Cálculos Estequiométricos

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1 UNIDAD 2. Cálculos Estequiométricos Propósito: Cuantificará la masa y la energía de las reacciones químicas de productos industrializados de uso cotidiano, mediante cálculos estequiométricos para establecer las relaciones entre su comportamiento y aplicaciones. Competencias a Desarrollar: GENÉRICAS Escucha, interpreta y emite mensajes pertinentes en distintos contextos mediante la utilización de medios, códigos y herramientas apropiados. Desarrolla innovaciones y propone soluciones a problemas a partir de métodos establecidos. Participa y colabora de manera efectiva en equipos diversos. DISCIPLINARES: Ciencias Experimentales Obtiene, registra y sistematiza la información para responder a preguntas de carácter científico, consultando fuentes relevantes y realizando experimentos pertinentes. Contrasta los resultados obtenidos en una investigación o experimento con hipótesis previas y comunica sus conclusiones. Estequiometría Es una parte de la química que usa los pesos combinados de los elementos que forman los compuestos y las cantidades de sustancia que intervienen en una reacción química, basándose en las informaciones cuantitativas expresadas por sus fórmulas, sus ecuaciones químicas y las leyes ponderales gravimétricas y volumétricas de la química. AMAE: Análisis de la Materia y Energía CICLO DOCENTE: Mariana Muñoz Ibarra 1

2 TEMA A.- Descripción de las Leyes Ponderales Instrucciones: En tu bitácora elabora un O.G. con la siguiente información y agrega ilustraciones. a) Ley de la conservación de la materia o ley de Lavoisier La Materia no se crea ni se destruye solo se transforma b) Ley de Proust o de las Proporciones definidas. - Los reactivos que intervienen en una reacción química lo hacen siempre en una proporción determinada - Cuando se combinan dos o más elementos para dar un determinado compuesto siempre lo hacen en una relación de masas constantes c) Ley de Dalton o de las proporciones múltiples Dos elementos se pueden combinar entre sí en más de una proporción para dar diferentes compuestos. Una cantidad fija determinada de un reactivo se combina con otras cantidades variables de otros elementos, de manera que las cantidades variables del segundo elemento guardan entre sí una relación de números enteros sencillos. d) Ley de Richter o de las proporciones equivalentes Los pesos de dos sustancias que se combinan con un peso conocido de otra tercera sustancia son químicamente equivalentes entre sí. AMAE: Análisis de la Materia y Energía CICLO DOCENTE: Mariana Muñoz Ibarra 2

3 TEMA B.- Cálculo de la Composición de las Sustancias Balanceo de Ecuaciones Es el ajuste de una reacción química que consiste en igualar el número de átomos en ambos lados de la ecuación (reactivos-productos) para mantener la Ley de Lavoisiere. Coeficientes Subíndices - Los Coeficientes se utilizan para igualar el número de átomos de cada elemento que interviene en el compuesto, ya sea del lado del reactivo y/o del producto. - Los subíndices nos indican el número de átomos de cada elemento. Al momento del balance estos no deben ser modificados. 1. Método de Tanteo Se basa en la observación y el sentido común. Consiste en asignar coeficientes numéricos tanto a los reactivos como a los productos, hasta encontrar la combinación que balancea la ecuación. C3H8 + O2 CO2 + H2O a) Se analiza la Reacción para verificar que el número de átomos que entran (reactivo) y salen (producto) de cada elemento sean los mismos. C3H8 + O2 CO2 + H2O AMAE: Análisis de la Materia y Energía CICLO DOCENTE: Mariana Muñoz Ibarra 3

4 Elementos: Reactivo-----Producto C H O Resultado: Ecuación no balanceada. Colegio de Educación Profesional Técnica del Estado de Guanajuato b) Se calcula al tanteo el balance de la ecuación incorporando coeficientes al inicio de cada compuesto, tanto del reactivo como del producto. Nota: no necesariamente se deben agregar coeficientes a todos los compuestos, solo a los necesarios. C3H8 + 5O2 3CO2 + 4H2O c) Se comprueba que la ecuación se encuentre balanceada. Elementos: Reactivo-----Producto C H O Resultado: Ecuación balanceada. 2. Método Algebraico Este método es un proceso matemático que consistente en asignar literales (letras) a cada una de las especies (compuestos), crear ecuaciones en función de los átomos, y al resolver las ecuaciones determinar el valor de los coeficientes. Sb2O3 + NaOH NaSbO2 + H2O a) Se enlistan los elementos que intervienen en el compuesto, así como el número de átomos para verificar si la ecuación esta balanceada o no: Elementos: Reactivo Producto Sb AMAE: Análisis de la Materia y Energía CICLO DOCENTE: Mariana Muñoz Ibarra 4

