Reacciones de intercambio (doble desplazamiento)
Una reacción de precipitación es una reacción que produce un producto insoluble, un precipitado, cuando se mezclan dos soluciones. Describimos una reacción de precipitación en la que se mezcló una solución incolora de nitrato de plata con una solución amarillo-naranja de dicromato de potasio para dar un precipitado rojizo de dicromato de plata:
[ ce {AgNO_3 (aq) + K_2Cr_2O_7 (aq) rightarrow Ag_2Cr_2O_7 (s) + KNO_3 (aq)} label {4.2.1} ]
Esta ecuación desequilibrada tiene la forma general de una reacción de intercambio:
[ overbrace { ce {AC}} ^ { text {soluble}} + overbrace { ce {BD}} ^ { text {soluble}} rightarrow underbrace { ce {AD} } _ { text {insoluble}} + overbrace { ce {BC}} ^ { text {soluble}} label {4.2.2} ]
La solubilidad y las anotaciones insolubles son específicas de la reacción en la Ecuación ref {4.2.1} y no son características de todas las reacciones de intercambio (por ejemplo, ambos productos pueden ser solubles o insolubles). Las reacciones de precipitación son una subclase de reacciones de intercambio que ocurren entre compuestos iónicos cuando uno de los productos es insoluble. Debido a que ambos componentes de cada compuesto cambian de pareja, tales reacciones a veces se llaman reacciones de doble desplazamiento . Dos usos importantes de las reacciones de precipitación son aislar metales que han sido extraídos de sus minerales y recuperar metales preciosos para reciclarlos.
Video ( PageIndex {1} ): Mezcla de cromato de potasio y nitrato de plata para iniciar una reacción de precipitación (Ecuación ( ref {4.2. 1} )).
Si bien las ecuaciones químicas completas muestran las identidades de los reactivos y los productos y proporcionan las estequiometrías de las reacciones, son menos efectivas para describir lo que realmente ocurre en la solución. Por el contrario, las ecuaciones que muestran solo las especies hidratadas centran nuestra atención en la química que está teniendo lugar y nos permiten ver similitudes entre las reacciones que de otro modo no serían evidentes.
Consideremos la reacción del nitrato de plata con el dicromato de potasio anterior. Cuando se mezclan soluciones acuosas de nitrato de plata y dicromato de potasio, el dicromato de plata se forma como un sólido rojo. La ecuación química equilibrada global para la reacción muestra cada reactivo y producto como compuestos no disociados, eléctricamente neutros:
[ ce {2AgNO_3 (aq)} + ce {K_2Cr_2O_7 (aq)} rightarrow ce {Ag_2Cr_2O_7 (s)} + ce {2KNO_3 (aq)} label {4.2.1a} ]
Aunque la ecuación ( ref {4.2.1a} ) da la identidad de los reactivos y los productos, no muestra las identidades de las especies reales en solución. Debido a que las sustancias iónicas como ( ce {AgNO3} ) y ( ce {K2Cr2O7} ) son electrolitos fuertes (, es decir, se disocian completamente en solución acuosa para formar iones). En contraste, porque ( ce {Ag2Cr2O7} ) no es muy soluble, se separa de la solución como un sólido. Para averiguar qué está ocurriendo realmente en la solución, es más informativo escribir la reacción como una ecuación iónica completa que muestra qué iones y moléculas están hidratados y cuáles están presentes en otras formas y fases:
[ ce {2Ag ^ {+} (aq) + 2NO_3 ^ {-} (aq) + 2K ^ {+} (aq) + Cr_2O_7 ^ {2 -} (aq) rightarrow Ag_2Cr_2O_7 (s) + 2K ^ {+} (aq) + 2NO_3 ^ {-} (aq)} label {4.2.2a} ]
Tenga en cuenta que los iones ( ce {K ^ + (aq)} ) y ( ce {NO3 ^ {-} (aq)} ) están presentes en ambos lados de la ecuación ( ref {4.2 .2a} ) y sus coeficientes son los mismos en ambos lados. Estos iones se denominan iones espectadores porque no participan en la reacción real. La cancelación de los iones espectadores da la ecuación iónica neta, que muestra solo aquellas especies que participan en la reacción química:
[2Ag ^ + (aq) + Cr_2O_7 ^ {2 -} (aq) rightarrow Ag_2Cr_2O_7 (s) label {4.2.3} ]
Tanto la masa como la carga deben conservarse en las reacciones químicas porque los números de electrones y protones no cambian. Para conservar la carga, la suma de las cargas de los iones multiplicada por sus coeficientes debe ser la misma en ambos lados de la ecuación. En la ecuación ( ref {4.2.3} ), la carga en el lado izquierdo es 2 (+1) + 1 (−2) = 0, que es lo mismo que la carga de un neutral ( ce { Ag2Cr2O7} ) unidad de fórmula en el lado derecho.
