INSTITUCIÓN EDUCATIVA JUAN DE LA CRUZ POSADA ACTIVIDA DE CLASE GRADOS DECIMOS

Transcripción

1 INSTITUCIÓN EDUCATIVA JUAN DE LA CRUZ POSADA DOCENTE: RAFAEL CORDOBA MENA Balanceo de ecuaciones químicas 1 ACTIVIDA DE CLASE GRADOS DECIMOS Balancear significa igualar el número de átomos de los reaccionantes con los que se producen. Toda ecuación química debe cumplir con este principio para estar correctamente escrita, cumpliendo con una de las leyes fundamentales de la química, la ley de la conservación de la materia. Ejemplo: EC.1. Combinación del hidrógeno con el oxígeno en la combustión. Reacción exotérmica, (ecuación sin balancear). H 2 + O 2 H 2 O EC.2. Combinación del hidrógeno con el oxígeno en la combustión. Reacción exotérmica, (ecuación balanceada). 2H 2 + O 2 2H 2 O Los números que se colocan delante de los átomos o compuestos reciben el nombre de coeficientes estequiométricos, y su función es igualar la cantidad de átomos del lado de los reaccionantes y del lado de los productos. Son números siempre positivos y por lo general se prefiere utilizar enteros (son los números resaltados en gris en la ec.2). Ley de la conservación de la materia Los átomos no se crean ni se destruyen durante una reacción química, simplemente se reacomodan. Una ecuación química correctamente balanceada cumple con esta ley. Tipos de balanceo: a) Balanceo por tanteo. b) Balanceo por óxido- reducción (tradicional). c) Balanceo por óxido- reducción (método Clavel). Recomendaciones antes de balancear: 1) Verificar que la ecuación que estés copiando en tu cuaderno la hayas escrito correctamente a partir de la fuente. Tratar de balancear algo mal escrito podría resultar en un quebradero de cabeza y en ocasión imposible de balancear.

2 2) Cerciorarse que está bien formulada, es decir cumpla con las leyes de la nomenclatura química. 3) El no hacer esto resultaría en una gran pérdida de tiempo. 4) Revisar si la ecuación ya está balanceada. Ec.3. Combinación del hierro con el oxígeno en la oxidación, (ecuación sin balancear). Fe (III) + O 2 Fe 2 O 3 Reactivos Productos Fe: 1 átomo Fe: 2 átomos O: 2 átomos O: 3 átomos Conclusión: esta ecuación está bien formulada y no esta balanceada. a) Balanceo por tanteo: es el método más sencillo y se aplica a ecuaciones químicas de fácil balanceo, tiene el inconveniente que no puede utilizarse para ecuaciones químicas complicadas con muchos Parabalancear los estequiométricos es el que sigue: a) Elementos metálicos. b) Elementos no metálicos. c) Radicales si están presentes en ambos lados de la ecuación. d) Hidrógeno. e) Oxígeno. Retomando la ec.3. Fe (III) + O 2 Fe 2 O 3 El metal es el Fe y el no metal es el O. Comenzamos balanceado el metal, es decir el Fe. Reactivos Productos Fe: 1 átomo Fe: 2 átomos Coloco un dos del lado de los reactivos delante del Fe. 2Fe (III) + O 2 Fe 2 O 3 2

3 Prosigo con el O. Reactivos Productos O: 2 átomos O: 3 átomos Coloco un 3 del lado de los reactivos y un 2 del lado de los productos, de tal manera que la multiplicación de los coeficientes por los subíndices me dé el mismo valor, en este caso el número resultante es 6. 2Fe (III) +3 O 2 2 Fe 2 O 3 1) Los coeficientes empleados deben ser los más pequeños posible, preferiblemente números enteros, es decir hay que ir colocándolos y sustituyéndolos en orden creciente, comenzando desde el uno y así progresivamente. Si el coeficiente es uno, no se escribe, ya que se sobreentiende. En nuestro caso todos los números son mayores de uno. 2Fe (III) +3 O 2 2 Fe 2 O 3 Ahora sin embargo se alteró la cantidad de Fe del lado de los productos, ahora tenemos 4 Fe y solo 2 Fe del lado de los reactivos. Reactivos Productos Fe: 2 átomos Fe: 4 átomos O: 6 átomos O: 6 átomos Por lo que tengo que realizar un retoque y alterar el 2 Fe de los reactivos por un 4 para así poder balancearlos. 4Fe (III) +3 O 2 2 Fe 2 O 3 Finalmente quedará así: Reactivos Productos Fe: 4 átomos Fe: 4 átomos O: 6 átomos O: 6 átomos En ningún caso se deben alterar los subíndices de la fórmula para facilitar el balanceo. Para contar el número de átomos en un compuesto se deben multiplicar los coeficientes por los subíndices. Para contar el número de átomos de un mismo elemento en un mismo lado de la ecuación se deben sumar el subtotal de cada átomo de todos los compuestos presentes en ese lado. 3

4 Revisar el balanceo final y acomodar algún coeficiente si es necesario. Nota: Explicación del Chang. Capítulo 3.7 Ejercicios de balanceo por el método de tanteo: a) Cl 2 + KBr KCl + Br 2 b) Fe + HCl FeCl 2 + H 2 c) BaCl 2 + Na 2 SO 4 NaCl + BaSO 4 d) CaO + H 2 O Ca(OH) 2 e) HCl + Al(OH) 3 AlCl 3 + H 2 O f) H 2 S + HClO 3 H 2 SO 4 + HCl g) PbS + O 2 PbO + SO 2 h) HNO 3 + Zn Zn (NO 3 ) 2 + H 2 i) PbS + H 2 O 2 PbSO 4 + H 2 O b) Balanceo por óxido- reducción (tradicional). Para entender este método hay que conocer el número de oxidación de un elemento. El número de oxidación es el número de cargas que tendría un átomo en una molécula.. Chang (1999). Por ejemplo en la molécula de agua H 2 O sería: H +1 2 O -2 En el hidrógeno (H) sería +1 el nº de oxidación. En el oxígeno (O) sería -2 el nº de oxidación. Podríamos hacer una escala con los números de oxidación, como sigue: oxidación > números de oxidación < reducción Oxidación: proceso de perdida de electrones por parte de una sustancia en una reacción química, por lo tanto la sustancia que se oxida se hace más positiva o menos negativa. El número de oxidación aumenta. Ej. Cu 0-2e - Cu +2 (pierde 2 e-) Reducción: proceso de ganancia de electrones por parte de una sustancia en una reacción, por lo tanto la sustancia que se reduce se hace más negativa o menos positiva. El número de oxidación disminuye. 4

5 Ej. N e - N +2 (gana 3 e-) Pasos del método: 1) Determinar los estados de oxidación de todos los átomos en la reacción, por el método de la ecuación de primer grado con una incógnita. 5

6 Los átomos libres o compuestos de un mismo átomo poseen un estado de oxidación de cero. En nuestro ejemplo sería el Cu del lado de los reactivos. Los números de oxidación encerrados en el cuadro gris son los elementos que han cambiado su estado de oxidación al reaccionar. Cu 0 +H +1 N +5 O -2 3 Cu +2 (N +5 O -2 3) 2 + N +2 O 2 +H +1 2O -2 2) Se plantean la semireaciones de oxidación y reducción con respecto a los números de oxidación que cambien. Para ello nos basamos en la escala del número de oxidación. Cu 0 Cu +2 (semireacción de oxidación) N +5 N +2 (semireación de reducción) 3) Se determinan el número de electrones ganados o perdidos, en cada semireacción. Cu 0 2e - Cu +2 (semireacción de oxidación) N e - N +2 (semireación de reducción) 4) Como en una ecuación química el número de e - perdidos y ganados deben ser iguales para así cumplir con la ley de la conservación de la materia, se procede a multiplicar cada semireacción por un número que permita su igualación, para luego proceder a sumarlas. 3 x (Cu 0 2e - Cu +2 ) 2 x (N e - N +2 ) Multiplicación 3Cu 0 6e - 3Cu +2 2N e - 2N +2 Suma Cu + 2N 3Cu + 2N 6

7 Conclusión : esto significa que 3 átomos de Cu pierden 6 e-, pero hay 2 átomos de N que ganan estos 6 e-. En toda ecuación de este tipo hay alguien que se oxida y otro que se reduce. Hay sustancias que liberan electrones y otras que las toman, es como un juego de pelota en donde hay un lanzador y un atajador, quién lanza la pelota (el electrón) se oxida y quién la ataja se reduce. 5) Se llevan estos coeficientes ha la ecuación original. 3Cu + 2HNO 3 3Cu(NO 3 ) 2 + 2NO+H 2 O Este método no es perfecto, de los cuatro coeficientes es probable que alguno de ellos este incorrecto. Hay que proceder a un balanceo por el método del tanteo, antes estudiado. 6) Se reajustan los coeficientes en el siguiente orden: a) Elementos metálicos b) Elementos no metálicos c) Hidrógeno d) Oxígeno En este caso hay que modificar el 2 por un 8 en el caso del ácido nítrico, lado de los reactivos. 3Cu + 8HNO 3 3Cu(NO 3 ) 2 + 2NO+H 2 O y completar el faltante de H con un 4 en el agua producida. 3Cu + 8HNO 3 3Cu (NO 3 ) 2 + 2NO+4H 2 O Ahora si hemos finalizado y todos los átomos del lado de los reactivos y productos se han igualado. A partir de aquí, los métodos son opcionales, no son obligatorio su estudio. c) Balanceo por óxido- reducción (método Clavel) Es el mismo método que el tradicional, pero se escribe menos y es más rápido. Su nombre se debe en honor al profesor Rubén Clavel, profesor de química de II de Ciencias del Colegio Santiago León de Caracas, compañero de charlas del autor cuando trabajaba en esa institución, gentilmente se lo explicó al autor. 7

8 Pasos para el balanceo por este método: 1) Se determinan las valencias de los elementos que cambian de estado de oxidación. El hidrógeno y el oxígeno generalmente no cambian, ellos se mantienen inalterables. En la siguiente ecuación: Cu +HNO 3 Cu(NO 3 ) 2 +NO+H 2 O Sus estados de oxidación serían: Cu 0 + H +1 N +5 O -2 3 Cu +2 (N +5 O -2 3) 2 +N +2 O -2 + H +1 2O -2 2) Se coloca debajo del compuesto que cambia la variación del número de oxidación (N.O), en este caso del lado de los reactivos (hay otros casos que pueden ir del lado de los productos). Cu Cu 0 Cu +2 (N.O) = +2 0 = +2 N N +5 N +2 (N.O) = +5 (+2) = +3 Cu + HNO 3 Cu(NO 3 ) 2 + NO+ H 2 O 2 3 3) Se intercambian los N.O en los reactivos y se colocan como coeficientes estequiométricos por delante de cada uno. 3Cu + 2HNO 3 Cu(NO 3 ) 2 + NO+ H 2 O 2 3 4) Se igualan los elementos que sufren cambios, en este caso los Cu y los N del lado de los productos. 3Cu + 2HNO 3 3Cu(NO 3 ) 2 + 2NO+ H 2 O 2) Se igualan los elementos que no sufren cambios, en este caso hay 8 N del lado de los productos (2 sufrieron cambios y 6 no sufrieron cambios. 3Cu + 2HNO 3 3Cu(N 1 O 3 ) 2 + 2N 1 O + H 2 O 2x1x3= 6N 1x2=2N 8 sin cambio con

