DISOLUCIONES Y ESTEQUIOMETRÍA

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1 DISOLUCIONES Y ESTEQUIOMETRÍA Química de Bachillerato JUAN GABRIEL PERILLA J LICENCIADO EN QUIMICA UPN

2 Compuesto: sustancia formada por la unión de átomos diferentes Es aquella sustancia pura que puede descomponerse en otras más sencillas por medio de cambios químicos. Ejemplo: la sacarosa, el agua,... Elemento: sustancia formada por átomos iguales Es aquella sustancia pura que no puede descomponerse en otras más sencillas, ni siquiera utilizando cambios químicos. Ejemplo: el hidrógeno, el oxígeno,... Oxígeno Hidrógeno Al hacer pasar una corriente eléctrica a través del agua, ésta se descompone en dos gases: hidrógeno y oxígeno. El agua ha perdido su identidad (cambio químico) 2

3 Mezcla Consta de dos o más sustancias físicamente unidas Mezcla heterogénea Es aquella cuyos componentes se observan a simple vista o con ayuda de un microscopio óptico Tienen una composición no uniforme La proporción de sus distintos componentes, puede variar de forma arbitraria Ejemplos: el granito, la sangre,... Mezcla homogénea Es aquella cuyos elementos no pueden distinguirse ni siquiera con ayuda de un microscopio óptico Tiene una composición uniforme, incluso si se observa al microscopio Prof. J. Gabriel Perilla J. Licenciado en Química 3

4 DISOLUCIONES Una disolución es una mezcla homogénea de dos o más sustancias cuya composición es variable Se llama disolvente o medio dispersante al componente que no cambia de estado al formarse la disolución. Si tras la disolución todos los componentes mantienen su estado físico, el disolvente es el que se encuentra en mayor proporción El resto de componentes se llaman solutos o sustancias dispersas Las disoluciones más comunes son las acuosas (su disolvente es el agua) TIPOS COMUNES DE DISOLUCIONES Estado de la disolución Disolvente Soluto Ejemplo Gas Líquido Líquido Líquido Sólido Gas Líquido Líquido Líquido Sólido Gas Gas Líquido Sólido Sólido Aire Cava Vinagre Agua de mar Latón 4

5 SOLUBILIDAD Una disolución se dice que está saturada cuando, a una determinada temperatura, contiene la máxima cantidad posible de soluto A B C Si añadimos un poco de sal en agua y agitamos, obtenemos una disolución (A) Las dos sustancias forman una mezcla homogénea (B) Si añadimos más sal, llega un momento que no se disuelve, y precipita al fondo (C) La solubilidad de una sustancia indica la máxima cantidad de dicha sustancia que es posible disolver en una cantidad de disolvente dada, a una temperatura concreta 5

6 El proceso por el cual las moléculas del disolvente rodean a las moleculas del soluto y se mezclan con ellas se llama solvatación. Cuando el disolvente es agua se llama hidratación Las disoluciones pueden ser:.diluidas: Si la cantidad de soluto es pequeña en comparación con la cantidad que se puede disolver..concentradas: Si la cantidad de soluto se acerca a la cantidad total que se puede disolver..saturadas :si se disuelve la cantidad máxima de soluto que en esas condiciones se puede disolver en ese disolvente Existen varios factores que afectan a la solubilidad: -El tipo de soluto y disolvente. -El estado físico del soluto y del disolvente: los gases son siempre solubles entre sí mientras que los sólidos entre si se mezclan con dificultad y se disuelven mejor finamente divididos y pulverizados. -La temperatura, corrientemente la solubilidad aumenta con la temperatura ya que aumenta la movilidad de los iones o las moléculas que forman tanto al soluto como al disolvente y favorecen la mezcla (como forma de agitación), aunque hay excepciones Prof. J. Gabriel Perilla J. Licenciado en Química 6

7 MEDIDA DE LA CONCENTRACIÓN EN DISOLUCIONES Se utiliza el término concentración para describir la cantidad de soluto disuelto en una cantidad de disolución dada Se puede expresar cuantitativamente indicando el porcentaje en masa del soluto, es decir, los gramos de soluto contenidos en 100 g de disolución. Se suele expresar la concentración en función del número de moles contenidos en un litro de disolución. Es la llamada molaridad y se representa por M Molaridad = Número de moles de soluto Volumen en litros de disolución Las concentraciones de gases muy pequeñas se miden en partes por millón (p.p.m) Preparación de una disolución 0,5 M de un soluto en agua 1. Añadir 0,5 moles del soluto en un matraz de 1 l que contenga agua hasta la mitad 2. Agitar cuidadosamente el matraz para que el soluto se disuelva 3. Añadir más agua al matraz hasta alcanzar exactamente la marca de 1 l 7

