Reacciones químicas de interés

1. 4 Reacciones químicas de interés Física y Química 4.º ESO 1 Los ácidos y las bases. Características químicas Los ácidos son sustancias que en disolución acuosa presentan las siguientes características • Son conductores de la electricidad • Tienen sabor agrio • Modifican el color de los indicadores: enrojecen el tornasol y decoloran la fenolftaleina • Reaccionan con algunos metales (Zn, Fe o Mg) desprendiendo H2 • Descomponen los carbonatos con desprendimiento de CO2 • Reaccionan con las bases formando sales Las bases son sustancias que en disolución acuosa presentan las siguientes características • Son conductores de la electricidad • Son untuosos al tacto y tienen un sabor amargo • Modifican el color de los indicadores: el papel de tornasol adquiere color azul y la fenolftaleina color rojo • Los óxidos metálicos, los hidróxidos y los carbonatos en disolución acuosa se comportan como bases • Reaccionan con los ácidos formando sales

2. HCl (g) H2O (l) Cl– (aq) H3O+ (aq) 4 Reacciones químicas de interés Física y Química 4.º ESO 2 Teoría de Arrhenius sobre los ácidos Los ácidos son sustancias que en disolución acuosa se disocian formando iones H+ (o H3O+) Por ejemplo + + Según su grado de disociación, los ácidos se clasifican en Ácidos fuertes, aquellos que en disolución acuosa tienen todas sus moléculas disociadas (H2SO4, HNO3 o HClO) Ácidos débiles, aquellos que en disolución acuosa solo tienen algunas de sus moléculas disociadas (H2S o CH3– COOH)

3. H2O (l) OH– (aq) NaOH (s) Na+ (aq) NH3 + H2O NH4+ (aq) + OH– (aq) 4 Reacciones químicas de interés Física y Química 4.º ESO 3 Teoría de Arrhenius sobre las bases Las bases son sustancias que en disolución acuosa pueden ceder iones OH– Por ejemplo + Según su grado de disociación, las bases se clasifican en Bases fuertes, aquellas que en disolución acuosa tienen todas sus moléculas disociadas (NaOH, KOH o Ca(OH2)) Bases débiles, aquellos que en disolución acuosa solo disocian algunas de sus moléculas (Fe(OH)3) Brönsted amplió la definición de Arrhenius considerando también como bases aquellas sustancias que en disolución acuosa pueden captar protones (H+). Por ejemplo, el amoniaco (NH3)

4. Disolución ácida Disolución neutra Disolución básica [H+] > [OH-] [H+] < [OH-] [H+] = [OH-] = 10-7 mol L-1 [H+] > 10-7 mol L-1 [H+] < 10-7 mol L-1 pH < 7 pH > 7 pH = 7 Papel indicador y escala pH 4 Reacciones químicas de interés Física y Química 4.º ESO 4 El pH como medida de la acidez y la basicidad El pH de una disolución es el logaritmo en base 10, con el signo cambiado, de la concentración de iones H+ (o H3O+) expresada en mol L-1 [H+] = 10-pH (mol L-1) => pH = – log [H+] El valor del pH permite asignar el carácter ácido o básico de las disoluciones

5. HClO (aq) + NaOH (aq) NaClO (aq) + H2O (l) HClO (aq) H+ (aq) + ClO– (aq) NaOH (aq) Na+ (aq) + OH– (aq) H+ (aq) + OH– (aq) H2O (l) 4 Reacciones químicas de interés Física y Química 4.º ESO 5 Reacciones de neutralización La neutralización es la reacción entre los iones H+ que provienen de un ácido y los iones OH– que provienen de una base, obteniéndose una sal y agua Por ejemplo, la reacción entre el ácido hipocloroso y el hidróxido de sodio produce hipoclorito sódico y agua En disolución acuosa el ácido hipocloroso y el hidróxido de sodio se disocian Los iones ClO– y Na+ forman el hipoclorito de sodio, NaClO, que permanece disuelto, y los iones H+ y OH– se unen formando agua según la reacción

