Reacción de doble sustitución: concepto, tipos, ejemplos
¿Qué es una reacción de doble sustitución?
La reacción de doble sustitución, de doble desplazamiento o de metátesis, es aquella en la que ocurre un doble intercambio de iones entre dos compuestos, sin que ninguno de estos se oxiden o se reduzcan. Constituye una de las reacciones químicas más elementales.
Los nuevos enlaces se forman por las grandes fuerzas de atracción electrostáticas entre los iones. Asimismo, la reacción favorece la formación de las especies más estables, como la molécula de agua, principalmente. En la imagen inferior se ilustra la ecuación química general para la reacción de doble sustitución.
Los compuestos iniciales AX y BY reaccionan intercambiando “sus parejas” y así forman dos nuevos compuestos: AY y BX. Esta reacción transcurre si y solo si A e Y son más afines que A y B, o si los enlaces BX son más estables que los de BY. Dado que la reacción es un simple intercambio de iones, ninguno de estos gana o pierde electrones (reacción redox).
Así, si A es un catión de carga +1 en el compuesto AX, tendrá la misma carga +1 en el compuesto AY. Lo mismo ocurre con el resto de las “letras”. Este tipo de reacción es el soporte de las reacciones ácido-base y de formación de precipitados.
Tipos de reacciones de doble sustitución
Neutralización
Un ácido fuerte reacciona con una base fuerte para producir sales solubles y agua. Cuando uno de los dos —el ácido o la base— es débil, la sal producida no se encuentra completamente ionizada; esto es, en medio acuoso capaz de hidrolizarse. Igualmente, el ácido o la base pueden ser neutralizados con una sal.
Lo anterior puede nuevamente ser representado por la ecuación química con las letras AXBY. Sin embargo, dado que la acidez de Brønsted se indica solo por los iones H+ y OH–, estos vienen a representar entonces las letras A e Y:
HX + BOH => HOH + BX
Esta ecuación química corresponde a la neutralización, que es simplemente la reacción entre un ácido HX y una base BOH para producir HOH (H2O) y la sal BX, la cual bien puede ser soluble o no en agua.
Su esqueleto puede variar de acuerdo con los coeficientes estequiométricos o a la naturaleza del ácido (si es orgánico o inorgánico).
Precipitación
En este tipo de reacción uno de los productos es insoluble en el medio, generalmente acuoso, y precipita (sedimenta el sólido del resto de la disolución).
El esquema es como sigue: se mezclan dos compuestos solubles, AX y BY, y uno de los productos, AY o BX, precipita, lo cual dependerá de las reglas de solubilidad:
AX + BY => AY(s) + BX
AX + BY => AY+ BX(s)
En el caso de que tanto AY y BX fueran insolubles en agua, precipitará aquel par de iones que presente las interacciones electrostáticas más fuertes, lo cual puede reflejarse cuantitativamente en sus valores de constantes de solubilidad (Kps).
Sin embargo, en la mayoría de las reacciones de precipitación, una sal es soluble y la otra precipita. Ambas reacciones —la de neutralización y precipitación— pueden ocurrir en una misma mezcla de sustancias.
Ejemplos de reacciones de doble sustitución
Ejemplo 1
HCl(ac) + NaOH(ac) => H2O(l) + NaCl(ac)
¿Qué tipo de reacción es esta? El ácido clorhídrico reacciona con el hidróxido de sodio generando como consecuencia agua y cloruro de sodio. Debido a que el NaCl es muy soluble en medio acuoso, y que además se formó una molécula de agua, la reacción del ejemplo 1 es de neutralización.
Ejemplo 2
Cu(NO3)2(ac) + Na2S(ac) => CuS(s) + 2NaNO3(ac)
En esta reacción no están presentes ni el ion H+ ni el OH–, y tampoco se observa la molécula de agua en el lado derecho de la ecuación química.
El nitrato de cobre (II), o nitrato cúprico, intercambia iones con el sulfuro de sodio. El sulfuro de cobre es insoluble, precipitando a diferencia del nitrato de sodio, sal soluble.
La solución de Cu(NO3)2 es azulada, mientras que la de Na2S es amarillenta. Cuando ambas se mezclan desaparecen los colores y precipita el CuS, el cual es un sólido negruzco.
Ejemplo 3
CH3COOH(ac) + NaOH(ac) => CH3COONa(ac) + H2O(l)
Nuevamente, esta es otra reacción de neutralización. El ácido acético reacciona con el hidróxido de sodio para formar la sal acetato de sodio y una molécula de agua.
A diferencia del ejemplo 1, el acetato de sodio no es una sal que está totalmente ionizada, ya que el anión se hidroliza:
CH3COO–(ac) + H2O(l) => CH3COOH(ac) + OH–(ac)
Ejemplo 4
2HI(ac) + CaCO3(s) => H2CO3(ac) + CaI2(ac)
En esta reacción —que si bien no aparenta ser de neutralización— el ácido yodhídrico reacciona completamente con la piedra caliza para generar ácido carbónico y yoduro de calcio. Además, el desprendimiento de calor (reacción exotérmica) descompone el ácido carbónico en dióxido de carbono y agua:
H2CO3(ac) => CO2(g) + H2O(l)
La reacción global queda como:
2HI(ac) + CaCO3(s) => CO2(g) + H2O(l) + CaI2(ac)
Asimismo, el carbonato de calcio, sal básica, neutraliza el ácido yodhídrico.
Ejemplo 5
AgNO3(ac) + NaCl(ac) => AgCl(s) + NaNO3(ac)
El nitrato de plata intercambia iones con el cloruro de sodio, formando así la sal insoluble cloruro de plata (precipitado blancuzco) y el nitrato de sodio.
Ejemplo 6
2H3PO4(ac) + 3Ca(OH)2(ac) => 6H2O(l) + Ca3(PO4)2(s)
El ácido fosfórico es neutralizado por el hidróxido de calcio, formando en consecuencia la sal insoluble fosfato de calcio y seis moles de moléculas de agua.
Este es un ejemplo de una reacción de doble sustitución de ambos tipos: la neutralización del ácido y la precipitación de una sal insoluble.
Ejemplo 7
K2S(ac) + MgSO4(ac) => K2SO4(ac) + MgS(s)
El sulfuro de potasio reacciona con el sulfato de magnesio, reuniéndose en solución los iones S2– y Mg2+ para formar la sal insoluble sulfuro de magnesio y la sal soluble sulfato de potasio.
Ejemplo 8
Na2S(ac) + HCl(ac) → NaCl(ac) + H2S(g)
El sulfuro de sodio neutraliza al ácido clorhídrico, generando cloruro de sodio y sulfuro de hidrógeno.
En esta reacción no se forma agua (a diferencia de las neutralizaciones más comunes) sino la molécula no electrolítica sulfuro de hidrógeno, cuyo olor a huevos podridos es muy desagradable. El H2S escapa de la disolución en forma gaseosa y el resto de las especies permanecen disueltas.