetato de etilo CH3COOCH2CH3)
  • Amina: -NH2 (Ej: Metilamina CH3NH2)
  • Amida: -CONH2 (Ej: Acetamida CH3CONH2)
• Los polímeros son moléculas grandes formadas por la repetición de unidades más pequeñas llamadas monómeros.
• Los polímeros de adición se forman por la unión directa de monómeros.
• Los polímeros de condensación se forman por la unión de monómeros con la eliminación de una molécula pequeña (por ejemplo, agua).

Química Nuclear

• La desintegración radiactiva es el proceso por el cual un núcleo inestable emite partículas o energía para volverse más estable.
  • Desintegración alfa: Emisión de una partícula alfa (2 protones y 2 neutrones).
  • Desintegración beta: Emisión de una partícula beta (un electrón o un positrón).
  • Desintegración gamma: Emisión de un rayo gamma (fotón de alta energía).
• La vida media es el tiempo que tarda la mitad de los núcleos radiactivos de una muestra en desintegrarse.

$$ N(t) = N_0 \left( \frac{1}{2} \right)^{\frac{t}{t_{1/2}}} $$

• Donde:
  • N(t) es la cantidad de sustancia que queda después del tiempo t.
  • N0 es la cantidad inicial de la sustancia.
  • t1/2 es la vida media de la sustancia.
• La fisión nuclear es la división de un núcleo pesado en dos o más núcleos más ligeros, acompañada de la liberación de energía.
• La fusión nuclear es la combinación de dos o más núcleos ligeros en un núcleo más pesado, acompañada de la liberación de energía.