8 CONCENTRACION EN LAS SOLUCIONES Cantidad de soluto en una cantidad de solvente Unidades físicas Unidades Químicas % masa-masa ppm % volumen-volumen % masa-volumen Fracción molar (X) Molaridad (M) Molalidad (m) Normalidad (N)

9 QUÉ ES CONCENTRACIÓN DE UNA DISOLUCIÓN? CÓMO SE EXPRESA? Es la cantidad de soluto respecto a la masa o volumen de disolución o de disolvente. % en peso masa-masa Fracción molar (X) % en volumen o gramos (º) Se expresa en Molaridad (M) % Gramos-litros (g/l) Molalidad (m)

10 Porcentaje en masa (o peso) o tanto por ciento en masa (o peso). Indica los gramos de soluto que hay en 100 gramos de disolución. % en masa gdesoluto gdedisolución 100 Ej: 30% en peso indica que hay 30 g de soluto en 100 g de disolución. Porcentaje en volumen o tanto por ciento en volumen o grados. Indica las unidades de volumen de soluto (ml, L, etc.) que hay en 100 unidades de volumen de disolución (ml, L, etc.). % en volumen volumen de soluto volumen de disolución 100 Ej: 12% en volumen indica que hay 12 ml o 12 L de soluto en 100 ml o en 100 L de disolución.

11 Molaridad M. Indica los moles de soluto existentes por litro de disolución. M moles desoluto litros dedisolución Ej: 3 M indica que hay 3 moles de soluto por cada litro de disolución. Molalidad m. Indica los moles de soluto existentes por kg de disolvente. m moles desoluto kgde disolvente Ej: 3 m indica que hay 3 moles de soluto por cada kilogramo de disolvente

12 Fracción molar de un componente x i. Indica los moles de ese componente respecto a los moles totales. n x i n i t Ej: x i = 0,25 indica que hay 0,25 moles de ese componente por cada mol de la disolución. Gramos-litros g/l. Indica los gramos de soluto que existe por litro de disolución. g L gramos desoluto litros dedisolución Ej: 20 g/l indica que la disolución tiene 20 g de soluto por cada litro de disolución.

13 UNIDADES DE CONCENTRACCION MAS UTILIZADAS NOMBRE ABREVIATURA UNIDAD USOS Porcentaje en masa %m m g soluto/g solución x 100 Porcentaje en volumen Porcentaje masa/volumen %v v %m/v ml soluto/ml de solución x100 g soluto/ml solución x 100 En investigaciones científicas, en industria de alimentos y farmacia Partes por millón ppm mg soluto/kg o litro de solución Para describir cantidades de contaminante en alimentos, aguas, suelos o aire, para expresar dosis. Molaridad M Moles de soluto/ litros de solución En las reacciones que tiene lugar en soluciones, para controlar la cantidad de reactivó utilizado Molalidad m Moles de soluto/kilogramo de solvente En el calculo de las propiedades coligativas de las soluciones Normalidad N Equivalentes gramo de soluto/litro de solución Para expresar la concentración de ácidos, hidróxidos y sales.

14 LEYES PONDERALES LAVOISIER: Ley de conservación de la masa "En toda reacción química la suma de las masas de las sustancias reaccionantes es igual a la suma de las masas de los productos resultandes de la reacción." Cuando una vela arde en un contenedor herméticamente cerrado, no se produce ningún cambio detectable en la masa El fiel de la balanza, permanece en el mismo lugar, antes y después de la reacción Durante un cambio químico no se produce ningún cambio detectable en la masa total La consecuencia más importante de la ley de conservación de la masa es la necesidad de AJUSTAR LAS ECUACIONES QUÍMICAS para que realmente reflejen lo que ocurre en la reacción. La ecuación química ha de estar ajustada, es decir, tener el mismo número de átomos de cada elemento en los reactivos y en los productos. 14

15 Ley de las proporciones definidas "Cuando varios elementos se unen para formar una sustancia determinada lo hacen siempre en una relación ponderal constante, independientemente del proceso seguido para su formación". En 1799 J. L. Proust probó que cuando varios elementos se combinan entre sí para formar un compuesto determinado, siempre lo hacen en una relación de masa definida Diferentes muestras de un compuesto puro siempre contienen los mismos elementos en la misma proporción 10,0 g Cu + 5,06 g S 15,06 g CuS 10,0 g Cu + 7,06 g S 15,06 g CuS 2,00 g S + 20,0 g Cu 5,06 g S 15,06 g CuS 10,0 g Cu 15

