Química - procesos químicos

La descomposición química es un proceso que experimentan algunos seres humanos en el que, de modo espontáneo o provocado por algún agente externo, a partir de una sustancia compuesta, se originan dos ó más sustancias de estructura química más simple, Es el proceso opuesto a la síntesis química.

La ecuación química generalizada de una descomposición química es:

AB → A + B , o bien, Reactivo → A + B + ...

Un ejemplo específico es la electrólisis de agua que origina hidrógeno y oxígeno, ambos en estado gaseoso:

2 H₂O _( l) → 2 H_2 (g) + O_2 (g)

La descomposición química es, con frecuencia, una reacción química no deseada, pues la estabilidad de un compuesto es siempre limitada cuando se le expone a condiciones ambientales extremas como el calor, la electricidad, las radiaciones, la humedad o ciertos compuestos químicos (ácidos, oxidantes, etc). Los casos más frecuentes de descomposición son la descomposición térmica o termólisis, la electrólisis y la hidrólisis. La descomposición química total de un compuesto origina loselementos que lo constituyen.

Una definición más amplia del término descomposición también incluye la separación de una fase en dos o más fases.

Procesos de descomposición

Salvo en los casos de moléculas muy pequeñas, el proceso de descomposición es, en general, muy complejo y no está bien definido. Es muy frecuente que una molécula pueda dividirse en un conjunto de fragmentos más pequeños, con diferentes modos de separación. Esta característica es utilizada en ciertas técnicas analíticas, sobre todo la espectrometría de masas, el análisis gravimétrico tradicional y el análisis termogravimétrico. Se somete a un compuesto a un proceso de descomposición y se analizan los fragmentos resultantes; tras su reconocimiento se puede inferir la estrucutura de la molécula inicial.

Dentro de este tipo de complicados procesos de descomposición se encuentran los procesos de formación del suelo en los que se va disgregando y transformando la roca madre; la descomposición de restos biológicos (residuos de animales y plantas...) que convierten las complejas moléculas orgánicas en unidades más sencillas que pueden ser de nuevo asimiladas por los organismos vivos (véase ciclo del carbono); o los procesos que intervienen en la digestión en la cual los nutrientes se descomponen en sustancias más simples capaces de ser asimiladas por las células.

Compuestos inestables y descomposición

Los compuestos inestables, si son preparados, sufren una descomposición más o menos inmediata en la que se forman sustancias más simples. Un ejemplo de compuesto inestable es el ácido carbónico, que se descompone en dióxido de carbono y agua.

Los compuestos inestables acumulan gran cantidad de energía química y, en ocasiones, son de interés por esta cuestión. Para que puedan tener cierta utilidad práctica, se debe encontrar una forma adecuada de conferirles la suficiente estabilidad química necesaria para su manejo. Es el caso de la nitroglicerina, un explosivo líquido altamente inestable que detona con un simple movimiento brusco. Si se impregna dicho líquido en un material poroso como la tierra de diatomeas, el material resultante, la dinamita, es un sólido de mayor estabilidad que requiere un iniciador para desarrollar una explosión.

La velocidad de descomposición de los compuestos inestables es muy variable y depende de la naturaleza del compuesto y de las condiciones del medio. Muchos de ellos pueden existir durante períodos largos, pero la presencia de ciertas sustancias que actúan como catalizadores, o de ciertos cambios ambientales (subida de temperatura, etc) desencadenan su descomposición. Como ejemplo, el ozono (O₃) es una variedad alotrópica inestable del oxígeno (O₂) que se forma en la estratosferay se descompone en presencia de átomos de cloro. Esos átomos de cloro proceden de la descomposición de compuestos organoclorados como los clorofluorocarbonos(estables en condiciones normales pero que se descomponen en la alta atmósfera por la luz ultravioleta), siendo la causa de un grave problema ambiental, la destrucción de la capa de ozono.

Tipos de descomposición y ejemplos

Hay tres tipos de reacciones de descomposición, dependiendo del agente causante de la misma:

• Térmica, producida por una temperatura elevada.
• Electrolítica, producida por la corriente eléctrica
• Catalítica, producida por la acción de un catalizador, que acelera una reacción que de otro modo sería muy lenta.

Un ejemplo de descomposición espontánea es la del peróxido de hidrógeno, que poco a poco se descompone en agua y oxígeno:

2 H₂O₂ → 2 H₂O + O₂

Los carbonatos se descomponen cuando se calientan, siendo una excepción notable el ácido carbónico , H₂CO₃. El ácido carbónico, que produce la efervescencia de los refrescos, latas de bebida y otras bebidas carbonatadas, se descompone con el tiempo (espontáneamente) en dióxido de carbono y agua.

