Reacciones de desplazamiento

Las reacciones de desplazamiento son reacciones en el cual átomos de un elemento reemplazan a átomos de otro elemento en un compuesto, todas las reacciones de desplazamiento simple son reacciones denominadas redox, los elementos que están en un estado de oxidación cero se hacen iones. Estas reacciones simples de desplazamiento se pueden agrupar en tres tipos,

 

Un metal de un elemento desplaza a un ion metálico de otro elemento en solución

Un metal de un elemento desplaza gas hidrogeno de un ácido o del agua

Un elemento halógeno desplaza a otro elemento halógeno

 

 

Estudiaremos dos tipos de reacciones de desplazamiento:

 

   A) Aquellas en las cuales al tratar un metal con un ácido se produce una sal y se desprende hidrogeno.

 

Ácido + Metal ——>  Sal + H2

 

Aquellas en las cuales al tratar una sal  con un metal, se produce otra sal y se deposita otro metal.

 

Sal 1 + Metal 1 ——-> Sal 2 + Metal 2

 

En estos dos tipos de reacciones, se verifica que un elemento ocupa el lugar de otro en un compuesto, es decir lo desplaza. Es evidente que este tipo de reacciones no pueden producirse en cualquier sentido. Es decir, habrá reacciones posibles y reacciones no posibles.

 

A) Reacciones de ácidos sobre metales.

 

Experimentalmente se encuentra que hay un grupo de metales que pueden desplazar el hidrogeno de los ácidos.

Son reacciones posibles:

 

2 ClH + Zn  —— >  Cl2 Zn + H2

SO4H2 + Zn  ——>  SO4 Zn + H2

2 Cl H + Fe  —— >  Cl2 Fe + H2

SO4 H2 + Fe  —— >  SO4 Fe + H2

 

Si escribimos algunas de estas reacciones en forma iónica tenemos:

 

2 Cl ^-  +  2 H⁺  +   Zn ——>  2 Cl ^-   +  Zn²⁺ + H2  

 

Ya que los iones cloruro permanecen inalterados, es decir, existen antes y después de la reacción, podemos decir que la reacción producida es la siguiente,

 

2 H⁺  +   Zn ——>    Zn²⁺ + H2  

Recordando lo visto en la teoría electrónica de la valencia, diremos que para que el cinc pase a ser ion cinc, deberá perder dos electrones,

Zn – 2 e ——>  Zn²⁺

 

En tanto el ion hidrogeno pasa hacer átomo de hidrogeno, que por unión covalente forma la molécula de H2, ganado un electrón por cada ion.

2 H⁺  + 2e ——>  H2

 

Podemos decir que esta reacción se produce porque el cinc cede electrones al ion hidrogeno, todo metal que pueda ceder electrones  al ion hidrogeno, lo desplazara de los ácidos.

 

B) Reaccion de sales con metales.

 

Tambien en estos casos, hay metales que pueden desplazar a otros de sus compuestos.

Si en una solucion de sulfato cuprico se sumerge un clavo de hierro, se observa que el color de la solucion cambia y que sobre el clavo se depositan pequeñas particulas rojizas. La reaccion seria,

 

SO4 Cu + Fe ——>  SO4 Fe + Cu

En forma ionica,

 

SO4 ^2-  + Cu²⁺ + Fe ——> SO4 ^2-  +  Fe²⁺ + Cu

Ya que el ion sulfato permanence inalterado , la reaccion ionica sera ,

 

Cu²⁺ + Fe ——> Fe²⁺ + Cu

 

Desde el punto de vista electronico podemos escribir,

 

Cu²⁺ + 2 e^- ——-> Cu

Fe – 2 e^- ——-> Fe²⁺ Cu

Es decir, la reaccion se produce porque el hierro cede electrones al ion cuprico.

En general diremos que un metal puede desplazar a otro de sus sales, siempre que pueda ceder electrones al ion correspondiente.

 

Los Ácidos y Las Bases (NIVEL INICIAL)

Si te paras a pensar en la cantidad de sustancias diferentes que puedes encontrar en la cocina de tu casa, te darás cuenta de que la Química está presente en muchas de nuestras acciones diarias.

Hay sustancias, como el vinagre, el zumo de limón o el zumo de naranja que tienen sabor agrio, y las llamamos ácidos. Otras en cambio, como la lejía o el amoníaco que se usan en tareas de limpieza, tienen propiedades muy diferentes a los ácidos, y se llaman bases.