9 cambio Significa que del lado de los productos hay un total de 8 N, 6N (cambiaron) y 2N (no cambiaron) es por ello que hay que colocar del lado de los reactivos la suma de los nitrógenos, es decir 8. 3Cu + 8HNO 3 3Cu(N 1 O 3 ) 2 + 2N 1 O + H 2 O 8N 2x1x3= 6N 1x2=2N 3) Se rectifica algún coeficiente si es necesario. Se igualan los hidrógenos y por último si todo los pasos anteriores están correctos los oxígenos deben estar igualados, de no ser así se procederá a revisar el proceso, en algún lado nos hemos equivocado. 3Cu+ 8HNO 3 3Cu(NO 3 ) 2 + 2NO+ 4H 2 O Conclusión: De 3 Cu los 3 cambiaron su número de oxidación. De 8 N en total del lado de los reactivos, 6 no cambiaron y 2 cambiaron su número de oxidación del lado de los productos. Es importante resaltar que inicialmente todos los N formaban parte del radical NO3-1 del ácido nítrico, los nitrógenos que se mantienen bajo este radical NO3-1 son los que no cambian, los otros que forman parte del monóxido de nitrógeno son los que cambiaron su número de oxidación. 3Cu + 8HNO 3 3Cu(N 1 O 3 ) 2 + 2N 1 O + H 2 O 2x1x3= 6N 1x2=2N Ejercicios: 1) Cu + HNO 3 Cu(NO 3 ) 2 + NO 2 + H 2 O 2) Al + HNO 3 Al(NO 3 ) 3 + NO + H 2 O 3) KClO 3 KCl + O 2 4) H 2 S + HNO 3 H 2 O + NO + S 5) Cl 2 + NaOH NaCl + NaClO 3 + H 2 O 6) I 2 + HNO 3 HIO 3 + NO 2 + H 2 O 7) CoCl 2 + KOH + KClO 3 Co 2 O 3 + KCl + H 2 O d) Balanceo de ecuaciones químicas por el método algebraico de sistema de ecuaciones. 1 9

10 Este método al igual que el matricial es poco utilizado, porque la mayoría de los profesores los desconocen y en la literatura prácticamente no los nombran. Este método junto con el matricial son los métodos más poderosos y más rápidos. Para este método la utilización de una calculadora científica que resuelva sistemas de ecuaciones es de mucha utilidad, ya que permite realizar los cálculos con gran rapidez, de no poseer una de estas nos quedan dos alternativas: comprar una o realizar los tediosos cálculos a mano, es decir con lápiz y papel. Este método con ayuda de la calculadora solo podrá resolver aquellos sistemas de ecuaciones compatibles determinados, esto significa que poseen una sola solución (sin incluir los múltiplos). Ejemplo 1. Ecuación de óxido-reducción, una sola etapa. Comencemos a explicar el método, planteando la ecuación química de la combustión de la glucosa o respiración celular: C 6 H 12 O 6 + O 2 CO 2 + H 2 O Tratemos de balancearla, cualquiera de los anteriores métodos podrían servir. Pasos: Cree una tabla con los datos extraídos a partir de la ecuación química. Cada compuesto asumirá una variable y procederemos a determinar la cantidad de cada elemento en cada compuesto o variable. C 6 H 12 O 6 + O 2 CO 2 + H 2 O X Y Z T 4 compuestos C, H, O 3 elementos Según la siguiente tabla Compuestos X Y Z T Elementos C H O La última columna de la derecha de la tabla, en este caso la columna T será asignada para los términos independientes, recordemos que desde el punto de vista matemático esto significa aquellos términos que no están acompañados de alguna unidad o variable. Ejemplo: 2X + 3Y = 5 El 5 sería el término independiente. Si colocáramos esta tabla en forma de sistema de ecuaciones quedaría de la siguiente forma, este paso no es necesario realizarlo: 10

11 6X+Z=0 12X=2 6X+2Y+2Z=1 Para poder resolver un sistema de ecuaciones el número de ecuaciones debe ser al menos igual al número de variables, en nuestro caso faltaría una ecuación, por lo que utilizaremos una estrategia, asignaremos de forma arbitraría para la variable T el valor 1, recordemos que a esta columna se le asigno para los términos independientes, quedando el sistema de ecuaciones de la siguiente manera. 6X+Z=0 12X=2 6X+2Y+2Z=1 T=1 Introducimos los datos en la calculadora científica, capaz de resolver sistema de ecuaciones, a partir de la tabla original: anx + bny + cnz = dn Coeficientes Ecuaciones a b c d Se procede a resolver, y se originan los siguientes resultados: X = 1/6 Y = 1 Z = -1 El signo de cada resultado determina si es reactivo o producto, según la siguiente tabla: Positivo (+) Negativo (-) Reactivo Producto Recordemos agregar a los resultados el valor de la variable T= 1. El signo es negativo por estar del lado de los productos. 11

