Una ecuación química es la representación simbólica de una reacción química en forma de símbolos y fórmulas, donde las entidades reactivas se dan en el lado izquierdo y las entidades producto en el lado derecho. [1] Los coeficientes junto a los símbolos y fórmulas de las entidades son los valores absolutos de los números estequiométricos . La primera ecuación química fue diagramada por Jean Beguin en 1615. [2]
Formación de reacción química.
Una ecuación química consta de las fórmulas químicas de los reactivos (las sustancias de partida) y la fórmula química de los productos (sustancias formadas en la reacción química). Los dos están separados por un símbolo de flecha (→, generalmente leído como "rendimiento") y la fórmula química de cada sustancia individual está separada de las demás por un signo más .
Como ejemplo, la ecuación para la reacción del ácido clorhídrico con sodio se puede denotar:
- 2 HCl + 2 Na → 2 NaCl + H
2
Esta ecuación se leería como "dos HCl más dos Na producen dos NaCl y H dos". Pero, para las ecuaciones que involucran sustancias químicas complejas, en lugar de leer la letra y su subíndice, las fórmulas químicas se leen usando la nomenclatura IUPAC . Usando la nomenclatura IUPAC, esta ecuación se leería como "ácido clorhídrico más sodio produce cloruro de sodio e hidrógeno gaseoso".
Esta ecuación indica que el sodio y el HCl reaccionan para formar NaCl y H 2 . También indica que se requieren dos moléculas de sodio por cada dos moléculas de ácido clorhídrico y la reacción formará dos moléculas de cloruro de sodio y una molécula diatómica de molécula de gas hidrógeno por cada dos moléculas de ácido clorhídrico y dos de sodio que reaccionen. Los coeficientes estequiométricos (los números delante de las fórmulas químicas) son el resultado de la ley de conservación de la masa y la ley de conservación de la carga (consulte la sección "Equilibrio de la ecuación química" a continuación para obtener más información).
Símbolos comunes
Los símbolos se utilizan para diferenciar entre diferentes tipos de reacciones. Para indicar el tipo de reacción: [1]
- "El símbolo "se utiliza para denotar una relación estequiométrica .
- "El símbolo "se utiliza para denotar una reacción neta hacia adelante.
- ""El símbolo se usa para denotar una reacción en ambas direcciones. [3]
- ""El símbolo se utiliza para denotar un equilibrio . [4]
El estado físico de los productos químicos también se indica con mucha frecuencia entre paréntesis después del símbolo químico, especialmente para las reacciones iónicas. Cuando se indica el estado físico, (s) indica un sólido, (l) indica un líquido, (g) indica un gas y (aq) indica una solución acuosa .
Si la reacción requiere energía, se indica encima de la flecha. Una letra griega mayúscula delta ([5] ) se coloca en la flecha de reacción para mostrar que se agrega energía en forma de calor a la reacción. La expresion[6] se utiliza como símbolo para la adición de energía en forma de luz. Se utilizan otros símbolos para otros tipos específicos de energía o radiación.
Equilibrio de ecuaciones químicas
La ley de conservación de la masa dicta que la cantidad de cada elemento no cambia en una reacción química . Por tanto, cada lado de la ecuación química debe representar la misma cantidad de cualquier elemento en particular. Asimismo, la carga se conserva en una reacción química . Por lo tanto, la misma carga debe estar presente en ambos lados de la ecuación balanceada .
Uno equilibra una ecuación química cambiando el número escalar de cada fórmula química. Las ecuaciones químicas simples pueden equilibrarse mediante inspección, es decir, mediante ensayo y error. Otra técnica consiste en resolver un sistema de ecuaciones lineales .
Las ecuaciones balanceadas se escriben con los coeficientes de números enteros más pequeños. Si no hay coeficiente antes de una fórmula química, el coeficiente es 1.
El método de inspección puede describirse poniendo un coeficiente de 1 delante de la fórmula química más compleja y poniendo los otros coeficientes antes de todo lo demás, de modo que ambos lados de las flechas tengan el mismo número de cada átomo. Si existe algún coeficiente fraccionario , multiplique cada coeficiente por el número más pequeño necesario para completarlos, normalmente el denominador del coeficiente fraccionario para una reacción con un único coeficiente fraccionario.
