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