TEMA 4: Reacciones químicas. Estequiometría

Transcripción

1 TEMA 4: Reacciones químicas. Estequiometría 1.- Concepto de reacción química. Una reacción química es un proceso mediante el cual una o más sustancias, reactivos, se transforman en otra o más sustancias diferentes denominadas productos. Las reacciones químicas pueden interpretarse como un reagrupamiento de los átomos de las sustancias reaccionantes. Para ello será necesario la ruptura de enlaces en los reactivos y la formación de nuevos enlaces en los productos. Las reacciones químicas se representan mediante ecuaciones químicas. Escribiremos en el primer miembro los reactivos y en el segundo miembro, los productos, uniendo ambos mediante una flecha: Reactivos productos A + B C Esta reacción se puede interpretar: el reactivo A reacciona con el reactivo B para dar el producto C En ocasiones, es necesario reflejar el estado de agregación de las sustancias participantes en la reacción. Para ello, utilizaremos unos subíndices: (s) sólido (l) líquido (g) gaseoso (ac) (aq) (dis) en disolución. Por ejemplo: C (S) + O ( g) CO 2 (g) El carbono, en estado sólido, reacciona con el oxígeno gaseoso para formar dióxido de carbono gaseoso. En algunas reacciones es necesario indicar bajo qué condiciones de presión y temperatura ocurren así como el disolvente o el catalizador utilizado. Estas condiciones se escriben encima o debajo de la flecha. Por ejemplo: Si sobre la flecha aparece la letra griega delta mediante la aplicación de calor, significa que la reacción se ha realizado La presencia de una sustancia gaseosa suele indicarse mediante una flecha vertical apuntando hacia arriba o hacia abajo si la sustancia formada es un precipitado 1

2 Ley de conservación de la masa: Ley de Lavoisier C + O 2 CO 2 La ley de conservación de la masa, enunciada por Lavoisier, afirma que en toda reacción química la masa permanece constante.. dicho de otro modo, que la suma de las masa de los reactivos es igual a la suma de las masas de los productos. Por ejemplo: el carbono reacciona con el oxígeno gaseoso para dar lugar dióxido de carbono: C + O 2 CO 2 Si hacemos reaccionar 24 de g carbono y se obtienen 88 g de CO 2. cuántos gramos de oxígeno se han utilizado? C + O 2 CO 2 24 X 88 Aplicando la ley de Lavoisier: Masa reactivos = masa productos Masa C + masa O = masa CO X = 88 X = X = 64 g de oxígeno se han utilizado. Ajuste de una reacción química: La ley de conservación de la masa pone en evidencia una máxima: en ambos miembros de una reacción química deben existir el mismo número de átomos de cada elemento. Si no es así, la reacción no está ajustada: Reactivos 2 átomos de oxígeno 4 átomos de hidrógeno Productos 3 átomos de oxígeno 2 átomos de hidrógeno Reacción no ajustada Para solucionar este problema, debemos colocar unos números delante de las fórmulas de cada sustancia para ajustar la reacción, estos números reciben el nombre de coeficientes estequiométricos, una vez colocados, correctamente, diremos que la reacción está ajustada: Reactivos 4 átomos de oxígeno 4 átomos de hidrógeno Productos 4 átomos de oxígeno 4 átomos de hidrógeno Reacción ajustada 2

3 La reacción química nos informa no sólo de las sustancias reaccionantes, sino de la proporción en la que interviene cada una de ellas, asi podemos leer: una molécula de metano reacciona con dos moléculas de oxígeno para formar una molécula de dióxido de carbono y dos moléculas de agua 2.- Estequiometría La estequiometría es la parte de la Química que se encarga de estudiar las relaciones existentes entre las cantidades de las sustancias participantes en una reacción química. Estas relaciones se ponen de manifiesto mediante los coeficientes estequiométricos. Estos coeficientes indican la proporción con la que participa cada sustancia en la reacción. Esta relación se puede interpretar en moles, partículas, masa e incluso volúmenes si hablamos si la reacción transcurre en fase gaseosa. Veamos un ejemplo: N 2(g) + 3H 2(g) 2NH 3(g) Podemos leer la ecuación de las siguientes formas: 1 molécula N 2(g) + 3 moléculas H 2(g) 2 moléculas NH 3(g) 1 mol N 2(g) + 3 moles H 2(g) 2 moles NH 3(g) 28 gramos N 2(g) + 6 gramos H 2(g) 34 gramos NH 3(g) En el caso particular de esta reacción, donde todas las sustancias están en estado gaseoso, podemos leer: 1 volumen N 2(g) + 3 volúmenes H 2(g) 2 volúmenes NH 3(g) Sustancias gaseosas. Reactivos en disolución. En ocasiones, algunas de las sustancias participantes en la reacción están en disolución. Para realizar cálculos estequiométricos con dichas sustancias es fundamental conocer la concentración de la disolución. La forma de expresar la concentración más empleada es la molaridad ya que relaciona el volumen empleado con los moles de soluto presentes. Reactivo limitante. Normalmente, cuando se lleva a cabo una reacción, las cantidades de los reactivos participantes no están en la relación estequiométrica. En estos casos, alguno de los reactivos se consumirá totalmente, quedando parte del resto de reactivo sin reaccionar. Al reactivo consumido en su totalidad se le denomina reactivo limitante y al resto de reactivos se les considera que están en exceso. Por lo tanto la reacción termina cuando se consume el reactivo limitante. 3