Nunca se te ocurra probar un producto químico o tocarlo sin conocer sus propiedades, pues muchas de las sustancias de que están compuestos son tóxicas o corrosivas y ¡es muy peligroso!

LOS ÁCIDOS

Los ácidos son sustancias que poseen un sabor agrio, que al ponerlos en contacto con algunos metales (como el hierro o el cinc) los corroen, desprendiéndose gas hidrógeno, y que al reaccionar con una base cualquiera originan una sustancia de naturaleza diferente a ambas, llamada sal.

Los más importantes, desde el punto de vista químico, por la gran cantidad de compuestos en los que están presentes son: el ácido sulfúrico, el clorhídrico y el nítrico. Los tres son corrosivos e irritantes; son por tanto peligrosos, por lo que se deben manejar con las debidas precauciones.

El sabor fuerte del limón o de la naranja se debe al ácido cítrico. El vinagre contiene otro ácido que probablemente habrás oído nombrar: el ácido acético. Las baterías de los automóviles contienen ácido sulfúrico (¡muy peligroso!, por eso cuando se agotan, hay que depositarlas en puntos de recogida especiales, no se deben arrojar a un contenedor de basura normal).

Nuestro estómago segrega, entre otros, el ácido clorhídrico necesario para poder digerir los alimentos.

El ácido nítrico se emplea para fabricar fertilizantes, plásticos, lacas y colorantes, entre otros productos; disuelto en agua es lo que conocemos como “agua fuerte”, que se utiliza para limpiar.

Dos ácidos fundamentales para la vida son el ARN y el ADN. El ácido ribonucleico (ARN) está presente en todas las células de cualquier organismo vivo. El ácido desoxirribonucleico (ADN) es el principal componente de los cromosomas y es el material con el que están formados nuestros genes; es el responsable, por tanto, de la herencia biológica.

Otro ácido que seguro te resultará familiar es el ácido acetilsalicílico, que se halla en la corteza de los sauces y con el que se fabrica la aspirina.

El ácido fórmico aparece en el veneno que transportan en el aguijón las hormigas y algunos otros insectos.

El ácido oleico se encuentra en el aceite de oliva. El ácido úrico está presente en pequeñas cantidades en la orina humana, y en cantidades mayores en la orina de los pájaros y reptiles.

LAS BASES

Una base es una sustancia opuesta químicamente a un ácido, ya que al ponerlos en contacto se neutralizan entre sí, originando otro tipo de sustancias llamadas sales.

Las bases tienen sabor amargo y un tacto jabonoso.

Las más importantes desde el punto de vista químico son el amoníaco, con el que se obtienen fertilizantes y multitud de productos químicos, y la sosa cáustica, que se utiliza para fabricar, por ejemplo, papel, jabón, detergentes y productos textiles.

Para indicar cómo de ácida o de básica es una sustancia, en Química se usa una escala, llamada de pH, que va desde el valor 0 (que corresponde al valor más ácido) hasta el valor 14 (que corresponde al valor más básico).

El Ácido Sulfúrico

De fórmula H2SO4, es un líquido corrosivo, de gran viscosidad, incoloro y con una densidad relativa de 1,85. Tiene un punto de fusión de 10,36 °C, un punto de ebullición de 340 °C y es soluble en agua en cualquier proporción. Al mezclar ácido sulfúrico con agua se libera una considerable cantidad de calor. A menos que la mezcla se agite bien, el agua añadida se puede calentar más allá de su punto de ebullición y la formación repentina de calor puede hacer saltar el ácido fuera del recipiente. El ácido concentrado destruye la piel y la carne, y puede causar ceguera si se introduce en los ojos. El mejor tratamiento en caso de accidente es eliminar el ácido con grandes cantidades de agua. A pesar del peligro potencial si se maneja sin cuidado, el ácido sulfúrico ha sido muy importante comercialmente durante muchos años. Los antiguos alquimistas lo preparaban en grandes cantidades calentando sulfatos existentes en la naturaleza a altas temperaturas y disolviendo en agua el trióxido de azufre obtenido de esta forma. En el siglo XV aproximadamente, se desarrolló un método para obtener el ácido, destilando sulfato ferroso hidratado (o vitriolo de hierro) con arena. En 1740 empezó a producirse el ácido a escala comercial quemando azufre y nitrato de potasio en un caldero suspendido en un gran globo de cristal, cubierto parcialmente de agua.

