Reaccion de Sustitucion

¿Qué es una reacción de sustitución simple?

Una reacción de sustitución simple, también llamada reacción de desplazamiento simple, es una reacción en la que un elemento se sustituye por otro dentro un compuesto. Los materiales iniciales siempre son elementos puros, como metal de zinc puro o gas hidrógeno, más un compuesto acuoso. Cuando ocurre una reacción de sustitución, se generan como productos un nuevo compuesto acuoso puro y un elemento puro diferente. La forma general de una reacción de sustitución simple se muestra a continuación.

$\redD{\text{A}}\text B (ac) + \greenD{\text C} \rightarrow \red{\text{A}} +{\greenD{\text C}} \text{B}(ac)$AB(ac)+C→A+CB(ac)start color redD, A, end color redD, B, left parenthesis, a, c, right parenthesis, plus, start color greenD, C, end color greenD, right arrow, start color red, A, end color red, plus, start color greenD, C, end color greenD, B, left parenthesis, a, c, right parenthesis${~~~~~~~~~~~~~~~~~~\downarrow~~~~~~~~\downarrow}$ 

Podemos ver que $\greenD{\text C}$Cstart color greenD, C, end color greenD sustituye a $\redD{\text A}$Astart color redD, A, end color redD dentro del compuesto $\redD{\text{A}} \text B$ABstart color redD, A, end color redD, B para formar un nuevo compuesto $\greenD{\text C}\text B$CBstart color greenD, C, end color greenD, B y $\redD{\text{A}}$Astart color redD, A, end color redD elemental. Otra cosa que podrías notar es que $\redD{\text A}$Astart color redD, A, end color redD comienza como un ion en solución, pero aparece en su forma elemental de lado de los productos. El reactivo $\greenD{\text C}$Cstart color greenD, C, end color greenD hace lo opuesto: inicia en su forma elemental de lado de los reactivos, pero termina como un ion en estado acuoso como parte del compuesto ${\greenD{\text C}} \text{B}(ac)$CB(ac)start color greenD, C, end color greenD, B, left parenthesis, a, c, right parenthesis.

[¿Qué nos dice esto?]

Cuando una sustancia química pasa de ser un ion a ser un elemento puro, indica que ha ocurrido un tipo especial de reacción: una reacción de óxido-reducción o redox. Estas reacciones reciben este nombre porque el estado de oxidación de un ion monoatómico en solución es igual a su carga, mientras que el estado de oxidación de un elemento puro siempre es igual a cero. Por lo tanto, cualquier cosa que pasa de ser un ion a ser un elemento puro, o viceversa, forzosamente debe estar cambiando de estado de oxidación.

Dado que el estado de oxidación de $\redD{\text A}$Astart color redD, A, end color redD y $\greenD{\text C}$Cstart color greenD, C, end color greenD siempre cambia en una reacción de sustitución simple, sabemos que las reacciones de sustitución simple también deben ser reacciones de óxido-reducción.

Vamos a tratar de darle sentido a esa definición con un ejemplo de una reacción.

$$AgNO3(ac)+Cu(s)→  ?\redD{\text{Ag}}\text {NO}_3 (ac) + \greenD{\text {Cu}}(s) \rightarrow~~ \text{?}AgNO​3​​(ac)+Cu(s)→  ?start color redD, A, g, end color redD, N, O, start subscript, 3, end subscript, left parenthesis, a, c, right parenthesis, plus, start color greenD, C, u, end color greenD, left parenthesis, s, right parenthesis, right arrow, space, space, question mark$$

Ejemplo: Reacción de sustitución simple

Consideremos la siguiente reacción:

$\text{AlPO}_4(ac) + \text{Mg}(s) \rightarrow$AlPO​4​​(ac)+Mg(s)→A, l, P, O, start subscript, 4, end subscript, left parenthesis, a, c, right parenthesis, plus, M, g, left parenthesis, s, right parenthesis, right arrow

La primera pregunta que nos podríamos hacer es ¿a qué elemento podría sustituir el $\text{Mg}$MgM, g en el compuesto $\text{AlPO}_4$AlPO​4​​A, l, P, O, start subscript, 4, end subscript? $\text {Al}$AlA, l es un metal que usualmente forma cationes con una carga de 3+. Podemos verificar esto porque $\text{AlPO}_4$AlPO​4​​A, l, P, O, start subscript, 4, end subscript es neutro y el fosfato tiene una carga 3-, por lo que los cationes de aluminio deben tener una carga de 3+. Dado que $\text{Mg}$MgM, g también es un metal que forma cationes, podríamos esperar que $\text{Mg}$MgM, g sustituyera al metal $\text{Al}$AlA, l en nuestro compuesto. Si revisamos la serie de reactividad de cationes, vemos que el magnesio es más reactivo que el aluminio, por lo que predecimos que ocurrirá la reacción de sustitución simple.