12 X = 1/6 Y = 1 Z = -1 T = -1 Ver nota 2 Asignación de cada uno de los resultados a los coeficientes estequiométricos de la ecuación química: C 6 H 12 O 6 + O 2 CO 2 + H 2 O (ecuación sin balancear) 1/6C 6 H 12 O 6 +O 2 CO 2 + H 2 O (ecuación balanceada) Algunas personas prefieren ver los coeficientes en forma de números enteros, si este es su caso, se procederá a multiplicar por un número entero que permita ese cambio, en nuestro caso ese número es el 6. Por lo que cada deberá ser multiplicado por 6. X = 1/6 x 6 = 1 Y = 1 x 6 = 6 Z = -1 x 6 = - 6 T = -1 x 6 = - 6 C 6 H 12 O 6 + 6O 2 6CO 2 + 6H 2 O (ecuación balanceada) Ejemplo 2: Óxido-reducción de una etapa. Con este segundo ejemplo más complicado observaremos las prestaciones de este método, ya que los métodos anteriores el procedimiento sería más largo. Balancear la siguiente ecuación química: KMnO 4 + H 2 SO 4 K 2 SO 4 + MnSO 4 + H 2 O + O 2 1) Cree una tabla con los datos extraídos a partir de la ecuación química original, sin balancear. X Y Z T U V 2 Nota: Si usted desconoce como introducir estos valores en su calculadora acuda al manual de su calculadora científica. No todas las calculadoras científicas están en capacidad de resolver sistemas de ecuaciones. 12

13 K Mn O H S ) Introducimos los datos en la calculadora científica, capaz de resolver sistema de ecuaciones, a partir de la tabla original: AXn + byn + czn + dtn + eun + fvn a b c d e f Resultados: X 0.8 Y 1.2 Z -0.4 T -0.8 U

14 Agrego arbitrariamente V = -1 X 0.8 4/5 Y /5 Z /5 T /5 U (1+1/5) V KMnO H 2 SO 4 0.4K 2 SO MnSO H 2 O + O 2 4/5KMnO /5 H 2 SO 4 2/5K 2 SO 4 + 4/5MnSO /5 H 2 O + O 2 Multiplico cada término por 5 para que quede en forma entera: X 4 Y 6 Z -2 T -4 U -6 V -5 3) Asignación de cada uno de los resultados a los coeficientes estequiométricos de la ecuación química: 4KMnO 4 + 6H 2 SO 4 2K 2 SO 4 + 4MnSO 4 + 6H 2 O + 5O 2 TENIENDO EN CUENTA LA SIGUIENTE EXPLICACION RESUELVE LOS SIGUGIENTES EJERCICIOS PROPUESTOS SOBRE BALANCEO DE ECUACIONES KMnO 4 + Na 2 SO 3 + H 2 SO 4 CrCl 3 + KOH + KClO 3 + K K 2 SO 4 + MnSO 4 + Na 2 SO 4 + H 2 O KCl + K 2 CrO 4 + H 2 O Zn + H 2 SO 4 ZnSO 4 + H 2 Cu + H 2 SO 4 HNO 3 + H 2 S CuO + NH 3 Cu 2 S + CuSO 4 + H 2 O NO + S + H 2 O N 2 + H 2 O + Cu KI + H 2 SO 4 HS + H 2 O + I 2 + K 2 SO 4 14

15 Ag + H 2 so 4 Ag 2 SO 4 +SO 2 +H 2 O K 2 Cr 2 O 7 + FeSO 4 +H 2 SO 4 Cr 2 (SO 4 ) 3 + K 2 SO 4 + Fe 2 (SO 4 ) 3 + H 2 O 15