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Fig.1 Alambre de cobre en solución de nitrato de plata
Entonces, ¿qué ha pasado? ¿Por qué nuestro alambre de cobre es de repente plateado? ¿Y por qué de repente nuestra solución es azul? Pues bien, se ha producido una reacción de sustitución simple. Esto significa que se están formando cristales de plata en el alambre (de ahí que sea plateado) y que hay nitrato de cobre (Cu(NO3)2) en solución, que es azul.
En este artículo aprenderemos todo sobre las reacciones de sustitución simple y doble, para comprender mejor por qué se producen reacciones como ésta.
- Este artículo trata sobre las reacciones de sustitución simple y doble .
- Primero definiremos qué es una reacción de sustitución simple.
- Después, veremos algunos ejemplos de reacciones de sustitución simple.
- A continuación, conoceremos las series de actividad y veremos cómo se utilizan en relación con las reacciones de sustitución simple.
- A continuación, definiremos las reacciones de doble sustitución y veremos algunos ejemplos.
- Por último, conoceremos dos tipos especiales de reacciones de doble sustitución: las reacciones de precipitación y las reacciones de neutralización.
Definición de la reacción de sustitución simple
Empecemos por la definición de reacción de sustitución simple.
En una reacción de sustitución simple, un elemento se intercambia con otro en un compuesto, creando un nuevo compuesto.
Esta reacción se denomina a veces de desplazamiento simple , ya que un elemento "expulsa" (desplaza) a otro.
La fórmula general de esta reacción es
$$A + BC \rightarrow AC + B$$
Esencialmente, el elemento A se está intercambiando con el elemento B, que forma el nuevo compuesto AC. Esto deja al elemento B como elemento solitario.
Es importante recordar que el elemento solitario siempre se intercambiará con una especie de carga similar. Básicamente, sólo las especies formadoras de cationes (con carga positiva) pueden desplazar a otra especie formadora de cationes. Por ejemplo, el hierro (Fe), que puede tener una carga de +2 o +3, no puede desplazar al oxígeno (O), que puede tener una carga de -2.
Además, el elemento que sustituye siempre es más reactivo que la especie a la que sustituye. Hablaremos más de esto en el apartado "Series de actividad".
Reacciones de sustitución simple
Ahora que ya hemos visto cómo es la reacción general, veamos algunos ejemplos concretos.
Reacciones de sustitución de cationes
$$Cu + AgNO_3 en flecha recta CuNO_3 + Ag$$
$$Zn + CuCl_2 \rightarrow ZnCl_2 + Cu$$
Zn + H_2S Flecha derecha H_2 + ZnS$$
En las reacciones anteriores, el elemento solitario (neutro) puede formar un catión, que sustituirá al catión en el compuesto.
La primera y la segunda reacción son en realidad las reacciones de las que hablamos en la introducción. No es necesario que estos elementos tengan la misma carga, basta con que tengan el mismo tipo de carga (es decir, positiva o negativa). En la tercera reacción, el zinc (Zn) tiene una carga +2 en el sulfuro de zinc (ZnS), mientras que el hidrógeno (H) tiene una carga +1 cuando está unido al azufre (S).
Reacciones de sustitución aniónica
$$Br_2 + 2KI \rightarrow 2KBr + I_2$$
$$ F_2 + NaCl \rightarrow NaF + Cl_2$$
Las reacciones de sustitución de aniones son prácticamente iguales a las de sustitución de cationes, salvo que la especie cargada negativamente es la que se sustituye.
Cuando un elemento está solo (sin ninguna carga anotada) es neutro. Sólo tiene carga cuando está enlazado. Por ello, debes recordar qué especies forman cationes y cuáles aniones. Por ejemplo, la siguiente reacción no es posible:
$$Zn + HCl H_2Zn$$
Esto se debe a que el zinc sólo forma un catión (carga +2), por lo que no puede sustituir al cloro (Cl), que tiene una carga -1 cuando se une al hidrógeno.
Serie de actividades
Las reacciones de sustitución simple sólo pueden producirse cuando el elemento que sustituye a otro es más reactivo. Para ayudarnos a recordar qué especie es más reactiva, utilizamos una serie de actividad .
Una serie de actividad es una tabla que enumera los elementos de más a menos reactivos.
En primer lugar, aquí tienes la serie de actividad de los metales.
Fig.2- Serie de actividad de los metales
A partir de este gráfico, podemos ver algunos patrones generales:
Los metales de los grupos 1 y 2 son más reactivos que los metales de transición
La reactividad de los metales de transición disminuye a medida que se desciende por las filas
Trabajemos con un ejemplo:
¿Cuál de las siguientes reacciones de sustitución simple no es posible?
$$2Na + ZnCl_2 en flecha recta 2NaCl + Zn$$
$$Cu + ZnCl_2 \rightarrow CuCl_2 + Zn$$
$$Pb + ZnCl_2 \rightarrow PbCl_2 + Zn$$
Cada uno de estos elementos se intercambia con el zinc (Zn), por lo que tenemos que comparar sus reactividades con la del zinc.
Como el cobre está por debajo del zinc, es menos reactivo, y por tanto esa reacción no es posible. Tanto el sodio como el plomo están por encima del zinc, por lo que son suficientemente reactivos para que se produzca la reacción.
Y ahora los no metales:
Fig.3-Serie de actividad de los no metales
He aquí algunas reglas generales:
- El grupo 17 es generalmente más reactivo que el grupo 16 (excepto el yodo)
- Al descender en el grupo 17, los elementos se vuelven menos reactivos
- Al descender por el grupo 16, los elementos se vuelven menos reactivos
Aunque éstas son unas buenas reglas generales, ¡es mejor tener a mano una serie de actividades!