16 LA TEORÍA ATÓMICA DE DALTON Para explicar las leyes ponderales, J Dalton, en 1803, hizo una serie de suposiciones que se conocen como la teoría atómica de Dalton 1 Los elementos químicos están formados por partículas muy pequeñas e indivisibles llamadas átomos 2 Todos los átomos de un elemento químico dado son idénticos en su masa y demás propiedades 3 Los átomos de diferentes elementos químicos son distintos, en particular sus masas son diferentes 4 Los átomos son indestructibles y retienen su identidad en los cambios químicos 5 Los compuestos se forman cuando átomos de diferentes elementos químicos se combinan entre sí, en una relación de números sencilla, formando entidades definidas (hoy llamadas moléculas) LEY DE LAS PROPORCIONES MÚLTIPLES. Dalton "Cuando se combinan dos elementos y de su unión pueden resultar varios compuestos distintos, se cumple que una cantidad constante de uno de ellos se une con cantidades variables del otro que forman entre sí una relación de números sencillos". 16

17 EXPLICACIÓN DE LA LEY DE LAS PROPORCIONES DEFINIDAS SEGÚN DALTON Dado que una muestra de un compuesto está formada por un conjunto de moléculas iguales, la proporción en masa de sus elementos en la muestra, es la misma que una molécula individual cualquiera del compuesto, es decir, fija Átomos del elemento 1 Atomos del elemento 2 Mezcla de los elementos 1 y 2 Compuesto de los elementos 1 y 2 ( a ) Las mezclas ( b ) no implican las interacciones íntimas entre átomos que se encuentran en los compuestos ( c ) ( b ) ( c ) 17

18 HIPÓTESIS DE AVOGADRO. El italiano Amadeo Avogadro, consideró que las partículas de algunos elementos gaseosos estaban formadas por dos átomos. A estas agrupaciones de átomos las llamó moléculas En 1811 interpretó los resultados experimentales de Gay-Lussac, y enunció la llamada hipótesis de Avogadro : Volúmenes iguales de gases diferentes, medidos en las mismas condiciones de presión y temperatura, contienen el mismo número de moléculas H H H H + O O H O H + 2 volúmenes de H 2 1 volumen de O 2 2 volúmenes de H 2 O gaseosa 18

19 MOLÉCULAS DIATÓMICAS H 2 N 2 O 2 F 2 Cl 2 Br 2 I 2 Elementos comunes que existen como moléculas diatómicas a temperatura ambiente 19

20 MASAS ATÓMICAS Se toma como referencia, la masa de un átomo de carbono, a la que se asigna el valor de 12 u (unidades de masa atómica). Así la masa de un átomo de hidrógeno resulta 1 u; y la de un átomo de oxígeno, 16 u Masa atómica es la doceava parte de la masa del carbono doce Se llama masa atómica de un elemento a la masa de uno de sus átomos medida en unidades de masa atómica (u) La masa molecular de un compuesto es la masa de una de sus moléculas medida en unidades de masa atómica (u). Corresponde a la suma de la masa de sus átomos. Al 2 (CO 3 ) 3 Al=27umasC=12 umaso=16 umas luego M =27x2+(12+(16x3))x3=100 umas HCl : H=1 uma Cl=35,5 umas luego M=1+35,5=36,5 umas H 2 SO 4 : H=1 uma S=32 umas O=16 umas luego M=(1x2) +32 +(16x4)=98 umas 20

21 FÓRMULA EMPÍRICA Y MOLECULAR Las fórmulas moleculares indican el tipo y el número real de átomos que forman la molécula de una sustancia Fórmula molecular y representación de algunas moléculas sencillas H 2 O H O H CO 2 O C O CO C O H 2 O 2 H O O H O 2 O O O 3 O O O Las fórmulas que indican solamente el número relativo de átomos de cada tipo presente en una molécula se llaman fórmulas empíricas. Sus subíndices son siempre los números enteros más bajos posibles A veces ambas fórmulas coinciden 21

22 TIPOS DE FÓRMULAS: -FÓRMULA EMPÍRICA solo indica el tipo de elementos que forman la molécula con su símbolo y la proporción en que se encuentran pero no su número exacto. -FÓRMULA MOLECULAR indica el tipo de elementos que forman la molécula con su símbolo y su número exacto. -FÓRMULA ESTRUCTURAL indica el tipo de elementos que forman la molécula con su símbolo, su número exacto y los enlaces que hay. Por ejemplo para el etano su fórmula estructural resumida es CH 3 -CH 3, su fórmula molecular es C 2 H 6 y su fórmula empírica es (CH 3 ) n En una molécula, formada por distintos átomos no todos contribuyen igual a la masa total de la molécula, por ejemplo en el ácido clorhídrico( HCl) el átomo de cloro (35,5 umas) contribuye más a la masa molecular (36,5 umas) que el hidrógeno (1 uma). Estas contribuciones se pueden expresar en forma de % y es lo que se llama COMPOSICIÓN CENTESIMAL de una molécula. Me n E% =. 100 M. Me=masa del elemento n=subíndice del elemento en la fórmula M=masa molecular o peso fórmula. En el HCl queda: 1 35,5 H 100 2, 74 Cl , 26 36,5 36,5 22

23 APLICACIÓN AL CÁLCULO DE LAS FÓRMULAS EMPÍRICA Y MOLECULAR El análisis de cierto compuesto revela que su composición en masa es 30,435 % de N y 69,565 % de O. Si la masa molecular del compuesto es 92, hallar su fórmula empírica y su fórmula molecular. DATO: masas atómicas relativas N = 14u ; O = 16u a) Cálculo de la fórmula empírica Elemento Masa relativa del elemento Masa atómica (M) Nitrógeno 30, Oxígeno 69, b) Cálculo de la fórmula molecular Nº relativo de átomos (se divide la masa por m) 30,435 = 2, ,565 = 4, Relación más sencilla (se divide por el menor) Fórmula empírica 2,174 2,174 = 1 NO 4, ,174 = 2 La fórmula molecular será un múltiplo de la empírica: (NO 2 ) n n. ( ) = 92 n = 2 luego la fórmula molecular es N 2 O 4 Si los resultados no fueran redondeables se multiplican TODOS por dos o por 3 23

24 CONCEPTO DE MOL Un mol de una sustancia es la cantidad de esa sustancia que contiene 6, de sus partículas representativas En un mol de distintas muestras hay el mismo número de partículas (N A ) La masa de un mol será proporcional a la masa de sus partículas representativas Los átomos de Cu son más pesados que los de C 1 mol de carbono 1 mol de cobre La masa en gramos de un mol de un elemento o compuesto, es un número igual a su masa atómica o molecular, respectivamente. Si M es la masa atómica (o molecular) del elemento (o compuesto) A : 1 mol de A = M gramos de A m (gra mos) Nº de moles = Masa molecular N A átomos de C 12 g 24

25 UN MOL DE MOLÉCULAS : es la cantidad de masa de un compuesto que contiene 6, moléculas de dicho compuesto y que expresada en gramos coincide con la masa molecular de dicho compuesto UN MOL DE ÁTOMOS: es la cantidad de masa de un elemento que contiene 6, átomosde dicho elemento y que expresada en gramos coincide con la masa atómica de dicho elemento 25

26 RELACIÓN ENTRE ÁTOMO, MOLÉCULA Y MOL Molécula de... un elemento diatómico: H 2, N 2, O 2, F 2, Cl 2, Br 2, I 2 (cada molécula tiene 2 átomos) monoatómico: las del resto de elementos (cada molécula tiene 1 átomo) 2 átomos de aluminio un compuesto. Por ejemplo: Al 2 (SO 4 ) 3 3 átomos de azufre 12 átomos de oxígeno 1 mol de átomos de Cu es 1 át-g de Cu. En 1 mol hay 6, átomos de Cu En 1 mol de átomos de Cu hay 63,55 g de Cu En 1 mol de moléculas de Al 2 (SO 4 ) 3 hay... En 1 mol de moléculas de Al 2 (SO 4 ) 3 hay 342,17 g de sustancia 2. 6, átomos de aluminio 3. 6, átomos de azufre 12. 6, átomos de oxígeno 26

27 Equivalente gramo de un elemento es la cantidad del mismo que se combina o reemplaza a un átomo-gramo de hidrógeno Por ejemplo, en la formación del hidruro de hierro (III): 2 Fe + 3 H 2 2 FeH ,85 g de Fe 6 g de H = 1 eq de Fe 1 eq de H EQUIVALENTE Para un elemento en general, se cumple que 1 eq = 1 eq de Fe = 1/3 masa atómica de Fe Masa atómica valencia *Para un ácido la valencia es el número de hidrógenos ácidos que posee. *Para una base la valencia es el número de OH que posee. *Para un sal la valencia es el resultado de multiplicar la carga de los iones que la forman. *En reacciones rédox, la valencia es el número de electrones que gana o pierde esa sustancia o ese elemento. 27

28 Si el HClO 3 actúa como ácido: HClO 3 ClO H + 1 eq = P m /1 Si el HClO 3 actúa como oxidante: Cl e - Cl - 1 eq = P m /6 En las reacciones, cualquier pareja de sustancias reaccionan en la proporción un equivalente a un equivalente e igual proporción con los productos Equivalente=moles x valencia 2NaOH+H 2 SO 4 Na 2 SO 4 +2H 2 O El agua es a la vez ácido y base: H 2 O =H + +OH - VALENCIA 1.1=1 2 eq de NaOH 2eq de H 2 SO 4 2eq de Na 2 SO 4 2 eq de H 2 O Todas las reacciones se producen equivalente a equivalente! 28

