La variedad de transformaciones químicas es enorme, por lo que es necesario clasificar las distintas reacciones químicas. Los factores en función de los cuales se pueden clasificar dichas reacciones son muy diversos.

3.1. Clasificación por cambio de estructura

Esta clasificación atiende a la forma en que se agrupan o separan los átomos que forman los compuestos de una reacción química. De acuerdo con esta forma, podemos encontrar reacciones de síntesis, de sustitución y de descomposición.

A. Reacciones de síntesis

En este tipo de reacciones varias sustancias se unen para formar una nueva estructura más compleja. Por ejemplo:
 

• En fase gaseosa:

 

 

• En fase sólida:  

B. Reacciones de sustitución

En este tipo de reacciones un elemento o grupo de elementos sustituye a otro elemento o grupo de una estructura mayor. Se diferencia de la síntesis en que, tras la formación de la nueva sustancia, se desprende una estructura que estaba enlazada.

Podemos diferenciar dos tipos de sustituciones:

• Simple: entra una estructura y reemplaza a otra preexistente que abandona el compuesto. Por ejemplo:

• De intercambio o doble sustitución: dos sustancias complejas intercambian alguna de sus estructuras de manera que no se desprende nada. Por ejemplo:

C. Reacciones de descomposición

En este tipo de reacciones, una sustancia compleja se descompone en varias más simples. Es el proceso inverso a las reacciones de síntesis. Por ejemplo:

• En fase sólida:

• En fase acuosa:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.2. Clasificación por transferencia

Otra forma de clasificar las reacciones químicas responde a la capacidad de determinadas sustancias de intercambiar una determinada estructura. Diferenciamos tres casos: por transferencia de protones, de electrones y de iones.

A. Transferencia de protones: ácido-base

En este caso, la estructura que se intercambia es el protón (H⁺), lo que origina una de las clasificaciones más antiguas que se conoce de las sustancias: ácidos y bases.

Dos teorías explican este comportamiento:

Al analizar la teoría de Brönsted-Lowry, se puede observar:

Por otra parte, si analizamos la actuación del agua, observaremos que, frente a un ácido, esta acepta un protón comportándose como una base, mientras que, ante una base, el agua cede un protón y se comporta como un ácido. Cuando una especie posee este doble comportamiento, se denomina anfótera.

Escala de pH

Se acaba de relacionar el carácter ácido o básico con la ganancia o pérdida de protones [H⁺]; se puede, pues, utilizar esta magnitud para cuantizar el carácter ácido de una disolución. No obstante, al tomar esta concentración valores tan pequeños, conviene cambiar a una escala más manejable, como la logarítmica. Se define así una nueva magnitud, el pH de una disolución:

pH = −log [H⁺] = −log [H₃O⁺]   [H⁺] = [H₃O⁺] = 10^−pH

Como el agua pura ya tiene protones, el valor de pH neutro no es nulo, sino que está situado en el 7. Una disolución ácida contendrá una concentración mayor de protones, pero, a causa del exponente negativo, su pH es menor que 7.

Si trabajamos con bases, calculamos el pOH = −log [OH ] y obtenemos el pH a partir de la expresión: pH + pOH = 14.

Valoraciones o volumetrías de neutralización ácido-base

Una de las ramas más importantes de la química es la denominada química analítica, que se encarga del análisis y cuantización de muestras. Dado que la variedad de muestras es casi infinita, el número de técnicas que se pueden utilizar es muy elevado, pero muchas de ellas poseen un paso en común: la valoración o volumetría.

B. Transferencia de iones: precipitación

Se denominan reacciones de precipitación aquellas reacciones que transcurren en disolución (generalmente acuosa) y en las que se genera un producto insoluble en fase sólida que enturbia la disolución o se deposita en el fondo.

 

Laboratorio en el aula. Precipitando

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4. Lluvia de oro. Prepara una disolución de nitrato de plomo (Pb(NO₃)₂) y otra de yoduro de potasio (KI), disolviendo 0,1 g de cada sal en 100 mL de agua. Vierte una sobre otra y analiza el resultado. Nota: el resultado posee plomo, que es contaminante, y no debes tirarlo por la pila ni a la basura; tu docente te indicará cómo actuar.
   
   Repite el experimento, pero mezclando las sales directamente en un mortero. Escribe y ajusta la reacción que ha tenido lugar en este caso.
5. ¿Tiene cloruros el agua que bebes? La presencia de cloruros es habitual en el agua para consumo. ¿Cómo demostrarlo? Toma cuatro tubos de ensayo y añade, en el primero de ellos, 3 mL de agua destilada; en el segundo, agua mineral embotellada; en el tercero, agua del grifo y, en el último, agua de una fuente natural. Añade directamente en todos ellos una punta de espátula de nitrato de plata (AgNO₃).
   