6. moles de iones H+ = VacanH+ moles de iones OH– = VbcbnOH– VacanH+ = VbcbnOH– canH+ = concentración normal del ácido (Na) VaNa = VbNb cbnOH = concentración normal de la base (Nb) 4 Reacciones químicas de interés Física y Química 4.º ESO 6 Volumetrías ácido-base La volumetría ácido-base permite calcular, mediante una neutralización, la concentración de una base, conocida la concentración de un ácido Por ejemplo, para valorar una base fuerte (NaOH) con un ácido fuerte (HCl), se procede así • Se llena una bureta con la disolución del ácido de concentración conocida, ca • Se mide un cierto volumen, Vb, de la base y se vierte en un matraz • Se añaden unas gotas del indicador ácido-base a la disolución básica • Se añade gota a gota el ácido a la base hasta que la disolución cambie de color • En ese instante se ha completado la reacción y se ha alcanzado el punto de equivalencia • Se mide el volumen Va En el punto de equivalencia habrá en la disolución el mismo número de iones H+procedentes del ácido que de iones OH– procedentes de la base

7. 4 Reacciones químicas de interés Física y Química 4.º ESO 7 Curva de valoración ácido-base La curva de valoración representa la variación de pH de la disolución a medida que se añade el ácido

8. Na Na+ + 1e– Cl + 1e–Cl– 4 Reacciones químicas de interés Física y Química 4.º ESO 8 Las reacciones de oxidación-reducción Las reacciones químicas en las que se produce una transferencia de electrones entre los reactivos se denominan reacciones de oxidación-reducción o rédox Cuando un no metal reacciona, sus átomos ganan e– y se forman iones negativos Cuando un metal reacciona, sus átomos pierden e– y se forman iones positivos El e– perdido puede cederse a un átomo de H de un ácido o de una molécula de agua, o a un átomo de un elemento no metálico El e– ganado por el átomo de cloro puede proceder de un átomo metálico o de un ion no metálico El sodio se oxida El cloro se reduce La oxidación es el proceso por el cual un átomo o ion cede electrones La reducción es el proceso por el cual un átomo o ion gana electrones

9. Cu + AgNO3 Ag + Cu(NO3)2 Se produce una transferencia de electrones Cu – 2e–Cu2+ Ag++ 1e–Ag 4 Reacciones químicas de interés Física y Química 4.º ESO 9 Pilas voltaicas. La pila cobre-plata (I) Las pilas son dispositivos capaces de producir energía eléctrica a partir de las reacciones de oxidación y reducción que ocurren en los electrodos Por ejemplo, al introducir una lámina de cobre en una disolución de nitrato de plata Los átomos de Cu neutros pierden electrones y se disuelven Los iones Ag+ganan electrones y pasan a átomos neutros El cobre se oxida La plata se reduce La transferencia de electrones produce una energía eléctrica que puede ser aprovechada mediante una pila voltaica

10. La energía producida en la reacción Cu + AgNO3 Ag + Cu(NO3)2, puede ser aprovechada como energía eléctrica mediante una pila voltaica, que consta de 2(Ag++ 1e–Ag) ÁNODO electrodo donde se produce la oxidación CÁTODO electrodo donde se produce la reducción Cu – 2e–Cu2+ La reacción total que se produce en la pila es Cu + 2 Ag+ Cu2+ + 2 Ag 4 Reacciones químicas de interés Física y Química 4.º ESO 10 Pilas voltaicas. La pila cobre-plata (II) • Dos recipientes unidos mediante un tabique poroso o puente salino que evita que se mezclen las disoluciones y permita el paso de iones • En cada recipiente, un electrodo sumergido en una disolución de sus iones: una lámina de Cu en Cu(NO3)2 y una lámina de Ag en AgNO3 • Un conductor externo que conecte los electrodos y permita el paso de e– (energía eléctrica) Cuando se cierra el circuito, el electrodo de Cu pierde masa y el electrodo de Ag la incrementa