¿Qué productos esperamos de esta reacción de sustitución simple? Esperamos formar $\text{Al}(s)$Al(s)A, l, left parenthesis, s, right parenthesis elemental y el nuevo compuesto iónico $\text{Mg}_3 \text{(PO}_4)_2$Mg​3​​(PO​4​​)​2​​M, g, start subscript, 3, end subscript, left parenthesis, P, O, start subscript, 4, end subscript, right parenthesis, start subscript, 2, end subscript.

Necesitamos tener números enteros de los iones de $\text{Mg}^{2+}$Mg​2+​​M, g, start superscript, 2, plus, end superscript y $\text{PO}_4^{3-}$PO​4​3−​​P, O, start subscript, 4, end subscript, start superscript, 3, minus, end superscript, y debemos combinarlos de tal manera que el compuesto iónico global sea neutro. Podemos cumplir con estos requisitos al tener tres iones de $\text{Mg}^{2+}$Mg​2+​​M, g, start superscript, 2, plus, end superscript y dos iones de $\text{PO}_4^{3-}$PO​4​3−​​P, O, start subscript, 4, end subscript, start superscript, 3, minus, end superscript para que nuestras cargas sumen $(3 \times 2^+)+(2 \times 3^-) = 0$(3×2​+​​)+(2×3​−​​)=0left parenthesis, 3, times, 2, start superscript, plus, end superscript, right parenthesis, plus, left parenthesis, 2, times, 3, start superscript, minus, end superscript, right parenthesis, equals, 0.

Esto da la siguiente reacción:

AlPO4(ac)+Mg(s)→Al(s)+Mg3(PO4)2(ac)                   Advertencia: ¡no está balanceada!

Pero todavía no hemos terminado puesto que, por el momento, nuestra reacción no está balanceada. Podemos arreglarlo multiplicando $\text{AlPO}_4$AlPO​4​​A, l, P, O, start subscript, 4, end subscript de lado de los reactivos por dos, $\text{Mg}(s)$Mg(s)M, g, left parenthesis, s, right parenthesis por tres, y $\text{Al}(s)$Al(s)A, l, left parenthesis, s, right parenthesis de lado de los productos por dos. Esto nos da nuestra ecuación balanceada final:

[Consejo para balancear ecuaciones]

Para balancear ecuaciones con iones poliatómicos, puede ser de ayuda usar el método de sustitución. Si no sabes qué es eso o quieres repasarlo, consulta este video sobre el balanceo de ecuaciones con sustitución.

$2\text{AlPO}_4(ac) + 3\text{Mg}(s) \rightarrow 2\text{Al}(s) + \text{Mg}_3 \text {(PO}_4)_2(ac)$2AlPO​4​​(ac)+3Mg(s)→2Al(s)+Mg​3​​(PO​4​​)​2​​(ac)

space, space, space, space, space, start color maroonD, i, n, c, o, l, o, r, a, point, end color maroonD

Reaccion de Neutralizacion

Las reacciones de neutralización, son las reacciones entre un ácido y una base, con el fin de determinar la concentración de las distintas sustancias en la disolución.
Una reacción ácido-base o reacción de neutralización es una reacción química que ocurre entre un ácido y una base produciendo una sal y agua. La palabra "sal" describe cualquier compuesto iónico cuyo catión provenga de una base (Na⁺ del NaOH) y cuyo anión provenga de un ácido (Cl^- del HCl). Las reacciones de neutralización son generalmente exotérmicas, lo que significa que desprenden energía en forma de calor. Se les suele llamar de neutralización porque al reaccionar un ácido con una base, estos neutralizan sus propiedades mutuamente.
Existen varios conceptos que proporcionan definiciones alternativas para los mecanismos de reacción involucrados en estas reacciones, y su aplicación en problemas en disolución relacionados con ellas. La palabra Neutralización se puede interpretar como aniquilación o como eliminación, lo cuál no está muy lejano a la realidad. Cuando un ácido se mezcla con una base ambas especies reaccionan en diferentes grados que dependen en gran medida de las concentraciones y volúmenes del ácido y la base a modo ilustrativo se puede considerar la reacción de un ácido fuerte que se mezcla con una base débil, esta última será neutralizada completamente, mientras que permanecerá en disolución una porción del ácido fuerte, dependiendo de las moles que reaccionaron con la base. Pueden considerarse 3 alternativas adicionales que surgen de la mezcla de un ácido con una base:

1. Se mezcla un ácido Fuerte con una base fuerte: Cuando esto sucede, la especie que quedará en disolución será la que esté en mayor cantidad respecto de la otra.
2. Se mezcla un ácido débil con una base fuerte: La disolución será básica, ya que será la base la que permanezca en la mezcla.
3. Se mezcla un ácido débil con una base débil: Si esto sucede, la acidez de una disolución dependerá de la constante de acidez del ácido débil y de las concentraciones tanto de la base como del ácido.