El ácido sulfúrico es un ácido fuerte, es decir, en disolución acuosa se disocia fácilmente en iones hidrógeno (H+) e iones sulfato (SO42-). Cada molécula produce dos iones H+, o sea que el ácido sulfúrico es diácido. Sus disoluciones diluidas muestran todas las características de los ácidos: tienen sabor amargo, conducen la electricidad, neutralizan los álcalis y corroen los metales activos desprendiéndose gas hidrógeno. A partir del ácido sulfúrico se pueden preparar sales que contienen el grupo sulfato SO4, y sales ácidas que contienen el grupo hidrogenosulfato, HSO4.

El ácido sulfúrico concentrado, llamado antiguamente aceite de vitriolo, es un importante agente desecante. Actúa tan vigorosamente en este aspecto que extrae el agua, y por lo tanto carboniza, la madera, el algodón, el azúcar y el papel. Debido a estas propiedades desecantes, se usa para fabricar éter, nitroglicerina y tintes. Cuando se calienta, el ácido sulfúrico concentrado se comporta como un agente oxidante capaz, por ejemplo, de disolver metales tan poco reactivos como el cobre, el mercurio y el plomo, produciendo el sulfato del metal, dióxido de azufre y agua.

Durante el siglo XIX, el químico alemán Justus von Liebig descubrió que el ácido sulfúrico, añadido al suelo, aumenta la cantidad de fósforo disponible para las plantas. Este descubrimiento dio lugar a un aumento de la producción comercial de este ácido, mejorándose por tanto los métodos de fabricación.

FABRICACIÓN

Actualmente se utilizan dos procesos para obtener ácido sulfúrico. En las etapas iniciales ambos requieren el uso de dióxido de azufre, que se obtiene quemando piritas de hierro, FeS2, o azufre, en aire (tostación). En el primer proceso, denominado método de las cámaras de plomo, la reacción se lleva a cabo en grandes torres de ladrillos recubiertas de plomo. En estas torres, reaccionan dióxido de azufre gaseoso, aire, vapor de agua y óxidos de nitrógeno, produciendo ácido sulfúrico en forma de gotas finas que caen al suelo de la cámara. Casi todos los óxidos de nitrógeno se recuperan del gas que sale y se vuelven a introducir en la cámara para ser utilizados de nuevo. El ácido sulfúrico producido de esta forma, y el ácido etiquetado, sólo contienen de un 62 a un 70% de H2SO4; el resto es agua. Actualmente, casi un 20% del ácido sulfúrico se produce por el método de las cámaras de plomo, pero este porcentaje está disminuyendo.

El segundo método de obtención, el método de contacto, que empezó a usarse comercialmente alrededor de 1900, se basa en la oxidación del dióxido de azufre a trióxido de azufre, SO3, bajo la influencia de un catalizador. El platino finamente dividido, que es el catalizador más eficaz, tiene dos desventajas: es muy caro y además, ciertas impurezas existentes en el dióxido de azufre ordinario lo “envenenan” y reducen su actividad. Muchos productores de ácido sulfúrico utilizan dos catalizadores: primero, uno más resistente aunque menos efectivo, como el óxido de hierro o el óxido de vanadio, que inician la reacción, y a continuación, una cantidad menor de platino para terminar el proceso. A 400 °C, la conversión de dióxido a trióxido de azufre es casi completa. El trióxido se disuelve en ácido sulfúrico concentrado, y al mismo tiempo un flujo de agua mantiene la concentración al nivel seleccionado, normalmente un 95%. Reduciendo el flujo de agua, se puede obtener un producto con más SO3 del que contiene la fórmula H2SO4. Este producto, llamado ácido sulfúrico fumante, óleum o ácido Nordhausen, es necesario para algunas reacciones de química orgánica.