   ¿En qué tubo de ensayo aparece un precipitado, qué producto se ha formado y qué información extraes de ello? Este ensayo puede dar positivo con otros iones, ¿cuáles pueden ser?
6. Humo de la nada. Toma dos probetas de 100 mL o dos matraces aforados de igual volumen. En una de ellas coloca unas cinco gotas de ácido clorhídrico comercial y, en la otra, cinco gotas de amoniaco comercial. Tápalas con un poco de algodón y espera unos minutos. Dentro de la campana extractora de gases destápalas y vierte simultáneamente su contenido gaseoso sobre un vaso de precipitados de 500 mL. ¿Qué observas?
   
   Escribe y ajusta la reacción que ha sucedido, teniendo en cuenta que hemos combinado un ácido con una base. ¿Qué sucedería si la reacción se hiciera mezclando directamente los reactivos disueltos en agua (1 mL en 100 mL de agua)?
7. Detectando CO₂. Añade a 50 mL de agua la cantidad suficiente de hidróxido de calcio (Ca(OH)₂) hasta llegar a saturarla y, a continuación, fíltrala para obtener una disolución transparente y limpia. Con una pajita, sopla suavemente a través de la disolución. La aparición de un precipitado muestra la existencia de CO₂ en el aire que exhalamos.
   
   Identifica, escribe y ajusta las reacciones consecutivas que han sucedido. ¿Qué tipo de reacción ha tenido lugar?
8. Aparece y desaparece. Disuelve 0,1 g de sulfato de cobre en 100 mL de agua y coloca 4 mL de esta disolución en un tubo de ensayo. Disuelve 0,1 g de hidróxido de sodio en 50 mL de agua y guárdalo en una botella con cuentagotas. Deja caer una gota de la disolución de hidróxido sobre la de cobre. ¿Qué observas? Ahora añade 10 gotas más. ¿Qué ha sucedido? ¿Cómo se llama este proceso? Identifica, escribe y ajusta las reacciones que han tenido lugar.
   
   A partir de los cinco experimentos, ¿qué conclusión obtienes sobre la fase de los reactivos en relación con la aparición de un precipitado?

 

 

 

 

 

 

 

 

Algunas aplicaciones de las reacciones de precipitación son:

• Detección de determinados iones. Si se añade el contraión adecuado, la aparición de un precipitado indica la presencia del ion, como en el caso de detección de CO₂ o de cloruros en las aguas, o en el caso de determinar la presencia de cobre.
• Eliminación de un determinado ion mediante la formación de una sal insoluble que, posteriormente, se retira por filtración, centrifugación o decantación.

C. Transferencia de electrones: redox

Acabamos de estudiar las reacciones en las que se intercambian cargas positivas, como los protones en ácido-base. En esta ocasión, el intercambio será de cargas negativas en forma de electrones, lo que origina dos comportamientos:

Como observarás, los procesos deben suceder de manera simultánea: alguien debe perder electrones para que otra sustancia los pueda ganar. Esto permite definir el proceso redox como dos semirreacciones, una de reducción y otra de oxidación:

Las aplicaciones de los procesos redox son muy numerosas. Veamos algunas de ellas:

• Deposición de metales nobles: utilizando el reductor adecuado, es posible conseguir la formación de una capa de un metal noble (Au, Ag, incluso Cu) sobre un cuerpo a partir de una disolución de alguna de sus sales.

• Decapado: es el caso opuesto al anterior, la eliminación de un metal.

• Protección catódica: consiste en introducir en el sistema una sustancia que se oxide an­tes de la que queremos proteger. Un ejemplo es el uso de barras de magnesio en el interior de los calentadores eléctricos. Este metal se oxida antes que el hierro que forma la carcasa metálica, por lo que esta está protegida.

• Procesos biológicos, como la fotosíntesis, poseen una cadena bastante compleja de procesos redox que permiten transportar la energía luminosa del sol y convertirla en energía química. La respiración hace el ciclo inverso para aprovechar la energía química y convertirla en movimiento, reparación celular, etc.

• El intercambio de electrones producido en los procesos redox se puede aprovechar y transferir por un conductor eléctrico. Tan solo hay que separar las dos semirreacciones con un tabique poroso o en dos recipientes independientes. En este último caso hay que cerrar el circuito eléctrico con un puente salino que permita el flujo de cargas en forma de iones.

La combustión

Una de las reacciones químicas que más ha influido en la historia de la humanidad pertenece a los procesos redox y corresponde a las combustiones: nos permitió calentarnos, protegernos de los depredadores y, sobre todo, cocinar los alimentos para que fueran más digeribles; además, posibilitó a la humanidad el descubrimiento de la metalurgia y la transición de la Edad de Piedra a la de los Metales.

Cualquier combustión es un caso particular de proceso redox entre un combustible (que se oxida) y un comburente (que actúa como oxidante), acompañado de emisión de energía en forma de luz y, sobre todo, de calor. Se concluye, por tanto, que las combustiones son procesos exotérmicos.

En la combustión del carbón (esencialmente carbono) o del Mg de una bengala, tenemos: