Reacciones Químicas: Estequiometría

Transcripción

1 Una reacción química es un proceso en el que una o más sustancias se transforman en una o más sustancias nuevas Reacciones Químicas: Estequiometría Una ecuación química usa símbolos químicos para mostrar lo que ocurre en una reacción química reactivos productos modos de representar la reacción de H con O para formar H O Adaptado de presentaciones publicadas para los tetos de Chang 1, de Silberberg y de Petrucci et al. 1 _and_eams/chem_1411/powerpoints-chang-10th-1/ Reacciones Químicas Vista a dos niveles de la reacción química en un flash Según los reactivos (o reactantes) se van convirtiendo en productos puede ser que observemos : Cambios de color Formación de precipitados Desprendimiento de gases Absorción o liberación de calor Pero puede ser que no haya evidencias de cambio y sean necesario obtener pruebas analíticas de la transformación. Formación de HF gas a niveles macroscópico y molecular Cómo leer ecuaciones químicas Mg + O MgO átomos de Mg + 1 molécula de O dan unidades fórmula de MgO moles de Mg + 1 mol de O dan moles de MgO 48,6 gramos de Mg +,0 gramos de O dan 80,6 gramos de MgO u.m.a. u.m.a. u.m.a. PERO NUNCA: gramos de Mg + 1 gramo de O dan gramos de MgO! 1

2 Escritura y ajuste de ecuaciones químicas Escritura y ajuste de ecuaciones químicas Paso 1: Escribir la reacción traduciendo el enunciado en lenguaje químico: símbolos y fórmulas: Escribimos las fórmulas correctas de los reactivos o reactantes en el lado izquierdo de la ecuación y las fórmulas correctas de los productos en el lado derecho, separadas por una flecha que representa el avance de la reacción. El monóido de nitrógeno reacciona con oígeno transformándose en dióido de nitrógeno: Monóido de nitrógeno + oígeno dióido de nitrógeno Paso : Ajustar la ecuación química. Es decir, iremos cambiando los números delante de las fórmulas (coeficientes estequiométricos) hasta cerrar el balance : que el número de átomos de cada elemento sea el mismo a ambos lados de la ecuación. NO + 1O NO NO + O NO Representación molecular Ajuste de Ecuaciones No introducir nunca átomos etraños para ajustar: NO + O NO + O No cambiar nunca una fórmula para el ajuste: NO + O NO No cambiar nunca los subíndices en vez de escribir un coeficiente: C H 6 NO C 4 H 1 Estrategia de ajuste Ajustar en primer lugar elementos que aparecen sólo en un compuesto en cada lado. Después los elementos que aparecen en más compuestos. Ajustar los elementos libres los últimos. Ajustar conjuntamente los grupos poliatómicos que no cambian [(SO 4 ), (CO ), (NH 4 ) ]. El uso de coeficientes fraccionarios es aceptable si la ecuación se utiliza para cálculos con cantidades macroscópicas, pero no si representa la reacción a nivel molecular Pueden eliminarse las fracciones al final multiplicando todos los coeficientes por la cifra adecuada. Verificar al final que el ajuste es correcto. Ejemplo de ajuste El etano reacciona con oígeno para formar dióido de carbono y agua C H 6 + O CO + H O Empezamos por los elementos que aparecen solo en un reactivo y en un producto: C H 6 + O CO + H O empezar por C o H, pero no O carbonos 1 carbono multiplicar CO por C H 6 + O CO + H O 6 hidrógenos hidrógenos multiplicar H O por C H 6 + O CO + H O

3 Ejemplo de ajuste Ejemplo de ajuste Continuamos el ajuste por los elementos que aparecen en dos o más reactivos y productos. Finalmente, verificamos que tenemos el mismo número de átomos de cada tipo en ambos lados de la ecuación. C H 6 + O oígenos 4 oígenos () CO + H O + oígenos (1) C H O CO + H O C H O 4 CO + 6 H O multiplicar O por = 7 oígenos 7 eliminar la fracción multiplicando ambos lados por C H O 4 C ( ) 4 CO + 6 H O 4 C 1 H ( 6) 1 H (6 ) 14 O (7 ) 14 O (4 + 6) Reactivos 4 C 1 H 14 O Productos 4 C 1 H 14 O Ejemplo de ajuste de ecuación química PROBLEMA: En los cilindros de un motor de eplosión, el hidrocarburo octano (C 8 H 18 ), uno de los muchos componentes de la gasolina, se mezcla con el oígeno del aire y se quema dando dióido de carbono y vapor de agua. Escribe la ecuación ajustada para esta reacción. PLAN: Traducir el enunciado SOLUCIÓN: C 8 H 18 + O CO + H O Ajustar los átomos C 8 H /O 8 CO + 9 H O Reajustar los coeficientes C 8 H O 16CO + 18H O Verificar el ajuste C 8 H O 16CO + 18H O Especificar estados de la materia C 8 H 18 (l) + 5O (g) 16CO (g) + 18H O (g) Ecuaciones químicas y Estequiometría Cálculo estequiométrico en una reacción La Estequiometría incluye todas las relaciones cuantitativas que implican: Masas atómicas y moleculares Fórmulas químicas. a A + b B c C + d D La relación molar a/b es la clave en la estequiometría de las reacciones químicas Es el factor de conversión central n(a) / n(b) = a / b 1. Escribir la ecuación química ajustada.. Convertir las cantidades de sustancias conocidas en moles.. Usar los coeficientes de la ecuación ajustada para calcular el número de moles de la sustancia buscada. 4. Convertir los moles de la sustancia buscada en las unidades solicitadas o convenientes.

4 Ejemplo Relacionar los Números de Moles de Reactivo y Producto. Cuántos moles de H O se producen quemando,7 mol de H en eceso de O? 1. Escribir la ecuación química:. Ajustar la ecuación química: H + O H O H + O H O. Usar el factor estequiométrico o relación molar en una ecuación: n H O =,7 mol H mol H O =,7 mol H mol H O El metanol arde en el aire de acuerdo con esta ecuación CH OH + O CO + 4 H O Si en la combustión se han consumido 09 g de metanol, qué masa de agua se ha producido? g CH OH moles CH OH moles H O g H O 09 g CH OH masa molar CH OH 1 mol CH OH,0 g CH OH coeficientes de la ecuación química = 5 g H O 4 mol H O mol CH OH masa molar H O 18,0 g H O = 1 mol H O Cálculo de cantidades de reactivos y productos PROBLEMA: PLAN: El cobre se obtiene a partir del sulfuro de cobre (I) por tostación en presencia de oígeno (gas) para formar óido de cobre (I) en polvo y dióido de azufre gaseoso. (a) Cuántos moles de oígeno se requieren para tostar 10,0 mol de sulfuro de cobre (I)? (b) Cuántos gramos de dióido de azufre se forman cuando se tuestan 10,0 mol de sulfuro de cobre (I)? (c) Cuántos kilogramos de oígeno hacen falta para obtener,86 kg de óido de cobre (I)? Escribir y ajustar la ecuación calcular mol O calcular mol SO calcular mol Cu O Cálculo de cantidades de reactivos y productos SOLUCIÓN: Cu S(s) + O (g) Cu O(s) + SO (g) (a) Cuántos moles de oígeno se requieren para tostar 10,0 mol de sulfuro de cobre (I)? 10,0 mol Cu S mol O mol Cu S = 15,0 mol O (b) Cuántos gramos de dióido de azufre se forman cuando se tuestan 10,0 mol de sulfuro de cobre (I)? 10,0 mol Cu S mol SO mol Cu S 64,07 g SO mol SO = 641 g SO (c) Cuántos kilogramos de oígeno hacen falta para obtener,86 kg de óido de cobre (I)?,86 kg Cu O 10 g Cu O kg Cu O mol Cu O g Cu O = 0,0 mol Cu O calcular g SO calcular mol O 0,0 mol Cu O mol O mol Cu O,00 g O mol O kg O 10 g O = 0,959 kg O calcular kg O Factores de conversión adicionales en cálculos estequiométricos Volumen, densidad y composición porcentual. Una aleación usada en estructuras de aviones consiste en un 9,7 % de Al y un 6, % de Cu (en peso) y tiene una densidad de,85 g/cm. Una pieza de 0,691 cm la aleación reacciona con un eceso de HCl (aq). Si aceptamos que todo el Al, pero nada del Cu reacciona con HCl (aq), cuál es la masa de H obtenido? Escribir la ecuación química: Ajustar la ecuación química: Al + 6HCl AlCl + H Al + 6 HCl AlCl + H Estrategia: cm aleación g aleación g Al mol Al mol H g H Necesitamos 5 factores de conversión! Escribimos una ecuación y calculamos: m H = 0,691 cm alea.,85 g alea. 97, g Al 1 cm 100 g alea. 1 mol Al 6,98 g Al mol H mol Al,016 g H 1 mol H = 0,07 g H 4

5 Reactivo Limitante Si en una reacción todos los reactivos se consumen al completo de forma simultánea, se dice que están en proporción estequiométrica: las marcadas por los coeficientes. Si cuando uno se consume sobran otros, el reactivo que se consume completamente determina las cantidades de productos que se forman. Una analogía con helados para el reactivo limitante Reactivo Limitante (RL): el reactivo que primero se agota en la reacción NO + O NO NO es el reactivo limitante O es el reactivo en eceso Reactivo limitante: otra analogía Confeccionar cuadernos de laboratorio: cuántos cuadernos podemos confeccionar con estos elementos? Determinar el reactivo limitante El tricloruro de fósforo, PCl, es un compuesto comercialmente importante, usado en la fabricación de pesticidas, aditivos para gasolinas, y otros productos. Se fabrica por combinación de cloro y fósforo: P 4 (s) + 6 Cl (g) 4 PCl (l) Qué masa de PCl se forma al reaccionar 15 g de P 4 con g de Cl? Como 87 > 168/ = 84 > 8 > 8/4 = 8, sólo se pueden hacer 8 cuadernos. Lo que limita el número de cuadernos es el papel de gráficos (casualmente, el componente del que hay mayor cantidad). Estrategia: Comparemos la relación molar real con la relación molar requerida (teórica). Identificación de reactivo limitante En un proceso, 14 g de Al reaccionan con 601 g de Fe O n Cl = g Cl 1 mol Cl = 4,56 mol Cl 70,91 g Cl 1 mol P n P4 = 15 g P 4 4 = 1,01 mol P 1,9 g P 4 4 ncl χ = Si hacemos n P 4 χ real = 4,55 mol Cl /mol P 4 χ teórica = 6 / 1 = 6 mol Cl /mol P 4 El reactivo limitante es el gas cloro Al + Fe O Al O + Fe Calcular la masa de Al O formado. Estrategia: g Al mol Al mol Fe O necesarios g Fe O necesarios o bien g Fe O mol Fe O mol Al necesarios g Al necesarios 14 g Al 1 mol Al 7,0 g Al 1 mol Fe O mol Al 159,7 g Fe O = 67 g Fe 1 mol Fe O O Si partimos de 14 g Al necesitamos 67 g Fe O Como tenemos más Fe O (601 g), RL es el Al 5

6 Cálculo de cantidad de producto con reactivo limitante Se ha de usar el reactivo limitante (Al) para calcular la cantidad de producto que puede formarse. g Al mol Al mol Al O g Al O Al + Fe O Al O + Fe Cálculo de cantidades de reactivos y productos en reacciones con reactivo limitante PROBLEMA: La hidrazina (N H 4 ) y el tetraóido de dinitrógeno (N O 4 ) entran en ignición al ponerse en contacto, formando gas nitrógeno y vapor de agua. Cuántos gramos de gas nitrógeno se forman cuando se mezclan 1,0010 g de N H 4 y,0010 g de N O 4? 14 g Al 1 mol Al 7,0 g Al 1 mol Al O mol Al 10,0 g Al O = 4 g Al 1 mol Al O O PLAN: Escribir una ecuación química ajustada. Calcular el número de moles de reactivos dados. Determinar el reactivo limitante, número de moles y gramos de producto formados. Cuando se alcanza esta cantidad, todo el Al se agota y queda un eceso de Fe O. masa de N H 4 masa de N O 4 dividir por M M mol RL mol N mol de N H 4 mol de N O 4 por M M Relación molar g N mol de N mol de N Cálculo de cantidades de reactivos y productos en reacciones con reactivo limitante SOLUCIÓN: Moles de N a partir de moles N H 4 Moles de N a partir de moles N O 4 N H 4 es el RL porque produce menos producto, N, que el que da el N O 4. N H 4 (l) + N O 4 (l) N (g) + 4H O(g) 1,0010 g N H 4 mol N H 4,05 g N H 4 =,1 mol N H 4,1 mol N H 4 mol N mol N H 4 = 4,68 mol N mol N O 4,00 10 g N O 4 =,17 mol N O 4 9,0 g N O 4,17 mol N O 4 mol N mol N O 4 = 6,51 mol N 4,68 mol N mol N 8,0 g N = 11 g N Cálculo de cantidades de reactivos y productos en reacciones con reactivo limitante PROBLEMA: En un ensayo sobre eliminación de mercurio de un agua residual industrial, 0,050 L de nitrato de mercurio (II) 0,010 M reaccionan con 0,00L de sulfuro de sodio 0,10M. Cuántos gramos de sulfuro de mercurio (II) se forman? PLAN: Escribir una ecuación química ajustada. Determinar el reactivo limitante. Calcular los gramos de sulfuro de mercurio (II) producidos. SOLUCIÓN: Hg(NO ) (aq) + Na S(aq) HgS(s) + NaNO (aq) L de Hg(NO ) por M M 0,050 L Hg(NO ) 0,010 mol/l 0,00 L Na S 0,10 mol/l L de Na S por M M mol Hg(NO ) 1 mol HgS 1 mol HgS mol Na S Relación molar 1 mol Hg(NO ) 1 mol Na S Relación molar mol HgS = 5,010-4 mol HgS =,010 - mol HgS mol HgS Hg(NO ) es el reactivo limitante. 5, mol HgS,7 g HgS = 0,1 g HgS 1 mol HgS Rendimiento Rendimiento Rendimiento teórico de un producto es la cantidad de ese producto que se espera obtener a partir de unas cantidades dadas de reactivos (cuando todo el reactivo limitante se agota). Rendimiento real es la cantidad de producto que se obtiene en realidad. Rendimiento real Rendimiento porcentual, η = 100% Rendimiento teórico Cuando el rendimiento real es del 100 % se dice que la reacción es cuantitativa. El rendimiento real puede ser menor que el teórico (η < 100 %) debido a diversas causas: Reacciones secundarias Estados de equilibrio (que se estudiarán más adelante) Impurezas en los reactivos Pérdidas en la manipulación y separación de los productos 6

7 Efecto de las reacciones secundarias sobre el rendimiento Cálculos de rendimiento porcentual PROBLEMA: El carburo de silicio (SiC) se obtiene por reacción entre arena (dióido de silicio, SiO ) y carbón en polvo a alta temperatura. También se forma monóido de carbono. Cuál es el rendimiento porcentual si se recuperan 51,4 kg de SiC al procesar 100,0 kg de arena? PLAN: SOLUCIÓN: Escribir ecuación ajustada SiO (s) + C(s) SiC(s) + CO(g) calcular moles de reactivo 10 g SiO 100,0 kg SiO mol SiO = 1664 mol SiO kg SiO 60,09 g SiO calcular moles de producto mol SiO = mol SiC = 1664 subproducto calcular g de producto teóricos 40,10 g SiC 1664 mol SiC kg mol SiC 10 g = 66,7 kg Rend. Real/Rend. Teor. 100 Rend. porcentual 51,4 kg 100 = 77,0 % 66,7 kg Reacciones consecutivas, simultáneas y globales Cuando varias sustancias reaccionan independientemente y a la vez se dice que ocurren reacciones simultáneas. Aunque se prefieren los procesos de obtención de una sola reacción, frecuentemente son inevitables procesos multietapa. Las reacciones que se llevan a cabo en secuencia o etapas sucesivas se denominan reacciones consecutivas. La reacción global o neta es una ecuación química que representa todas las reacciones que ocurren y se obtiene combinando todas ellas. Sirve para realizar los cálculos si lo que interesa son reactivos iniciales y/o productos finales, no para intermedios. Un intermedio de reacción es una sustancia que en un proceso multietapa se produce en un paso y se consume en otro. No aparece en la reacción global Ecuación global para una secuencia de reacciones PROBLEMA: La tostación es el primer paso en la etracción del cobre de la calcosina, una mena de cobre (ver ejemplo más atrás). En el siguiente paso el óido de cobre (I) reacciona con carbón en polvo para dar el cobre metal y gas monóido de carbono. Escribir una ecuación global ajustada para el proceso de dos etapas. PLAN: Escribir ecuaciones ajustadas para cada etapa. Ajustar los coeficientes de forma que los productos comunes de la etapa 1 se consuman en la etapa. Sumar las ecuaciones y simplificar las sustancias comunes. SOLUCIÓN: Cu S(s) + O (g) Cu O(s) + SO (g) Cu O(s) + C(s) Cu(s) + CO(g) multiplicar todos los coeficientes por por tanto: Cu O(s) + C(s) 4Cu(s) + CO(g) Sumar las ecuaciones marcadas: Cu S(s) + O (g) + Cu O(s) + C(s) o Cu S(s) + O (g) + C(s) Cu O(s) + 4Cu(s) + SO (g) + CO(g) 4Cu(s) + SO (g) + CO(g) Perspectiva de las relaciones estequiométricas claves masa-moles-número 7