PRODUCCIÓN

Los usos del ácido sulfúrico son tan variados que el volumen de su producción proporciona un índice aproximado de la actividad general industrial. Por ejemplo, a principios de la década de 1970, la producción anual de ácido sulfúrico en Estados Unidos, el mayor productor, sobrepasaba los 29 millones de toneladas, que corresponden a una producción diaria de 1/3 kg por persona al año. El ácido sulfúrico se utiliza principalmente para hacer fertilizantes, tanto superfosfato como sulfato de amonio. También se usa para fabricar productos orgánicos, pinturas y pigmentos, y rayón, así como para refinar petróleo y procesar metales. Uno de los pocos productos de consumo que contienen ácido sulfúrico como tal, es la batería de plomo, que se utiliza en los automóviles.

Teorías Acido – Base

Los conocimientos modernos de los ácidos y las bases parten de 1834, cuando el físico inglés Michael Faraday descubrió que ácidos, bases y sales eran electrólitos por lo que, disueltos en agua se disocian en partículas con carga o iones que pueden conducir la corriente eléctrica. En 1884, el químico sueco Svante Arrhenius (y más tarde el químico alemán Wilhelm Ostwald) definió los ácidos como sustancias químicas que contenían hidrógeno, y que disueltas en agua producían una concentración de iones hidrógeno o protones, mayor que la existente en el agua pura. Del mismo modo, Arrhenius definió una base como una sustancia que disuelta en agua producía un exceso de iones hidroxilo, OH-. La reacción de neutralización sería:

H+ + OH-⇋H2O

La teoría de Arrhenius y Ostwald ha sido objeto de críticas. La primera es que el concepto de ácidos se limita a especies químicas que contienen hidrógeno y el de base a las especies que contienen iones hidroxilo. La segunda crítica es que la teoría sólo se refiere a disoluciones acuosas, cuando en realidad se conocen muchas reacciones ácido-base que tienen lugar en ausencia de agua.

TEORÍA DE BRØNSTED-LOWRY

Una teoría más satisfactoria es la que formularon en 1923 el químico danés Johannes Brønsted y, paralelamente, el químico británico Thomas Lowry. Esta teoría establece que los ácidos son sustancias capaces de ceder protones (iones hidrógeno H+) y las bases sustancias capaces de aceptarlos. Aún se contempla la presencia de hidrógeno en el ácido, pero ya no se necesita un medio acuoso: el amoníaco líquido, que actúa como una base en una disolución acuosa, se comporta como un ácido en ausencia de agua cediendo un protón a una base y dando lugar al anión (ion negativo) amida:

NH3 + base⇋NH2- + base + H+

El concepto de ácido y base de Brønsted y Lowry ayuda a entender por qué un ácido fuerte desplaza a otro débil de sus compuestos (al igual que sucede entre una base fuerte y otra débil). Las reacciones ácido-base se contemplan como una competición por los protones. En forma de ecuación química, la siguiente reacción de Acido (1) con Base (2)

Ácido (1) + Base (2)⇋Ácido (2) + Base (1)

se produce al transferir un protón el Ácido (1) a la Base (2). Al perder el protón, el Ácido (1) se convierte en su base conjugada, Base (1). Al ganar el protón, la Base (2) se convierte en su ácido conjugado, Ácido (2). La ecuación descrita constituye un equilibrio que puede desplazarse a derecha o izquierda. La reacción efectiva tendrá lugar en la dirección en la que se produzca el par ácido-base más débil. Por ejemplo, HCl es un ácido fuerte en agua porque transfiere fácilmente un protón al agua formando un ion hidronio:

HCl + H2O⇋H3O+ + Cl-

En este caso el equilibrio se desplaza hacia la derecha al ser la base conjugada de HCl, Cl-, una base débil, y H3O+, el ácido conjugado de H2O, un ácido débil.
Al contrario, el fluoruro de hidrógeno, HF, es un ácido débil en agua y no transfiere con facilidad un protón al agua:

HF + H2O⇋H3O+ + F-

Este equilibrio tiende a desplazarse a la izquierda pues H2O es una base más débil que F- y HF es un ácido más débil (en agua) que H3O+. La teoría de Brønsted y Lowry también explica que el agua pueda mostrar propiedades anfóteras, esto es, que puede reaccionar tanto con ácidos como con bases. De este modo, el agua actúa como base en presencia de un ácido más fuerte que ella (como HCl) o, lo que es lo mismo, de un ácido con mayor tendencia a disociarse que el agua: HCl + H2O⇋H3O+ + Cl- El agua también actúa como ácido en presencia de una base más fuerte que ella (como el amoníaco): NH3 + H2O⇋NH4+ + OH-