11. Electrólito Fuente de alimentación 4 Reacciones químicas de interés Física y Química 4.º ESO 11 La electrólisis La electrólisis es una reacción redox producida por la energía de la corriente eléctrica La reacción se efectúa en una cuba electrolítica que consta de los siguientes elementos FUENTE DE ALIMENTACIÓN: pila o generador capaz de producir corriente ánodo electrodo donde se produce la oxidación ELECTRODOS son los conductores sumergidos en la disolución (generalmente son inertes) cátodo electrodo negativo, donde tiene lugar la reducción ELECTRÓLITO: es el líquido que contiene los iones que se mueven al paso de la corriente

12. Se forma Na metálico fundido (blanco plateado) en el otro electrodo y flotando en el NaCl fundido Se libera un gas de color verde pálido en uno de los electrodos (Cl2) Na líquido Na líquido OXIDACIÓN REDUCCIÓN ánodo cátodo Cátodo de hierro Cátodo de hierro 2 Cl – 2e–Cl2 (g) 2 Na++ 2e– 2 Na (l) Ánodo de carbón La reacción del proceso global es 2 Cl–+ 2 Na+ Cl2 (g) + 2 Na (l) 4 Reacciones químicas de interés Física y Química 4.º ESO 12 Electrólisis del cloruro de sodio fundido Cuando se hace pasar corriente por una cuba que contiene NaCl fundido Cl2 gaseoso NaCl

13. La electrólisis tiene una gran importancia en las aplicaciones industriales 4 Reacciones químicas de interés Física y Química 4.º ESO 13 Aplicaciones de la electrólisis OBTENCIÓN DE METALES Los metales Li, Na, Mg, Ca y Al se obtienen por reducción electrolítica de cloruros, carbonatos, sulfatos y óxidos fundidos REFINADO ELECTROLÍTICO Los metales Cu, Ag, Au y Al que se obtienen de los procesos de reducción suelen tener impurezas, por ello es preciso someterlos a procesos de purificación electrolítica GALVANOSTEGIA Consiste en recubrir un objeto de metal con una capa fina de un metal precioso utilizando la electrólisis

14. 4 Reacciones químicas de interés Física y Química 4.º ESO 14 Proceso Hall para la obtención del aluminio Ánodos de carbón Cátodo de carbón Aluminio fundido Al2O3 El proceso Hall consiste en la obtención de aluminio por la electrólisis del óxido de aluminio ( Al2O3)

15. Por la parte superior del alto horno se introduce la carga, que contiene el mineral molido, coque (C) y caliza Se inyecta una ráfaga de aire caliente por la parte inferior produciéndose la combustión del coque C(s) + O2(g) 2CO(g) + calor La caliza se descompone a elevadas temperaturas CaCO3(s) CaO(s) + CO2(g) El monóxido de carbono reduce el óxido de hierro, eliminando el oxígeno Fe2O3(s) + 3CO(g) 2Fe(l) + 3CO2(g) 4 Reacciones químicas de interés Física y Química 4.º ESO 15 La industria del hierro: un ejemplo histórico de proceso redox Magnetita (Fe3O4) Los minerales con mayores cantidades de hierro son Hematites (Fe2O3) El hierro se obtiene por reducción del óxido en altos hornos El óxido de calcio reacciona con las impurezas del mineral, SiO2, formando la escoria, que se separa del hierro fundido

16. Carga mineral, coque y piedra caliza Zona de reducción Aire calentado Hierro fundido Escoria 4 Reacciones químicas de interés Física y Química 4.º ESO 16 La industria del hierro: el alto horno Gas que se desprende del proceso Gas caliente que se emplea para calentar el aire