H₂CO₃ → H₂O + CO₂

Otros carbonatos se descomponen cuando se calientan produciendo el correspondiente óxido de metal y dióxido de carbono. En la siguiente ecuación M representa un metal:

MCO₃ → MO + CO₂

Un ejemplo concreto de esta descomposición es la del carbonato de calcio:

CaCO₃ → CaO + CO₂

Los cloratos de metal también se descomponen cuando se calientan originando como productos un cloruro de metal y oxígeno.

2 MClO₃ → 2 MCl + 3 O₂

Un ejemplo de esta descomposición es la del clorato de potasio que transcurre como sigue:

2 KClO₃ → 2 KCl + 3 O₂

---

Reacciones Químicas

---

Una reacción química consiste en el cambio de una o mas sustancias en otra(s).  Los reactantes son las sustancias involucradas al inicio de la reacción y los productos son las sustancias que resultan de la transformación.  En una ecuación química que describe una reacción, los reactantes, representados por sus fórmulas o símbolos, se ubican a la izquierda de una flecha; y posterior a la flecha,  se escriben los productos, igualmente simbolizados. En una ecuación se puede indicar los estados físicos de las sustancias involucradas de la manera siguiente: (s) para sólido, (l) para líquido, (g) para gaseoso y (ac) para soluciones acuosas.  Los catalizadores, temperaturas o condiciones especiales deben especificarse encima de la flecha.

 

Ecuación Química: representa la transformación de sustancias. Reactante(s) à Producto(s)

Tipos de Reacciones Químicas

Las reacciones químicas pueden clasificarse de manera sencilla en cinco grandes grupos.  Existen otras clasificaciones, pero para predicción de los productos de una reacción, esta clasificación es la más útil. 

Reacciones de Síntesis o Composición

En estas reacciones, dos o más elementos o compuestos se combinan, resultando en un solo producto. 

Síntesis Química: la combinación de dos o mas sustancias para formar un solo compuesto. A +   B à C (donde A y B pueden ser elementos o compuestos)

Ejemplo:

Escriba la reacción de síntesis entre el aluminio y el oxígeno.

Solución:

Dos elementos se combinarán para formar el compuesto binario correspondiente.  En este caso, el aluminio y el oxígeno formarán el óxido de aluminio.  La ecuación que representa la reacción es la siguiente:

4 Al (s) +  3 O₂ (g) à  2 Al₂O₃ (s)

Nota:  Es importante recordar los elementos que son diatómicos, los cuales se escriben con un subíndice de 2 cuando no se encuentran combinados y participan en una reacción.  Estos son el hidrógeno, nitrógeno, oxígeno, flúor, cloro, bromo y el  yodo. 

Reacciones de Descomposición o Análisis

Estas reacciones son inversas a la síntesis y son aquellas en la cuales se forman dos o más productos a partir de un solo reactante, usualmente con la ayuda del calor o la electricidad.

Descomposición Química: la formación de dos o mas sustancias a partir de un solo compuesto. A à  B + C (donde B y C pueden ser elementos o compuestos)

   

Ejemplo­:

Escriba la ecuación que representa la descomposición del óxido de mercurio (II).

Solución:

Un compuesto binario se descompone en los elementos que lo conforman.  En este caso, el óxido de mercurio (II) se descompone para formar los elementos mercurio y oxígeno. La ecuación que representa la reacción es la siguiente:

2 HgO (s) à  2 Hg (l)  + O₂ (g)

Reacciones de Desplazamiento o Sustitución Sencilla

Estas reacciones son aquellas en las cuales un átomo toma el lugar de otro similar pero menos activo en un compuesto.  En general, los metales reemplazan metales (o al hidrógeno de un ácido) y los no metales reemplazan no metales.  La actividad de los metales es la siguiente, en orden de mayor actividad a menor actividad: Li, K, Na, Ba, Ca, Mg, Al, Zn, Fe, Cd, Ni, Sn, Pb, (H), Cu, Hg, Ag, Au.  El orden de actividad de los no metales mas comunes es el siguiente:  F, O, Cl, Br, I, siendo el flúor el más activo.

Desplazamiento Químico: un elemento reemplaza a otro similar y menos activo en un compuesto. AB + C à  CB + A   ó   AB + C  à  AC + B (dónde C es un elemento más activo que un metal A o un no metal B)

Ejemplo 1:

Escriba la reacción entre el magnesio y una solución de sulfato de cobre (II).

Solución:

El magnesio es un metal más activo que el cobre y por tanto, lo reemplazará en el compuesto, formando sulfato de magnesio.  A la vez, el cobre queda en su estado libre como otro producto de la reacción.  La ecuación que representa la reacción es la siguiente:

Mg (s) +  CuSO₄ (ac) à  MgSO₄ (ac)  +  Cu (s)

Ejemplo 2:

Escriba la reacción entre el óxido de sodio y el flúor. 