Hagamos otro ejemplo, esta vez utilizando la serie de los no metales:
¿Cuál de las siguientes reacciones no es posible?
$$ Br_2 + CuO en flecha recta CuBr + O_2$$
$$ F_2 + CuO \rightarrow CuF + O_2$$
$$ I_2 + CuO \flecha derecha CuI + O_2$$
Como el yodo (I) está por debajo del oxígeno en la serie de actividad, es menos reactivo que el oxígeno y, por tanto, esta reacción no puede producirse (tanto el bromo (Br) como el flúor (F) están por encima del oxígeno).
Definición de la reacción de doble sustitución
Pasemos ahora a las reacciones de doble sustitución. Su definición es la siguiente:
Lasreacciones de doble sustitución son las que se producen entre dos compuestos iónicos. Los iones del mismo tipo (cationes o aniones) se intercambian entre los dos compuestos, formando otros nuevos.
La fórmula general de las reacciones de doble sustitución es
$$AB + CD \rightarrow CB + AD$$
Donde A y C son cationes y B y D son aniones.
Reacciones de doble sustitución
En una reacción de doble sustitución, se intercambian ambos cationes o ambos aniones. A diferencia de las reacciones de sustitución simple, no puedes saber realmente cuáles se han intercambiado, porque acabarías obteniendo el mismo producto.
A continuación se muestran algunos ejemplos de reacciones de doble sustitución:
$$(NH_4)_2CO_3 + Ba(NO_3)_2 + 2NH_4NO_3 + BaCO_3$$
$$2KI + Pb(NO_3)_2 en flecha recta PbI_2 + 2KNO_3$$
$$Ca(OH)_2 + HCl \rightarrow H_2O + CaCl_2$$
Reacciones de precipitación
Lasreacciones de precipitación son un tipo especial de reacciones de doble sustitución. En estas reacciones, dos sólidos acuosos (disueltos en agua) reaccionan para formar un sólido insoluble llamado precipitado.
A continuación se muestran algunos ejemplos de Reacción de Precipitación:
$$AgNO_{3\},(aq)} + NaCl_{(aq)} \Nen flecha recta NaNO_{3\},(aq)} + AgCl_(s)}$$
$$CuSO_{4},(aq)} + 2NaOH_(aq)} \$$rightarrow Na_2SO_{4},(aq)} + Cu(OH)_{2},(s)}$$
A menudo, al estudiar las reacciones de precipitación, utilizamos la ecuación iónica neta en lugar de las ecuaciones químicas normales, como se muestra arriba. En las ecuaciones iónicasnetas, sólo se muestran los iones que forman el precipitado, ya que ésta es la reacción directa que se produce.
Por ejemplo, la ecuación iónica neta de nuestro primer ejemplo es
$$Ag^+_{(aq)} + Cl^-_{(aq)} AgCl_(s)}$$ flecha recta
Básicamente, no se incluyen los iones que permanecen en la solución durante todo el proceso. Estos iones se denominan iones espectadores, ya que sólo "espectan" la reacción y no participan directamente.
Reacciones de neutralización
Otro tipo especial de reacción de doble sustitución es la reacción de neutralización.
Una reacción de neutralización es una reacción entre un ácido (donador de H+ ) y una base (aceptor de H+ ) que forma una sal (sólido iónico) y agua
La fórmula general para este tipo de reacción es
$$HA + BOH en flecha recta H_2O + BA$$
Donde A es el anión del ácido y B es el catión de la base.
La reacción se denomina reacción de neutralización porque tanto las sales (aquí mostradas como BA) como el agua (H2O) tienen un pH neutro (pH=7)
A continuación se muestran algunos ejemplos:
$$HCl + NaOH + H_2O vertical + NaCl$$
$$HBr + KOH \rightarrow H_2O + KBr$$
Reacciones de sustitución simple y doble - Puntos clave
- En una reacción de sustitución simple, un elemento se intercambia con otro en un compuesto, creando un nuevo compuesto
- La fórmula general de esta reacción es
$$A + BC \rightarrow AC + B$$
- La fórmula general de esta reacción es
Una serie de actividad es una tabla que enumera los elementos de más a menos reactivos.
Para que se produzca una reacción de sustitución simple, el elemento de sustitución debe ser más reactivo que el elemento sustituido
Las reacciones dedoble sustitución son reacciones que se producen entre dos compuestos iónicos. Los iones del mismo tipo (cationes o aniones) se intercambian entre los dos compuestos, formando otros nuevos.
- La fórmula general de las reacciones de doble sustitución es
$$AB + CD \$$ en lugar de CB + AD$$
- La fórmula general de las reacciones de doble sustitución es
Las reacciones deprecipitado son un tipo especial de reacciones de doble sustitución en las que dos sólidos acuosos (disueltos en agua) reaccionan para formar un sólido insoluble llamado precipitado
Una reacción de neutralización es una reacción entre un ácido (donador de H+ ) y una base (aceptor de H+ ) que forma una sal (sólido iónico) y agua
Referencias
- Fig.1-Hilo de cobre en solución de nitrato de plata (https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/6/65/Arbre_de_Diane_%28d%C3%A9but_de_r%C3%A9action%29_03.jpg/1200px-Arbre_de_Diane_%28d%C3%A9but_de_r%C3%A9action%29_03.jpg?20090408142550) por ΛΦΠ (https://fr.wikipedia.org/wiki/Utilisateur:%CE%9B%CE%A6%CE%A0) bajo licencia CC BY -SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/)
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