29 GASES PERFECTOS. LEY DE BOYLE Las moléculas de un gas se mueven libremente por todo el volumen del recipiente, chocando con sus paredes. Al reducir el volumen, el número de choques aumenta, y por tanto aumenta su presión Para una masa de gas dada a una temperatura fija, el volumen varía inversamente proporcional a la presión Cuando se dobla la fuerza ejercida sobre el gas, el volumen se reduce a la mitad y se dobla la presión que ejerce el gas. De este modo el producto P.V permanece constante P (atm) V (l) 1 atm 2 atm 1 litro 0,5 litros 29

30 GASES PERFECTOS. LEY DE GAY-LUSSAC Cuando se calienta un gas, aumenta la velocidad de sus moléculas Los impactos contra las paredes del recipiente son más violentos, lo que se traduce en un aumento de presión La presión de un gas es directamente proporcional a la temperatura, en grados Kelvin, si el volumen se mantiene constante 300ºK 600ºK 1 atm 2 atm A volumen constante ( V 1 = V 2 ) se cumple que: p T p T p T constante 30

31 Se puede calcular de muchas formas diferentes la concentración de una disolución. Porcentaje en masa Indica los gramos de soluto en 100 gramos de disolución % masa = g soluto g disolución x 100 Molaridad Indica los moles de soluto en 1 litro de disolución M = moles de soluto litros de disolución Normalidad Indica el nº de eq de soluto en 1 litro de disolución N = eq de soluto litros de disolución NORMALIDAD=MOLARIDAD.VALENCIA 31

32 LA ECUACIÓN QUÍMICA En una reacción química, las fórmulas de los reactivos se escriben a la izquierda y separadas por una flecha de las fórmulas de los productos, que se escriben a la derecha R E A C T I V O S P R O D U C T O S La ecuación química puede completarse indicando el estado físico de las sustancias participantes, añadiendo a su derecha, su símbolo correspondiente, entre los que destacamos: (s): si se trata de un sólido (g): si es un gas (l): si es un líquido (aq): para una sustancia disuelta en agua 32

33 Símbolos utilizados en las ecuaciones químicas S í m b o l o + Se usa para separar dos reactivos o dos productos ó Se usan para separar los reactivos de los productos = Símbolo alternativo a ó ( s ) ( l ) ( aq ) ( g ) D Pt S i g n i f i c a d o Se usa en lugar de en reacciones reversibles Colocado detrás de la fórmula de un reactivo o producto indica que se encuentra en estado sólido Símbolo alternativo a (s). Sólo se usa para un producto sólido precipitado Designa un reactivo o producto en estado líquido. Se coloca detrás de la fórmula Indica que la sustancia se encuentra disuelta en agua Designa un reactivo o producto en estado gaseoso. Se coloca detrás de la fórmula Símbolo alternativo a (g). Se usa sólo para un producto gaseoso Indica que en el transcurso de la reacción se desprende calor Una fórmula escrita encima o debajo de la flecha indica su uso como catalizador (sustancia que, aunque no se gasta, aumenta la velocidad de reacción) 33

34 LEY DE LOS GASES IDEALES O PERFECTOS Los gases ideales o perfectos verifican una ecuación más general que engloba las leyes de Boyle y de Gay-Lussac. Es la llamada ley de los gases ideales: p. V n. T cons tan te siendo n el número de moles Esta constante es la llamada constante de los gases ideales, y se representa por R Su valor es : l atm R 0,082 0 K mol La ley de los gases ideales puede escribirse así: p. V = n. R. T P es la presión del gas en atm V es el volumen del gas en litros T es la temperatura del gas en K n es el número de moles del gas 34

35 AJUSTE DE UNA ECUACIÓN QUÍMICA Para que una ecuación química sea cuantitativamente correcta, debe estar ajustada, es decir, cada lado de la ecuación debe tener el mismo número de átomos de cada elemento Ejemplo: 2 Na (s) + 2 H 2 O ( l ) 2 NaOH (aq) + H 2 (g) REACTIVOS PRODUCTOS Na Na + H H O O H H Na Na + + O O H - + H - H H 2 átomos de sodio 2 átomos de oxígeno 4 átomos de hidrógeno 2 átomos de sodio 2 átomos de oxígeno 4 átomos de hidrógeno 35

36 Debemos ajustar la reacción química antes de interpretar en qué proporción intervienen los reactivos y los productos Por ejemplo: 2 CO (g) + O 2 (g) 2 CO 2 (g) C O O C O C O + O O O C O Cuando el CO reacciona con el O 2 para formar CO 2, siempre lo hace en esta relación de moléculas 2 : 1: 2 La ecuación 2 CO ( g ) + O 2 ( g ) 2 CO 2 ( g ), significa que: 2 moléculas CO + 1 molécula O 2 2 moléculas CO 2 20 moléculas CO + 10 moléculas O 2 20 moléculas CO , CO , O , CO 2 2 moles CO + 1 mol O 2 2 moles CO 2 36