4 Reacciones consecutivas. En la industria, es habitual realizar una serie de reacciones consecutivas para obtener un determinado producto. Para resolver el problema recurrimos a la reacción global, que es la suma de los procesos parciales. Reactivos con impurezas inertes. Los reactivos no suelen ir mezclados con otras sustancias que reciben el nombre de impurezas. Cuando realizamos los cálculos estequiométricos, debemos tener en cuenta que las impurezas son inertes (no reaccionan) y tendremos que eliminar su contribución. El porcentaje de pureza de un reactivo se denomina riqueza. Por ejemplo: Si tenemos una muestra de cinc (Zn + impurezas) del 90% de riqueza, al realizar los cálculos estequiométricos debemos tener en cuenta que la cantidad de cinc participante en la reacción será el 90% de la masa de la muestra Rendimiento de una reacción. Las reacciones químicas no suelen tener un rendimiento del 100 %, por diferentes razones, la cantidad de producto obtenido es inferior a la que teóricamente cabría esperar. Se define como rendimiento de una reacción química a la relación, expresada en tanto por ciento, existente entre la cantidad de producto obtenido y la cantidad de producto teórica. Así, si el rendimiento de una reacción es del 80%, la cantidad de producto obtenido será un 80% de la cantidad máxima posible. Ficha de ejercicios 1.- La reacción química de formación del agua en estado gaseoso viene dada por: H 2 (g) + 1/2 O 2 (g) H 2 O (g) Justifica la veracidad o falsedad de las siguientes proposiciones. a) La cantidad de agua formada es igual a la cantidad de H 2 que haya reaccionado. b) La cantidad de agua formada es la mitad de la cantidad de O 2 consumida. c) El volumen de agua formado es la mitad del volumen de O 2 gastado. d) El volumen de agua formado coincide con el volumen inicial de H El cinc metálico reacciona con el ácido clorhídrico, produciéndose gas hidrógeno y cloruro de cinc. Qué masa de cinc se necesita para producir 10 g de hidrógeno? 4

5 3.- En la reacción de combustión total del propano, C 3 H 8, para dar dióxido de carbono y agua, calcula: a) El volumen de oxígeno necesario para quemar completamente 1 m 3 de propano. b) Qué volumen de aire será necesario para llevar a cabo dicha combustión, sabiendo que el aire contiene aproximadamente un 20% en volumen de O 2? Supón que todas las especies químicas son gases en las condiciones en las que se lleva a cabo la reacción. 4.- Calcula los gramos de disolución acuosa de ácido sulfúrico al 8% en masa que se necesitan para disolver 5 g de aluminio, según el proceso, sin ajustar: H 2 SO 4 (aq) + Al (s) H 2 (g) + Al 2 (SO4) 3 (aq) 5.- La obtención de Fe en un alto horno se lleva a cabo en dos etapas: C + CO 2 2 CO 3 CO + Fe 2 O 3 2 Fe + 3 CO 2 Calcula la cantidad de carbón que se necesita para obtener 1 t de hierro. 6.- Qué volumen de dióxido de carbono, medido en c.n., se obtiene en la descomposición térmica de 1 kg de carbonato de calcio con un 45% de impurezas inertes? En la reacción se forma, además, óxido de calcio. 7.- La combustión completa de 3,00 g de propano produjo ml de dióxido de carbono, medidos en condiciones normales. Cuál fue el rendimiento de la reacción? 8.- Indica la veracidad o la falsedad de las siguientes afirmaciones referidas a la reacción: 2 SO 2 (g) + O 2 (g) 2 SO 3 (g) a) 2 moles de SO 2 reaccionan con 1 molécula de O 2 para dar 2 moléculas de SO 3. b) 4 moles de SO 2 reaccionan con 2 moles de O 2 para dar cuatro moles de SO 3. c) La ecuación no es correcta porque en ella no se conserva el número de moles. d) 2 litros de SO 2 reaccionan con 1 litro de O 2 para dar 2 litros de SO Calcula los gramos de hidrógeno y los moles de O 2 necesarios para obtener 100 g de agua El nitrito de amonio, NH 4 NO 2, se descompone por la acción del calor originando nitrógeno, N 2, y agua. Si se descompusieron 5,0 g de sustancia, calcula: a) La masa de agua formada b) El volumen de gas N2 desprendido a 15 C y 710 mmhg El cobre reacciona con el ácido sulfúrico según: Cu + H 2 SO 4 CuSO 4 + SO 2 + H 2 O Calcula la masa de cobre necesaria para obtener 10 L de SO 2 medidos a 300 K y 1,1 atm Qué volumen de aire, medido en c.n., es necesario para quemar completamente 100 g de acetileno, C 2 H 2? El aire contiene un 21% en volumen de oxígeno Qué volumen de hidrógeno, H 2, medido a 50 C y 1,2 atm de presión, se obtiene al añadir 75 ml de HCl 0,5 M a 10 g de Al? 5