MEDIDA DE LA FUERZA DE ÁCIDOS O BASES

La fuerza de un ácido se puede medir por su grado de disociación al transferir un protón al agua, produciendo el ion hidronio, H3O+. De igual modo, la fuerza de una base vendrá dada por su grado de aceptación de un protón del agua. Puede establecerse una escala apropiada de ácido-base según la cantidad de H3O+ formada en disoluciones acuosas de ácidos, o de la cantidad de OH- en disoluciones acuosas de bases. En el primer caso tendremos una escala pH, y en el segundo una escala pOH. El valor de pH es igual al logaritmo negativo de la concentración de ion hidronio y el de pOH al de la concentración de ion hidroxilo en una disolución acuosa:

pH = -log [H3O+] pOH = -log [OH-]

El agua pura tiene un pH de 7,0; al añadirle ácido, la concentración de ion hidronio, [H3O+] aumenta respecto a la del agua pura, y el pH baja de 7,0 según la fuerza del ácido. El pOH del agua pura también es de 7,0, y, en presencia de una base cae por debajo de 7,0.

El químico estadounidense Gilbert N. Lewis expuso una nueva teoría de los ácidos y bases en la que no se requería la presencia de hidrógeno en el ácido. En ella se establece que los ácidos son receptores de uno o varios pares de electrones y las bases son donantes de uno o varios pares de electrones. Esta teoría también tiene la ventaja de que es válida con disolventes distintos del agua y no se requiere la formación de una sal o de pares ácido-base conjugados. Según esto, el amoníaco se comporta como una base, pues es capaz de ceder un par de electrones al trifluoruro de boro para formar un par ácido-base:

H3N: + BF3⇋H3N-BF3

Titulación Ácido-Base: Trabajo Práctico

Objetivos:

1. Determinar experimentalmente la composicion de una solucion dada, de acuerdo con una tecnica propuesta.
2. Tabular valores obtenidos experimentalmente.
3. Utilizar un equipo de titulacion en una volumetria acido-base.
4. Calcular, con los valores obtenidos experimentalmente, la concentracion de una solucion dada.

Introduccion Teorica:

El analisis volumetrico es un metodo utilizado para la determinacion de cantidades de sustancias que componen una muestra, mediante una operacion llamada titulacion. La reaccion puede ser acido-base, oxidacion-reduccion o formacion de complejos.

Titulacion acido-base:

Cuando reacciona un acido con una base se forman sal y agua. La reaccion del medio puede ser neutra, acida o basica segun las fuerzas de las sustancias reaccionantes. Cuando se neutraliza un acido fuerte como el acido clorhidrico con una base fuerte como el hidroxido de sodio, se forma una sal de reaccion neutra (cloruro de sodio) y agua y el pH de la solucion obtenida sera igual a 7.

En la reaccion se cumple que el numero de equivalentes-gramo del acido es igual al numero de equivalentes-gramo de la base, en el punto de equivalencia.

La titulacion consiste en medir un volumen de base o de acido de concentracion desconocida y agregar la cantidad equivalente de acido o base de concentracion conocida. Esta ultima se llama solucion valorada.

El punto final de la titulacion se manifiesta mediante algun cambio fisico, por ejemplo el cambio de color de un reactivo auxiliar llamado indicador que debe agregarse al iniciar la titulacion y cuyo cambio o viraje nos indica aproximadamente el punto de equivalencia de la misma.

Parte experimental:

Se titulara una solucion de concentracion desconocida de HCl con solucion valorada de NaOH, 0,1 N. El indicador utilizado sera la fenolftaleina al 0,5% en etanol, incolora a pH < 8 y rojo violacea a pH > 9.

Informe:

1.- Escribir las ecuaciones molecular e ionica correspondientes a la reaccion de titulacion.
2.- Dibujar el esquema del dispositivo con el nombre de todos los materiales empleados en la titulacion.
3.- Explicar brevemente la diferencia entre punto de equivalencia y punto final de una titulacion.
4.- Indicar los calculos efectuados para deducir la concentracion de la solucion de acido expresada en:
• molaridad y normalidad
• gramos de HCl por 100 cm3 de solucion. (% masa/vol)
5.- Informar datos, mediciones y resultados en forma de cuadro.