Solución:

El flúor es un no metal más activo que el oxígeno y por tanto, lo reemplazará en el compuesto, formando fluoruro de sodio.  A la vez, el oxígeno queda en su estado libre como otro producto de la reacción.  La ecuación que representa la reacción es la siguiente:

 2 F₂ (g) +  2 Na₂O (ac) à 4 NaF (ac)  +  O₂ (g)

Ejemplo 3: 

Escriba la reacción entre la plata y una solución de nitrato de bario. 

Solución:

La reacción no se da, puesto que la plata es un metal menos activo que el bario y por ende, no lo reemplaza. 

Reacciones de Doble Desplazamiento o Intercambio

Estas reacciones son aquellas en las cuales el ión positivo (catión) de un compuesto se combina con el ión negativo (anión) del otro y viceversa, habiendo así un intercambio de átomos entre los reactantes.  En general, estas reacciones ocurren en solución, es decir, que al menos uno de los reactantes debe estar en solución acuosa.

Doble Desplazamiento Químico: los reactantes intercambian átomos – el catión de uno se combina con el anión del otro y viceversa. AB + CD à  AD + CB

Solución:

En esta reacción, la plata reemplaza al hidrógeno del ácido, formando cloruro de plata.  Al mismo tiempo, el hidrógeno reemplaza a la plata, formando ácido nítrico con el nitrato.  La ecuación que representa la reacción es la siguiente:

AgNO₃ (ac) +  HCl (ac) à  HNO₃ (ac)  +  AgCl (s)

Reacciones de Neutralización

Estas reacciones son de doble desplazamiento o intercambio.  Su particularidad es que  ocurren entre un ácido y una base y los productos de la reacción son agua y una sal formada por el catión de la base y el anión del ácido. 

Por ejemplo, la reacción entre el ácido sulfúrico y el hidróxido de sodio resulta en la formación de agua y sulfato de sodio.  La ecuación que representa esta reacción es la siguiente:   

H₂SO₄ (ac) +  2 NaOH (ac) à  2 H₂O (l)  +  Na₂SO₄ (ac)

Reacciones de Combustión
Estas reacciones ocurren cuando un hidrocarburo orgánico (un compuesto que contiene carbono e hidrógeno) se combina con el oxígeno, formando agua y dióxido de carbono como productos de la reacción y liberando grandes cantidades de energía.  Las reacciones de combustión son esenciales para la vida, ya que la respiración celular es una de ellas. 
   

Combustión: un hidrocarburo orgánico reacciona con el oxígeno para producir agua y dióxido de carbono. hidrocarburo + O2 à  H2O + CO2

Ejemplo 1:

Escriba la ecuación que representa la reacción de combustión de la glucosa, el azúcar sanguíneo (C₆H₁₂O₆).

Solución:

En esta reacción, la glucosa es un hidrocarburo que reacciona con el oxígeno, resultando en los productos de la combustión – el agua y el dióxido de carbono. La ecuación que representa la reacción es la siguiente:

C₆H₁₂O₆  +  O₂  à  H₂O  +  CO₂

Preguntas:

Clasifique las siguientes reacciones como uno de los cinco tipos de reacciones descritos. 2 H2 + O2 à 2 H2O H2CO3  + 2 Na à  Na2CO3 +  H2 Ba(OH)2 à  H2O +  BaO Ca(OH)2 +  2 HCl à 2 H2O +  CaCl2 CH4  +   2 O2  à  CO2  +  2 H2O 2 Na  +  Cl2  à 2 NaCl Cl2   + 2 LiBr à 2 LiCl  +  Br2
¿Qué productos se pueden obtener a partir de las soluciones de cloruro de potasio y yoduro de plata?  ¿Qué clase de reacción se verifica?
¿Qué productos de obtienen a partir del zinc y el ácido clorhídrico? ¿Qué clase de reacción se verifica?
Escriba la ecuación que representa la reacción entre el magnesio y el oxígeno.  ¿Qué clase de reacción se verifica?
¿Cuál de las siguientes ecuaciones representa la descomposición del cloruro de potasio?  K  +  Cl  à  KCl 2 KCl  +   F2 à 2 KF  + Cl2 KCl à  K  + Cl 2 KCl  à 2 K  + Cl2 2 KCl  à  K2   +  Cl2 Ninguna de las anteriores
¿Cuál de las siguientes ecuaciones representa una reacción de neutralización?  2 K  +  2 HCl  à 2 KCl  +  H2 KOH  +   HNO3 à  KNO3  +  H2O K2SO4  +  2 NaOH  à  Na2SO4  + 2 KOH Ca(OH)2 à  H2O +  CaO Ninguna de las anteriores
Complete las siguientes reacciones adecuadamente y clasifíquelas. CaO  à  Na +  F2  à Al +  Mg(NO3)2 à HClO +  LiOH à C2H5OH  +  O2 à HNO3  +  Ca  à BaCl2  +  Na2SO4 à