Al eliminar los iones espectadores, podemos centrarnos en la química que tiene lugar en una solución. Por ejemplo, la ecuación química general para la reacción entre el fluoruro de plata y el dicromato de amonio es la siguiente:
[2AgF (aq) + (NH_4) _2Cr_2O_7 (aq) rightarrow Ag_2Cr_2O_7 (s) + 2NH_4F (aq) label {4.2.4} ]
La ecuación iónica completa para esta reacción es la siguiente:
[ ce {2Ag ^ {+} (aq)} + cancel { ce {2F ^ {-} (aq)}} + cancel { ce {2NH_4 ^ {+} (aq)} } + ce {Cr_2O_7 ^ {2 -} (aq)} rightarrow ce {Ag_2Cr_2O_7 (s)} + cancel { ce {2NH_4 ^ {+} (aq)}} + cancel { ce {2F ^ {-} (aq)}} label {4.2.5} ]
Porque aparecen dos iones ( ce {NH4 ^ {+} (aq)} ) y dos ( ce {F ^ {-} (aq)} ) en ambos lados de la ecuación ( ref {4.2.5} ), son iones espectadores. Por lo tanto, se pueden cancelar para obtener la ecuación iónica neta (Ecuación ( ref {4.2.6} )), que es idéntica a la Ecuación ( ref {4.2.3} ): [ 19459005]
[ ce {2Ag ^ {+} (aq) + Cr_2O_7 ^ {2 -} (aq) rightarrow Ag_2Cr_2O_7 (s)} label {4.2.6} ]
Si observamos ecuaciones iónicas netas, se hace evidente que muchas combinaciones diferentes de reactivos pueden dar como resultado la misma reacción química neta. Por ejemplo, podemos predecir que el fluoruro de plata podría ser reemplazado por nitrato de plata en la reacción anterior sin afectar el resultado de la reacción.
Hasta ahora, siempre hemos indicado si se producirá una reacción cuando se mezclan las soluciones y, de ser así, qué productos se formarán. Sin embargo, a medida que avance en la química, deberá predecir los resultados de mezclar soluciones de compuestos, anticipar qué tipo de reacción (si alguna) ocurrirá y predecir las identidades de los productos. Los estudiantes tienden a pensar que esto significa que se supone que deben “saber” lo que sucederá cuando se mezclan dos sustancias. Nada podría estar más lejos de la verdad: es posible un número infinito de reacciones químicas, y ni usted ni nadie más podrían memorizarlas todas. En cambio, debe comenzar por identificar las diversas reacciones que podría ocurrir y luego evaluar cuál es el resultado más probable (o menos improbable).
El paso más importante para analizar una reacción desconocida es escribir todas las especies, ya sean moléculas o iones disociados, que están realmente presentes en la solución (sin olvidar el disolvente en sí) para que pueda evaluar qué especies tienen más probabilidades de reaccionar entre sí. La forma más fácil de hacer ese tipo de predicción es intentar colocar la reacción en una de varias clasificaciones familiares, refinamientos de los cinco tipos generales de reacciones (reacción ácido-base, intercambio, condensación, escisión y oxidación-reducción). En las secciones siguientes, discutimos tres de los tipos más importantes de reacciones que ocurren en soluciones acuosas: reacciones de precipitación (también conocidas como reacciones de intercambio), reacciones ácido-base y reacciones de oxidación-reducción.