A pesar de las diferencias en las definiciones, su importancia se pone de manifiesto en los diferentes métodos de análisis, cuando se aplica a reacciones ácido-base de especies gaseosas o líquidas, o cuando el carácter ácido o básico puede ser algo menos evidente. El primero de estos conceptos científicos de ácidos y bases fue proporcionado por el químico francés Antoine Lavoisier, alrededor de 1776.
Ácido + base → sal + agua
 
Ejemplo:

  HCl + NaOH → NaCl + H2O

Las soluciones acuosas son buenas conductoras de la energía eléctrica, debido a los electrolitos, que son los iones positivos y negativos de los compuestos que se encuentran presentes en la solución.
Una buena manera de medir la conductancia es estudiar el movimiento de los iones en una solución.
Cuando un compuesto iónico se disocia enteramente, se le conoce como electrolito fuerte. Son electrolitos fuertes por ejemplo el NaCl, HCl, H2O (potable), etc, en cambio, un electrolito débil es aquel que se disocia muy poco, no produciendo la cantidad suficiente de concentración de iones, por lo que no puede ser conductor de la corriente eléctrica.
Cuando tenemos una disolución con una cantidad de ácido desconocida, dicha cantidad se puede hallar añadiendo poco a poco una base, haciendo que se neutralice la disolución.
Una vez que la disolución ya esté neutralizada, como conocemos la cantidad de base que hemos añadido, se hace fácil determinar la cantidad de ácido que había en la disolución.
En todos los procesos de neutralización se cumple con la “ley de equivalentes”, donde el número de equivalentes del ácido debe ser igual al número de equivalentes de la base:

Nº equivalentes Ácido = nº equivalentes Base

Los equivalentes dependen de la Normalidad, que es la forma de medir las concentraciones de un soluto en un disolvente, así tenemos que:

N= nº de equivalentes de soluto / litros de disolución

Deduciendo : nº equivalentes de soluto = V disolución . Normalidad
Si denominamos NA, como la normalidad en la solución ácida y NB, la normalidad de la solución básica, así como VA y VB, como el volumen de las soluciones ácidas y básicas respectivamente:

NA.VA= NB. VB

Esta expresión se cumple en todas las reacciones de neutralización. Ésta reacción se usa para la determinar la normalidad de una de las disolución, la ácida o la básica, cuando conocemos la disolución con la que la neutralizamos, añadimos así, poco a poco un volumen sabido de la disolución conocida, sobre la solución a estudiar, conteniendo ésta un indicador para poder así observar los cambios de coloración cuando se produzca la neutralización.
El valor del pH, definido como el – log[H+], cuando los equivalentes del ácido y de la base son iguales, se le conoce como punto de equivalencia. El punto de equivalencia puede ser práctico, o teórico.
En el pH, la escala del 0 al 7, es medio ácido, y del 7 al 14, medio básico, siendo el valor en torno al 7, un pH neutro.
Si valoramos la reacción entre un ácido fuerte y una base fuerte, el punto equivalente teórico estará en torno a 7, produciéndose una total neutralización de la disolución. En cambio, si se estudia un ácido débil con una base fuerte, la sal que se produce se hidrolizará, añadiendo a la disolución iones OH-, por lo tanto el punto de equivalencia será mayor que 7. Y si es el caso de un ácido fuerte con una base débil, la sal que se produce se hidroliza añadiendo los iones hidronios, siendo asñi el punto de equivalencia menos que 7.
Cuanto más cerca se encuentren los valores de los puntos teóricos y prácticos, menor será el error cometido.
Recordando conceptos:

• Los ácidos fuertes, son aquellas sustancias que se disocian totalmente, cuando se disuelven en agua. Son ácidos fuertes el H2SO4, HCl, HNO3, etc.

pH= -log [H+] = -log[ Ac. Fuerte]

• Ácidos de fuerza media: son aquellos que se disocian parcialmente, sus constantes ácidas o de disociación son mayores de 1 x 10^-3
• Ácidos débiles: Son aquellos que no se disocian completamente. Cuando más pequeña es la constante ácida, más débil es la acidez.
• Bases fuertes: se disocian totalmente, cediendo todos sus OH-. Bases fuertes son los metales alcalinos, y alcalinotérreos como pueden ser NaOH, KOH, Ba(OH)2, etc

pH= 14 + log [OH-]

• Bases débiles: Se trata de aquellas que no se disocian completamente.

Existen unas sustancias, llamadas indicadores, que generalmente son ácidos orgánicos débiles, éstas poseen la propiedad de cambiar de color cuando cambia la acidez de la disolución donde se encuentran.
Por ejemplo, el papel tornasol, cambia a color azul al ser introducido en una disolución de carácter básico, y a color rojo, si la disolución es ácida.