37 Los coeficientes en una ecuación química indican la proporción en moles o en moléculas, NO EN GRAMOS Dado que la masa de un mol de cualquier sustancia es un número de gramos igual a su masa molecular, la relación 2 moles CO + 1 mol O 2 2 moles CO 2 se traduce en: g CO g O g CO 2 Es decir, la proporción en masa es: 56 g CO + 32 g O 2 88 g CO 2 La masa de las sustancias que reaccionan, es igual a la masa de los productos formados, de acuerdo con la ley de conservación de la masa 37

38 REACCIONES Y ECUACIONES QUÍMICAS: REACTIVOS ruptura de enlaces (transformación) reagrupamiento PRODUCTOS formación de nuevos enlaces Una ecuación química indica de forma simbólica los cambios que tienen lugar en una reacción química. Presentan la siguiente forma: REACTIVOS PRODUCTOS En toda reacción química se cumple el principio de conservación de la masa y el principio de conservación de las cargas eléctricas, para ello, la reacción química debe estar AJUSTADA Una ecuación química está ajustada si se conserva el nº de átomos en los dos miembros de la ecuación. Para ajustarla se utilizan los coeficientes estequiométricos N 2 + 3H 2 2NH 3 38

39 Si intervienen iones, deben ajustarse de forma que la carga neta sea la misma en los dos miembros Cu + 2Ag + Cu Ag ECUACIÓN QUÍMICA permite conocer las sustancias que intervienen en el proceso químico y la proporción en la que lo hacen FÓRMULAS COEFICIENTES ESTEQUIOMÉTRICOS indican cuáles han sido los reactivos y qué productos se han formado señalan la proporción en que las sustancias han participado C 3 H O 2 3 CO H 2 O 39

40 INFORMACIÓN QUE PROPORCIONAN LOS COEFICIENTES ESTEQUIOMÉTRICOS. Los coeficientes estequiométricos indican el número de átomos de cada elemento y el número de moléculas de cada compuesto que intervienen en la reacción. 2H 2 + O 2 2H 2 O + 2 moléculas de hidrógeno 1 molécula de oxígeno 2 moléculas de agua Los coeficientes estequiométricos de una ecuación química ajustada informan de la proporción entre átomos y moléculas de reactivos y productos 40

41 INTERPRETACIÓN MACROSCÓPICA (relación en moles) Los coeficientes estequiométricos informan sobre el número de moles de cada elemento y de cada compuesto que intervienen en la reacción. 2CO + O 2 2CO 2 2 moléculas de CO 1 molécula de O 2 2 moléculas de CO 2 20 moléculas de CO 10 molécula de O 2 20 moléculas de CO 2 2 6, moléculas de CO 6, moléculas de O 2 2 6, moléculas de CO 2 2 moles de CO 1 mol de O 2 2 moles de CO 2 Los coeficientes estequiométricos de una ecuación química ajustada informan de la proporción entre moles de reactivos y productos 41

42 INTERPRETACIÓN MACROSCÓPICA (relación en masas) A partir de las masas atómicas de los elementos que intervienen en la reacción, se puede establecer la relación entre las masas de los reactivos y de los productos N 2 + 3H 2 2NH 3 Conociendo las masas atómicas (H = 1,01 u y N = 14,01 u), se determinan las masas moleculares: H 2 = 2,02 u; N 2 = 28,02 u; NH 3 = 17,04 u 1 mol de N 2 3 moles de H 2 2 moles de NH 3 28,02 g de N 2 3 2,02 = 6,06 g de H 2 2 x 17,04 = 34,08 g de NH 3 Los coeficientes estequiométricos de una ecuación química ajustada informan de la proporción entre gramos de reactivos y productos 42

43 CÁLCULOS ESTEQUIOMÉTRICOS. VOLUMEN Según Avogadro, un mol de cualquier gas ocupa, en las mismas condiciones, el mismo volumen. La ecuación para calcularlo es: P V = n R T (ecuación de los gases perfectos) En condiciones normales P = 1 atmósfera, T = 273 K un mol de cualquier gas ocupa 22,4 litros + 2 x 22,4 l CO 22,4 l CO 2 2 x 22,4 l CO 2 43

44 INTERPRETACIÓN MACROSCÓPICA (relación en volúmenes) Si en la reacción intervienen gases en c.n. de presión y temperatura, 1 mol de cualquiera de ellos ocupará un volumen de 22,4 litros 2H 2 + O 2 2H 2 O 2 moles de H 2 1 mol de O 2 2 moles de H 2 O 2 22,4 litros de H 2 22,4 litros de O ,4 litros de H 2 O + Los coeficientes estequiométricos de una ecuación química ajustada en la que intervienen gases, informan de la proporción entre volúmenes de reactivos y productos 44