Como ejemplo, visto en la imagen de arriba, la quema de metano se equilibraría poniendo un coeficiente de 1 antes del CH 4 :
- 1 CH 4 + O 2 → CO 2 + H 2 O
Dado que hay un carbono a cada lado de la flecha, el primer átomo (carbono) está equilibrado.
Mirando el siguiente átomo (hidrógeno), el lado derecho tiene dos átomos, mientras que el lado izquierdo tiene cuatro. Para equilibrar los hidrógenos, se coloca 2 delante del H 2 O, lo que produce:
- 1 CH 4 + O 2 → CO 2 + 2 H 2 O
La inspección del último átomo que se equilibró (oxígeno) muestra que el lado derecho tiene cuatro átomos, mientras que el lado izquierdo tiene dos. Se puede equilibrar poniendo un 2 antes de O 2 , dando la ecuación equilibrada:
- CH 4 + 2 O 2 → CO 2 + 2 H 2 O
Esta ecuación no tiene coeficientes delante de CH 4 y CO 2 , ya que se descarta un coeficiente de 1.
Método de matriz
Generalmente, cualquier ecuación química que involucre J moléculas diferentes se puede escribir como:
donde R j es el símbolo de la j-ésima molécula, y ν j es el coeficiente estequiométrico de la j-ésima molécula, positivo para productos, negativo para reactivos (o viceversa). Entonces, una ecuación química debidamente equilibrada obedecerá:
donde la matriz de composición a ij es el número de átomos del elemento i en la molécula j . Cualquier vector que, cuando es operado por la matriz de composición, produce un vector cero, se dice que es un miembro del núcleo o espacio nulo del operador. Cualquier miembro ν j del espacio nulo de a ij servirá para equilibrar una ecuación química que involucre el conjunto de J moléculas que componen el sistema. Un vector estequiométrico "preferido" es aquel para el que todos sus elementos pueden convertirse en números enteros sin divisores comunes mediante la multiplicación por una constante adecuada.
Generalmente, la matriz de composición está degenerada: es decir, no todas sus filas serán linealmente independientes. En otras palabras, el rango ( J R ) de la matriz de composición es generalmente menor que su número de columnas ( J ). Según el teorema de nulidad de rango , el espacio nulo de un ij tendrá dimensiones JJ R y este número se llama nulidad ( J N ) de un ij . El problema de equilibrar una ecuación química se convierte entonces en el problema de determinar el espacio nulo J N -dimensional de la matriz de composición. Es importante tener en cuenta que solo para J N = 1, habrá una solución única. Para J N > 1 habrá un número infinito de soluciones para el problema de equilibrio, pero solo J N de ellas serán independientes: si se pueden encontrar J N soluciones independientes para el problema de equilibrio, entonces cualquier otra solución será una combinación lineal de estas soluciones. Si J N = 0, no habrá solución al problema de equilibrio.
Se han desarrollado técnicas [7] [8] para calcular rápidamente un conjunto de J N soluciones independientes al problema de equilibrio y son superiores al método de inspección y algebraico en que son determinantes y dan todas las soluciones al problema de equilibrio.
Ecuaciones iónicas
Una ecuación iónica es una ecuación química en la que los electrolitos se escriben como iones disociados . Las ecuaciones iónicas se utilizan para reacciones de desplazamiento simple y doble que ocurren en soluciones acuosas .
Por ejemplo, en la siguiente reacción de precipitación:
la ecuación iónica completa es:
o, con todos los estados físicos incluidos:
En esta reacción, los iones Ca 2+ y NO 3 - permanecen en solución y no forman parte de la reacción. Es decir, estos iones son idénticos tanto en el lado del reactivo como del producto de la ecuación química. Debido a que estos iones no participan en la reacción, se denominan iones espectadores . Una ecuación iónica neta es la ecuación iónica completa de la que se han eliminado los iones espectadores. [9] La ecuación iónica neta de las reacciones anteriores es:
o, en forma equilibrada reducida ,
En una reacción de neutralización o ácido / base , la ecuación iónica neta generalmente será:
- H + (ac) + OH - (ac) → H 2 O (l)
Hay algunas reacciones ácido / base que producen un precipitado además de la molécula de agua que se muestra arriba. Un ejemplo es la reacción del hidróxido de bario con ácido fosfórico , que produce no solo agua sino también la sal insoluble fosfato de bario . En esta reacción, no hay iones espectadores, por lo que la ecuación iónica neta es la misma que la ecuación iónica completa.