6 14.- Calcula el volumen de ácido clorhídrico al 20% de pureza y densidad 1,100 g/ml, necesarios para neutralizar 50 ml de hidróxido de sodio 0,01 M Qué volumen de ácido nítrico al 90% en peso y 1,480 g/ml de densidad es necesario para disolver completamente una muestra de cobre que contiene 1, átomos de dicho metal? La reacción es: HNO 3 + Cu Cu(NO 3 ) 2 + NO 2 + H 2 O 16.- El acetaldehído, CH 3 CHO, se oxida con el oxígeno a ácido acético, CH 3 COOH. Un recipiente con 50 g del aldehído se pone en contacto con 50 g de oxígeno. Calcula: a) La masa de ácido que se forma. b) Los gramos del reactivo en exceso que quedan después de finalizar la reacción El óxido de bario, BaO, puede reaccionar con el oxígeno del aire para dar peróxido de bario, BaO2. Cuántos gramos de producto se forman al reaccionar 5,0 kg de BaO con el oxígeno contenido en una habitación de 18 m3 que contiene aire a 20 C y 710 mmhg? En el aire hay un 21% en volumen de oxígeno Los carbonatos de los metales pesados se descomponen por la acción del calor en dióxido de carbono y óxido del metal correspondiente. Calcula la masa de óxido de plomo (II) que se obtiene al calcinar 1 t de su carbonato con riqueza del 45% Cuántos litros de H 2, medidos a 750 mmhg y 30 C, se pueden obtener atacando 75 g de cinc metálico del 90% de riqueza (el resto son impurezas inertes) con ácido sulfúrico? 20.- La hidracina, N 2 H 4, se utiliza como combustible en los cohetes espaciales, donde reacciona según la ecuación: N 2 H 4 (l ) + O 2 ( g) N 2 (g) + 2 H 2 O (g) Si al quemarse 1 t de N 2 H 4 se formaron 313m 3 de N 2, medidos en condiciones normales, calcula el rendimiento de la reacción Se hacen reaccionar 10 g de aluminio con ácido sulfúrico, según: Al + H 2 SO 4 Al 2 (SO 4 ) 3 + H 2 Calcula la masa de hidrógeno obtenida si el rendimiento de la reacción es del 40% Se tratan 0,9364 g de blenda, mineral que contiene ZnS, con ácido nítrico concentrado. Así, todo el azufre pasa a ácido sulfúrico, que, posteriormente, precipita como sulfato de bario. Sabiendo que el precipitado tiene una masa de 1,878 g, calcula el porcentaje de ZnS en la muestra de blenda analizada Calcula el volumen de CO 2 desprendido, a 25 C y 740 mmhg, cuando se tratan 100 g de una caliza con un 70% de riqueza en carbonato de calcio, con 100 ml de HCl 0,5 M. El rendimiento es del 60% El cloro se obtiene en el laboratorio según la reacción: dióxido de manganeso+ ácido clorhídrico cloruro de manganeso (II) + agua + cloro molecular. Calcula: a) La cantidad de dióxido de manganeso necesaria para obtener 100 litros de cloro medidos a 15 C y 720 mmhg. b) El volumen de ácido clorhídrico 0,2 M que habrá que usar. 6

7 25.- Se mezclan 20 g de cinc puro con 200 ml de disolución de HCl 6 M. Cuando finalice la reacción y cese el desprendimiento de hidrógeno: a) Calcule la cantidad del reactivo que queda en exceso. b) Qué volumen de hidrógeno, medido a 27 ºC y 760 mm Hg se habrá desprendido? Datos: R = atm L K -1 mol -1. Masas atómicas: Zn = 65 4; Cl = 35 5; H = El carbonato de sodio se puede obtener por descomposición térmica del bicarbonato de sodio, según la reacción: 2 NaHCO 3 Na 2 CO 3 + CO 2 + H 2 O Se descomponen 50 g de bicarbonato de sodio de un 98 % de riqueza en peso. Calcule: a) El volumen de CO 2 desprendido, medido a 25ºC y 1 2 atm. b) La masa, en gramos, de carbonato de sodio que se obtiene. Datos: R = atm L K -1 mol -1. Masas atómicas: Na = 23; H = 1; C = 12; O = En la reacción de ácido sulfúrico con cloruro de bario: H 2 SO 4 (aq) + BaCl 2 (aq) BaSO 4 (s) + 2 HCl (aq) Calcula: a) El volumen de una disolución de ácido sulfúrico, de densidad 1,84 g/ml y 96% en peso de riqueza, necesario para que reaccionen totalmente 21,6 g de cloruro de bario. b) La masa de sulfato de bario que se obtendrá. 7