45 Un mol de cualquier gas en CONDICIONES NORMALES (P= 1 atm= 760 mmhg = Pa y T=0ºC=273ºK) ocupa siempre un volumen de 22,4 l.un mol de cualquier sustancia gaseosa medido en las mismas condiciones de presión y temperatura ocupa el mismo volumen. A este volumen se le denomina VOLUMEN MOLAR. GAS PERFECTO : es aquel gas en el que no existe interacción entre las partículas que lo forman. Esto ocurre sobretodo a altas temperaturas, bajas presiones y grandes volúmenes donde las partículas que forman el gas están muy separadas unas de otras y en estas condiciones la ecuación P.V=n.R.T da resultados exactos, en otras condiciones da resultados bastante aproximados pero no totalmente exactos LEY DE LOS VOLÚMENES DE REACCIÓN. Gay-Lussac Cuando una sustancia es gaseosa, resulta mucho más sencillo medir su volumen que su masa, es por esto, que se intentó encontrar una relación entre los volúmenes de las sustancias que intervienen en una reacción química cuándo estas son gaseosas. Gay - Lussac formuló la siguiente ley: "La relación que existe entre los volúmenes, medidos en las mismas condiciones de presión y temperatura, de los gases que se forman o consumen en una reacción química es una relación de números enteros sencillos". Prof. J. Gabriel Perilla J. 45

46 CÁLCULOS ESTEQUIOMÉTRICOS. CÁLCULOS CON MASAS Conocida la masa de un reactivo o de un producto, pueden calcularse el resto de las masas que intervienen en la reacción Ejemplo: En la descomposición del clorato de potasio se obtiene cloruro de potasio y oxígeno Cuántos gramos de oxígeno se obtienen a partir de 1 kg de clorato? KClO 3 KCl + 3/2 O 2 1 mol de KClO 3 1 mol de KCl 3/2 mol de O 2 122,45 g de KClO 3 74,45 g de KCl 48 g de O 2 X g de O g de KClO 3 122,45 g de KClO g de KClO = X = = 587,45 g de O 2 48 g O 2 X g O 2 122,45 46

47 REACTIVOS CON IMPUREZAS Si existen reactivos con impurezas, es necesario determinar primero las cantidades existentes de sustancia pura Ejemplo: Se hacen reaccionar 22,75 g de Zn que contiene un 7,25 % de impurezas con HCl suficiente. Calcula la masa de H 2 desprendida. Dato: masa atómica del Zn = 65,38 2 HCl + Zn ZnCl 2 + H g de muestra (100 7,25) g de Zn = 22,75 g X X = 21,1 g de Zn Por cada mol de Zn se obtiene 1 mol de H 2 65,38 g de Zn 2 g de H 2 = 21,1 g de Zn Y Y = 0,645 g de H 2 47

48 REACTIVO LIMITANTE En una reacción química sólo se gasta completamente el reactivo limitante. Los reactivos en exceso no se agotan completamente Antes de la reacción 2 moles de CO 2 moles de O 2 0 moles de O 2 Después de la reacción 0 moles de CO 1 mol de O 2 2 moles de O 2 48

49 CÁLCULOS CON REACTIVO LIMITANTE. Generalmente es necesario preparar cantidades determinadas de productos a partir de cantidades de reactivos que no son estequiométricamente exactas reactivo limitante se consume completamente reactivo en exceso queda parte sin reaccionar El reactivo limitante reacciona solamente con la cantidad adecuada de la otra sustancia hasta que se acaba y de la que se encuentra en exceso queda parte sin reaccionar Ejemplo: Si reaccionan 7 g de Fe (56 u) con 8 g de S (32 u) para formar FeS cuál es el reactivo limitante y cuál el excedente? Fe + S FeS 1 mol de Fe 56 g de Fe 7 g de Fe 7 (g de Fe) = 56 (g/mol) X (g de S) 32 (g/mol) 1 mol de S 1 mol de FeS 32 g de S 88 g de FeS X g de S reactivo limitante: Fe 32 7 X = = 4 g de S reactivo en exceso: S 56 49