Las reacciones de doble desplazamiento que presentan un carbonato que reacciona con un ácido tienen la ecuación iónica neta:
Si cada ion es un "ion espectador", entonces no hubo reacción y la ecuación iónica neta es nula.
Generalmente, si z j es el múltiplo de la carga elemental en la j-ésima molécula, la neutralidad de carga se puede escribir como:
donde ν j son los coeficientes estequiométricos descritos anteriormente. El z j se puede incorporar [7] [8] como una fila adicional en el un ij matriz descrito anteriormente, y una ecuación iónica adecuadamente equilibrada entonces también instrucciones:
Referencias
- ^ a b IUPAC , Compendio de terminología química , 2ª ed. (el "Libro de oro") (1997). Versión corregida en línea: (2006–) " ecuación de reacción química ". doi : 10.1351 / goldbook.C01034
- ^ Crosland, MP (1959). "El uso de diagramas como 'ecuaciones' químicas en las conferencias de William Cullen y Joseph Black". Annals of Science . 15 (2): 75–90. doi : 10.1080 / 00033795900200088 .
- ^ La notaciónfue propuesto en 1884 por el químico holandés Jacobus Henricus van 't Hoff . Ver: van 't Hoff, JH (1884). Études de Dynamique Chemique [ Estudios de dinámica química ] (en francés). Amsterdam, Países Bajos: Frederik Muller & Co. págs. 4-5.Van 't Hoff llamó a las reacciones que no se completaron como "reacciones limitadas". De las págs. 4-5: "O M. Pfaundler a relié ces deux phénomênes ... s'accomplit en même temps dans deux sens opposés". (Ahora, el Sr. Pfaundler ha unido estos dos fenómenos en un solo concepto al considerar el límite observado como el resultado de dos reacciones opuestas, conduciendo la del ejemplo citado a la formación de sal marina [es decir, NaCl] y ácido nítrico, [ y] el otro al ácido clorhídrico y al nitrato de sodio. Esta consideración, que el experimento valida, justifica la expresión "equilibrio químico", que se utiliza para caracterizar el estado final de reacciones limitadas. Propondría traducir esta expresión por el siguiente símbolo: HCl + NO 3 NaNO 3 H + Cl Na. Por lo tanto, reemplazo, en este caso, el signo = en la ecuación química por el signo, que en realidad no expresa solo igualdad, sino que también muestra la dirección de la reacción. Esto expresa claramente que una acción química ocurre simultáneamente en dos direcciones opuestas).
- ^ La notaciónfue sugerido por Hugh Marshall en 1902. Ver: Marshall, Hugh (1902). "Modificaciones sugeridas del signo de igualdad para su uso en notación química". Actas de la Royal Society of Edinburgh . 24 : 85–87. doi : 10.1017 / S0370164600007720 .
- ^ El símbolo se denota más propiamente como un triángulo simple (△), que originalmente era el símbolo alquímico del fuego.
- ^ Este símbolo proviene de la ecuación de Planck para la energía de un fotón,. A veces se escribe erróneamente con una 'v' ("vee") en lugar de la letra griega ''("nu")
- ^ a b Thorne, Lawrence R. (2010). "Un enfoque innovador para equilibrar ecuaciones de reacción química: una técnica de inversión de matriz simplificada para determinar el espacio nulo de la matriz". Chem. Educador . 15 : 304-308. arXiv : 1110.4321 .
- ^ a b Holmes, Dylan (2015). "La percepción del espacio nulo sobre el equilibrio químico" . Dylan Holmes . Consultado el 10 de octubre de 2017 .
- ^ James E. Brady; Frederick Senese; Neil D. Jespersen (14 de diciembre de 2007). Química: la materia y sus cambios . John Wiley e hijos. ISBN 9780470120941. LCCN 2007033355 .