Unidad 5. Reacciones químicas

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1 Unidad 5. Reacciones químicas Índice de contenido 1.-Masa molecular El Mol Número de Avogadro nºa La masa molar M Volumen Molar Vm Qué es una reacción química? Ecuación química Ajuste de las reacciones químicas Tipos de reacciones químicas Cálculos estequiométricos...7 Autoevaluación...10 Página 1 de 10

2 1.-Masa molecular La masa molecular (m) de una sustancia es el número de veces que una molécula contiene la unidad de masa atómica. La masa molecular se calcula sumando la masa atómica de cada uno de los átomos que tiene la molécula. (Las masas atómicas de cada elemento las encontrarás en el sistema periódico) Calcula las masa molecular del CO2 m = 1 mc + 2 mo= (1 12) + (2 16) = = 44 u 1.- Calcula la masa molecular de las siguientes sustancias: a) H2CO3 b) Mg(OH)2 c) Al2 (SO4)3 d) Cl2O5 e) O2 f) CuSO3 Datos de las masas atómicas en unidades de masa atómica: H = 1; C = 12; O = 16; Mg = 24; Al = 27; S = 32 ; Cl = 35,5 ; Cu = 63,5 Soluciones a) 62 u b) 58 u c) 342 u d) 151 u e) 32 u f) 143,5 u 2-.El Mol 2.1 Número de Avogadro nºa La masa de las moléculas es muy pequeña, por eso utilizamos a escala atómica la unidad de masa atómica (1u = 1, kg). Pero como en el laboratorio manejamos masas del orden del gramo, empleamos un múltiplo de la unidad de masa atómica. Un mol de átomos o moléculas es la cantidad de un elemento químico o de un compuesto equivalente a la que representa su masa atómica o molecular expresada en gramos. En el sistema internacional, el mol es la unidad de la magnitud cantidad de sustancia. Un mol es la cantidad de sustancia que contiene tantos átomos o moléculas como átomos hay en 0,012 kg del carbono 12 C. Varios experimentos han determinado que este número es Número que se simplifica como , y que recibe el nombre de número de Avogadro. Un mol de átomos, coches, personas, etc. contiene de estas cosas. Cómo de grande es este número? Por ejemplo, un mol de canicas cubriendo toda la superficie de la Tierra tendría un espesor de 4.8 km. Página 2 de 10

3 Matemáticamente podemos calcular el número de átomos o moléculas haciendo una regla de tres o mediante la expresión: N = n nºa Actividades: Representando N: número de átomos o moléculas n : moles nºa : número de Avogadro 2.- Cuántos átomos hay en 3 moles de potasio? x = = 1, átomos 1 mol átomos 3 moles x 3.- Si un vaso contiene 3.8 moles de agua, cuántas moléculas hay en el vaso? Solución: 2, moléculas 4.- Cuántas moléculas hay en 3 moles de H2SO4? Y cuántos átomos? Sol: moléculas átomos 2.2. La masa molar M Es la masa de un mol (o moléculas) y es el mismo número que la masa molecular pero con diferentes unidades. La masa molar se expresa en gramos. Por lo tanto, sabiendo calcular masas moleculares, conocemos el valor de la masa molar (expresándola en gramos), de gran utilidad en al laboratorio. Vamos a poder hacer cálculos químicos mediante reglas de tres o bien aplicando sencillas fórmulas químicas: m = n M siendo m : masa n : moles M : masa molar Ejemplo: 5.- En un frasco de laboratorio hay 300 g de CuSO4. Calcular cuántos moles de esta sustancia contiene el frasco. Calculamos la masa molar M del CuSO4 : M (CuSO4 ) = 1 63, = 159,5g/mol Planteamos la regla de tres: 1mol de CuSO4 159,5g X 300g Operando, obtenemos X = 1,88 moles de CuSO4 Página 3 de 10

4 2.3. Volumen Molar V m El volumen molar Vm de una sustancia es el volumen ocupado por un mol de átomos o de moléculas de dicha sustancia. Para calcular el volumen molar de sólidos o de líquidos, necesitamos conocer la densidad de esa sustancia y aplicar la fórmula: d = M / Vm siendo M: Masa molar Vm :Volumen molar d : Densidad Ejemplo 6.- Calcula el volumen molar del mercurio, sabiendo que su densidad es 13,6g/mL. (Hg = 200 u) Sol: 14,7mL 7.- Calcula el volumen que ocupan 450 g de mercurio, sabiendo que su densidad es 13,6g/mL. Sol: 33.08mL Para calcular el volumen molar de gases, no necesitamos conocer su densidad, ya que siempre se cumple: Un mol de cualquier gas en condiciones normales (273 K y 1 atm.) ocupa siempre 22.4 litros independientemente del cuál sea el gas. Esto significa que si trabajamos a 0ºC =273ºK y a 1atm de presión, 1 mol de cualquier gas M=32g/mol SO2 M = 64g/mol o CH4 M= 16g/mol ocupan el mismo volumen. O2 Ejemplo: 9- Cuántos moles de nitrógeno, en condiciones normales, hay en un recipiente de 1000 L? Sol: moles 3.- Qué es una reacción química? Una reacción química es un proceso en el que una o varias sustancias se transforman en otra u otras, distintas a las iniciales. En toda reacción distinguimos dos tipos de componentes: Reactivos: Son la sustancia o sustancias que inician la reacción química. Productos: Son la sustancia o sustancias finales que se obtienen en la reacción. 4. Ecuación química Una ecuación química es la representación escrita y abreviada de una reacción química. Reactivos productos 1. Las sustancias que reaccionan se escriben primero, seguidas de una flecha y luego, se escriben los productos. Página 4 de 10

5 2. Si hay varios reactivos o varios productos, unos y otros se separan por medio del signo + 3. La ecuación química debe indicar el estado físico de los reactivos y de los productos. Para ello se emplean los siguientes símbolos: (g) representa el estado gaseoso (s) representa el estado sólido (l) representa el estado líquido (ac) representa una disolución acuosa Usualmente estas símbolos se omiten y sólo se usan cuando es estrictamente necesario. 5.- Ajuste de las reacciones químicas. Las ecuaciones químicas deben estar ajustadas. Ajustar una ecuación química es asignar a la fórmula de cada componente el coeficiente estequiométrico adecuado, de modo que haya el mismo número de átomos de cada elemento en los dos miembros. La razón está en la ley de conservación de la masa de Lavoisier que dice: En toda reacción química, la masa total de las sustancias que reaccionan (reactivos) es igual a la masa total de las sustancias que se obtienen (productos) Ajusta las siguientes reacciones químicas 1) Cl 2 + Ag AgCl 2) S + O 2 SO 3 3) Br 2 + H 2 HBr 4) C 3 H 8 + O 2 CO 2 + H 2 O 5) H 3 PO 4 + NaOH Na 3 PO 4 + H 2 O 6) HNO 3 + Fe Fe (NO 3 ) 2 + H 2 7) HCl + Ca (OH) 2 CaCl 2 + H 2 O 8) P + O 2 P 2 O 5 9) Ag + HNO 3 AgNO 3 + H 2 10) Fe + O 2 Fe 2 O 3 11) Mg + H 2 O Mg(OH) 2 + H 2 12) Pb + H 2 PbH 4 13) Na + O 2 Na 2 O 14) C 6 H 12 O 6 + O 2 CO 2 + H 2 O 15) PbS + O 2 PbO + SO 2 16) CH 4 + O 2 CO 2 + H 2 O 17) H 2 SO 4 + LiOH Li 2 SO 4 + H 2 O 18) Br 2 + O 2 Br 2 O 5 Página 5 de 10

6 19) Na 2 CO 3 + Ca(OH) 2 CaCO 3 + NaOH 20) Na 3 P + H 2 O PH 3 + NaOH 6.- Tipos de reacciones químicas Reacciones de síntesis Una reacción de síntesis es aquella en la que dos o más sustancias, se unen para formar una única sustancia. A + B AB Cl 2 + Ag AgCl Reacciones de descomposición Una reacción de descomposición es aquella en la que, a partir de un único compuesto, se forman otras sustancias más simples. AB A + B CaCO 3 CaO + CO 2 Reacciones de desplazamiento Una reacción de desplazamiento es aquella en la que un elemento desaloja a otro de un compuesto y lo sustituye, dando lugar a un nuevo compuesto. A + BC B + AC Ag + HNO 3 AgNO 3 + H 2 Reacciones de doble desplazamiento Una reacción de doble desplazamiento es aquella en la que los átomos o los iones componentes de dos sustancias intercambian sus posiciones y dan origen a nuevos compuestos. AB + CD AD + CB Pb(NO 3 ) 2 + KI PbI 2 + KNO Clasifica las siguientes reacciones: a) 2 Mg + O 2 2 MgO b) Zn + H 2 SO 4 ZnSO 4 + H 2 c) Cu + S CuS d) H 2 CO 3 H 2 O + CO 2 e) Na 2 CO 3 + Ca(OH) 2 CaCO NaOH f) 2 NaCl 2 Na + Cl 2 g) 2 K + 2 H 2 O 2 KOH + H 2 h) 2 HCl + Zn(OH) 2 ZnCl 2 + H 2 O 2.- Ajusta y clasifica las siguientes reacciones: b) CaO + Li Ca + Li 2 O c) HNO 3 + Ca(OH) 2 Ca(NO 3 ) 2 + H 2 O d) H 2 O-> H 2 + O 2 e) KClO 3 KCl + O 2 Página 6 de 10

7 7.- Cálculos estequiométricos Los coeficientes estequiométricos de las ecuaciones ajustadas nos indican la proporción en moles en la que intervienen las distintas sustancias en una reacción química. A partir de esta relación, podemos obtener la relación en masa y, en el caso de las sustancias gaseosas, la relación en volumen. Para realizar cálculos estequiométricos debemos seguir los siguientes pasos: 1.- Ajustar la ecuación 2.- Transformar a moles las cantidades dato del problema. 3.- Identificar las sustancias que vamos a relacionar. 3.- Relacionar los moles de la reacción química con los del problema en concreto. 4.- Transformar los moles obtenido en masa o volumen, según lo preguntado en el problema. Ejemplo: Cuál será la masa de yodo necesaria para que reaccionen completamente con 7 gramos de aluminio en la siguiente reacción? Al + I 2 AlI 3 Data: m Al = 27 u m I = 127 u 1.- Ajustar la reacción química 2 Al + 3 I 2 2 AlI Transformar el dato del problema a moles Moles = masa/ masa molar moles = 7 / 27 = 0.26 moles de Al 3. Identificamos las sustancias a relacionar Al (dato) y I 2 (incógnita) 4.- Relacionamos los moles de la reacción química con los del dato en concreto 5.-Transformamos los moles obtenidos a la unidad deseada (masa o volumen) 2 moles Al 3 moles I moles Al x x = 0.39 moles de I 2 Moles = masa/ masa molar masa = moles x masa molecular masa = 0.39 x (127 x2) = g Actividades: 1.- Cuál será la masa de KCl obtenida a partir de 5 g de KClO 3 en la siguiente reacción? KClO 3 KCl + O 2 Data: m K = 39 u m Cl = 35.5 u m O = 16 u 1.- Ajustar la reacción química 2.- Transformar el dato del problema a moles Moles = masa/ masa molar moles = 3.- Identificamos las sustancias a relacionar Página 7 de 10

8 4.- Relacionamos los moles de la reacción química con los del dato en concreto 5.-Transformamos los moles obtenidos a la unidad deseada (masa o volumen) Moles = masa/ masa molar masa = moles x masa molar masa = Ejercicios: 1. 1º Dada la reacción: Mg + O 2 MgO, determina la masa de oxígeno que se consume y la masa de óxido de magnesio producida si hacemos reaccionar 8,1g de magnesio. Mg = 24 u; O = 16 u Sol: 5,3g O 2 13,4g MgO 2. La siguiente reacción es uno de los métodos de obtención del ácido nítrico: NO 2 + H 2 O HNO 3 + NO Calcula cuántos gramos de dióxido de nitrógeno deben reaccionar para producir 8,8 g de ácido nítrico. N= 14 u; O = 16 u ; H = 1 u Sol:9,6 g NO 2 3. El disulfuro de carbono reacciona con oxígeno ( O 2 ) para dar dióxido de carbono y dióxido de azufre, ambos en estado gaseoso. Escribe la ecuación y calcula la masa de oxígeno que se ha de consumir para que formen 100 g de dióxido de carbono. S = 32 u ; O = 16 u ; C = 12 u Sol: 218 g de O 2 4. Cuando el cinc (Zn) es atacado por el ácido clorhídrico HCl, se produce una disolución de cloruro de cinc, ZnCl 2, y se desprende hidrógeno gas, H 2. Calcula el volumen de este gas medido en condiciones normales, que se obtiene al hacer reaccionar 20g de Zn. Zn = 65.4 u ; H = 1 u ; Cl = 35.5 u Sol: 6,7 L 5. El etanol C 2 H 5 OH se quema en presencia del oxígeno O 2 del aire para dar agua y dióxido de carbono. Calcula la masa de oxígeno necesaria para quemar 10,5 g de etanol. Calcula las masas de agua y dióxido de carbono que se obtienen. C = 12 u ; H = 1 u ; O = 16 u Sol:21,9g; 12,3g y 20,1g 6. En el proceso de tostación del sulfuro de cinc se representa mediante la reacción: ZnS (s) + O 2 (g) ZnO (s) + SO 2 (g) a. Qué cantidad de oxígeno se necesita para reaccionar con 974 g de sulfuro de cinc? b. Qué cantidad de dióxido de azufre se desprende en el proceso? Página 8 de 10

9 Zn = 65.4 u ; O = 16 u ; S = 32 u Sol:480g ; 640g 7. El ácido clorhídrico HCl reacciona con el carbonato de calcio, CaCO 3, y produce cloruro de calcio, CaCl 2, dióxido de carbono CO 2 y agua. Qué masa de agua se obtiene cuando reaccionan completamente 18 g de carbonato de calcio?. Ca = 40 u ; H = 1 u ; Cl = 35.5 u ; C = 12 u Sol:3,24g 8. Calcula el volumen de amoniaco NH 3 que se obtiene a partir de 15 L de hidrógeno H 2, ambos a 1atm y 0ºC, según la reacción: N 2 (g) + H 2 (g) NH 3 (g) Sol:10L 9. El hierro en contacto con el oxígeno O 2 del aire se oxida y se obtiene óxido de hierro(iii). Calcula la cantidad de óxido que se obtiene cuando entran en contacto 8 g de hierro con oxígeno, medidos en condiciones normales de presión y temperatura. Fe = 55.8 u ; O = 16 u Sol:11,4g Página 9 de 10

10 Autoevaluación 1º. Ajusta las siguientes reacciones químicas: 1ª N 2 + O 2 N 2 O 3 2ª FeS + HCl FeCl 2 + H 2 S 3ª C 5 H 12 + O 2 CO 2 + H 2 O 4ª Na + H 2 O NaOH + H 2 2º Clasifica las siguientes reacciones químicas: 1ª N 2 + O 2 N 2 O 3 2ª FeS + HCl FeCl 2 + H 2 S 3ª KClO 3 KCl + O 2 4ª Na + H 2 O NaOH + H 2 3º. En la reacción: HCl + Al AlCl 3 + H 2 Qué masa de hidrógeno se obtiene a partir de 4g de aluminio? (No se te olvide ajustarla). Qué volumen ocuparía dicha masa en condiciones normales? Masas atómicas: Al=27; H=1, Cl=35,5; Sol:0.44 g; 4.9 L 4º. Escribe las siguientes reacciones químicas y ajústalas: 1ª/ El clorato de potasio ( KClO 3 ) sólido se descompone por acción del calor en el sólido cloruro potásico ( KCl ) y en gas oxígeno( O 2 ). 2ª/ Se quema gas butano ( C 4 H 10 ) en presencia del oxígeno del aire ( O 2 ) y se desprende gas dióxido de carbono (CO 2 ) y vapor de agua ( H 2 O ). Masas atómicas: K=39; Cl=35,5; O=16; C=12; H=1 a) Calcula la masa de cloruro de potasio que se obtiene si partimos de 200g de clorato potásico en la primera reacción del ejercicio anterior. Sol: g b) Calcula el volumen de gas butano que es necesario quemar si se han desprendido 5 litros de dióxido de carbono. Sol: 1.25 L 5º Define: reactivo, producto y reacción química. Enuncia la ley de conservación de la masa y pon un ejemplo Cuántos gramos hay en 2 moles of H3PO4? (H = 1 u ; P = 31 u ; O = 16 u) Sol: 196 g 7.- Cuántas moléculas hay en 100 g de P2O5? ( P = 31 u ; O = 16 u) Sol: 4, Página 10 de 10

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