50 CÁLCULOS CON REACTIVOS EN DISOLUCIÓN. En estos casos es necesario calcular las cantidades de dichos reactivos disueltos Ejemplo: Calcular el volumen de la disolución 0,1 M de AgNO 3 que se necesita para reaccionar exactamente con 100 cm 3 de Na 2 S 0,1 M. (Masas moleculares: AgNO 3 = 169,88 u; Na 2 S = 78 u) La reacción ajustada es: 2AgNO 3 + Na 2 S Ag 2 S + 2NaNO 3 En 100 cm 3 de disolución 0,1 M de Na 2 S hay: 0,1 (L) x 0,1 (mol/l) = 0,01 moles de Na 2 S Por cada mol de Na 2 S que reacciona se necesitan 2 moles de AgNO 3 : 1 (mol Na 2 S) 2 (mol AgNO 3 ) 1 (mol Na 2 S) = x = 0,02 moles de AgNO 3 x La cantidad de disolución que hay que tomar para conseguir esos 0,02 moles de AgNO 3 es: 0,1 (mol) Prof: J.Gabriel Perilla 1 (L) J. = 0,02 (mol) y y = 0,2 L = 200 cm 3 50

51 RENDIMIENTO DE LAS REACCIONES QUÍMICAS. En los procesos químicos no suele obtenerse el 100% de las cantidades previstas de las sustancias, debido a reacciones simultáneas no deseadas, impurezas de los reactivos, escapes en los hornos, etc. hay que calcular el RENDIMIENTO de las reacciones químicas rendimiento = masa obtenida masa teórica x 100 El rendimiento de las reacciones es un factor fundamental en la industria química 51

52 TIPOS DE REACCIONES QUÍMICAS. 1)Reacción de síntesis: cuando dos sustancias se unen para dar una: A+B C Por ejemplo: 2Fe +O 2 2FeO CaO+H 2 O Ca(OH) 2 CaO+CO 2 CaCO 3 2H 2 +O 2 2H 2 O 2)Reacción de descomposición: justo al contrario que la anterior, una sustancia se descompone en varias A B+C Por ejemplo H 2 CO 3 CO 2 +H 2 O el ácido carbónico es muy inestable y tiende a descomponerse espontáneamente K ClO 3 K Cl+O 2 3)Reacción de sustitución:un átomo de un compuesto sustituye a un átomo de otro. AB + X XB + A Dentro de este tipo hay algunas típicas como: - 2HCl +Zn Zn Cl 2 + H 2 -CuSO 4 +Zn ZnSO 4 +Cu - Cl 2 + NaBr NaCl +Br 2 4)Doble descomposición o doble sustitución: es AB+ XY AY + XB AgNO 3 +NaCl NaNO 3 +AgCl -Un caso típico y muy importante son las REACCIONES ÁCIDO-BASE: ácido+base=sal+agua H Cl +NaOH NaCl +H 2 O 52

53 5)Reacción de oxidación-reducción: Un átomo de alguna de las sustancias que reaccionan cede electrones a un átomo de otra de las sustancias que reaccionan. *Se dice que una sustancia se oxida si pierde electrones. *El átomo o grupo de átomos que en una reacción redox cede electrones (se oxida) es el agente reductor ya que proboca la reducción de otra sustancia que toma esos electrones. *Se dice que una sustancia se reduce si gana electrones. *El átomo o grupo de átomos que en una reacción redox gana electrones (se reduce) es el agente oxidante ya que hace que otra sustancia se oxide al quitarle electrones. 2KMnO H Cl 2 MnCl 2 +5 Cl 2 +8H 2 O +2KCl Un ejemplo muy importante de reacciones redox son las reacciones de combustión En una reacción de combustión, el oxígeno reacciona con otra sustancia, desprendiéndose gran cantidad de energía, a menudo en forma de luz y calor CH O 2 CO H 2 O El mechero se enciende cuando el gas que contiene reacciona con el oxígeno del aire La combustión completa de un compuesto orgánico siempre da dióxido de carbono y agua 53

54 Energía, U Energía, U REACCIONES ENDOTÉRMICAS Y EXOTÉRMICAS Una reacción es exotérmica si en el transcurso de la misma se libera energía Una reacción es endotérmica si en el transcurso de la misma se absorbe energía CH O 2 2 O 3 DE < 0 DE > 0 CO H 2 O Transcurso de la reacción 3 O 2 Transcurso de la reacción Reacción exotérmica Caliente Reacción endotérmica Frío 54

55 Energía Energía Para romper un enlace, hay que aportar una cantidad de energía llamada energía de enlace Cuanto más fuerte es el enlace, mayor es su energía de enlace Dependiendo de la fuerza de los enlaces que se rompen y de los enlaces que se forman, las reacciones serán endotérmicas o exotérmicas Una reacción es endotérmica si la energía aportada para romper enlaces es mayor que la energía liberada al formarse nuevos enlaces Una reacción es exotérmica si la energía aportada para romper enlaces es menor que la energía liberada al formarse nuevos enlaces Reactivos Enlaces rotos E 1 E 2 Energía neta absorbida Productos Transcurso de la reacción E 1 Enlaces rotos E 2 Energía neta desprendida Reactivos Transcurso de la reacción C O H Productos 3 O 2 (g) 2 O 3 (g) CH O 2 CO H 2 O 55