5 O Na H Resultado: Ecuación no balanceada. b) Se le asigna una incógnita a cada compuesto: Sb2O3 + NaOH NaSbO2 + H2O A B C D Colegio de Educación Profesional Técnica del Estado de Guanajuato c) Se obtienen las ecuaciones identificando el elemento y su número de átomos del lado del reactivo y después del producto, utilizando además la letra asignada: Sb A = C O A + B = 2C + D Na B = C H B = 2D d) Se asigna un valor a cualquiera de las incógnitas, este podrá ser cualquier número, normalmente se utiliza el 1, 2 o 4: A = 1 e) Se comienza la sustitución con cada una de las ecuaciones: 2A = C 2(1) = C 2 = C C = 2 3A + B = 2C + D 3(1) + 2 = 2(2) + D = 4 + D 5 = 4 + D D = 5 4 D = 1 B = C B = 2 B = 2D 2 = 2D D = 2/2 D = 1 f) Se obtienen los resultados para cada incógnita. A = 1 B = 2 C = 2 D = 1 g) Se acomodan los coeficientes numéricos resultantes en la ecuación de la reacción según la letra que correspondan: Sb2O3 + NaOH NaSbO2 + H2O A B C D Cuando es 1 no se coloca: AMAE: Análisis de la Materia y Energía CICLO DOCENTE: Mariana Muñoz Ibarra 5

6 Sb2O3 + 2NaOH 2NaSbO2 + H2O A B C D h) Se procede a la comprobación: Elementos: Reactivo Producto Sb O Na H Resultado: Ecuación balanceada. 3. Método Redox Se conoce como reacción REDOX aquella donde los números de oxidación de algunos átomos cambian al pasar de reactivos a productos. Redox proviene de las palabras REDucción y OXidación. Esta reacción se caracteriza porque siempre hay una especie que se oxida y otra que se reduce. Oxidación. Es la pérdida de electrones que hace que los números de oxidación se incrementen. Reducción. Ganancia de electrones que da lugar a que los números de oxidación se disminuyan. Las reglas para el balanceo redox son: Cu + HNO3 Cu(NO3)2 + H2O + NO 1. Asignar los números de oxidación de todos los elementos y observar cuáles son los que cambian; es decir, se oxidan y reducen. Cu 0 + H 1+ N 5+ O3 2- Cu 2+ (N 5+ O3 2- )2 + H2 1+ O 2- + N 2+ O 2- Para determinar los no. de oxidación debemos tomar en cuenta las reglas básicas (anexo final) 2. Escribir las semirreacciones de oxidación y de reducción, indicando el número de electrones ganados y perdidos. Cu 0 Cu 2+ Se ganan 2e - semirreacción de oxidación AMAE: Análisis de la Materia y Energía CICLO DOCENTE: Mariana Muñoz Ibarra 6

7 N 5+ N 2+ Se pierden 3e - semirreacción de reducción 3. Igualar el número de electrones ganados al número de electrones perdidos. Para lograrlo se necesita multiplicar cada una de las semirreacciones por el número de electrones ganados o perdidos de la semirreacción contraria (o por su mínimo común denominador). Cu e -- Cu 2+ 3(Cu e -- Cu 2+ ) 3Cu e -- 3Cu 2+ N e -- N 2+ 2(N e -- N 2+ ) 2N e -- 2N 2+ Nota: el número de electrones ganados debe ser igual al número de electrones cedidos. 4. Colocar los coeficientes encontrados en la ecuación original donde se verificó el cambio del número de oxidación. Cu + HNO3 3Cu(NO3)2 + H2O + 2NO 5. Verificar el balance de la ecuación. Elementos: Reactivo Producto Cu H N O Resultado: Ecuación no balanceada. 6. Terminar de balancear la ecuación por el método de tanteo. 3Cu + 8HNO3 3Cu(NO3)2 + 4H2O + 2NO Elementos: Reactivo Producto Cu H N O Resultado: Ecuación balanceada. AMAE: Análisis de la Materia y Energía CICLO DOCENTE: Mariana Muñoz Ibarra 7

8 1. Después de analizar el ejemplo mostrado, y con ayuda de tu investigación previa, balancea las siguientes ecuaciones por el método que se te indica: Método Algebraico 1.- N2 + H2 NH3 2.- Al + HCl AlCl3 + H2 3.- PbS + H2O2 PbSO4 + H2O 4.- Al(NO3)3 + H2SO4 HNO3 + Al2(SO4)3 5.- KClO3 KCl + O2 Método Redox a) Fe2O3 + CO CO2 + Fe b) HNO3 + Sn0 SnO2 + NO + H2O c) Na2S2O3 + H2O2 Na2SO4 + H2SO4 + H2O d) FeS2 + O2 Fe2O3 + SO2 e) NH3 + Cu0 N2 + Cu + H2O AMAE: Análisis de la Materia y Energía CICLO DOCENTE: Mariana Muñoz Ibarra 8

9 Masa Molecular Para identificar las masas moleculares; es decir, el peso de los elementos que intervienen en un compuesto, se deben tomar en cuenta los siguientes pasos: CaSO4 Elementos Ca S O Átomos Masas Atómicas Resultado Paso 1. Se identifican los elementos que intervienen en el compuesto. Paso 2. Se identifica el número de átomos de cada elemento. Paso 3. Se rescatan las masas atómicas de cada elemento. Paso 4. Se multiplican las masas por el número de átomos de cada elemento, y por último se suman los resultados. Al resultado obtenido se le agrega la unidad de medida uma o gr/mol. 136 uma o 136 gr/mol Composición Porcentual La composición porcentual nos permite identificar la cantidad en porcentaje de cada elemento que interviene en el compuesto, para ello se deben tomar en cuenta los siguientes pasos: Paso 1. Calcular la Masa Molecular del Compuesto. Elementos Átomos Paso 2. Dividir Masas Resultado Operación Resultado Atómicas el peso Ca S O /136*100 32/136*100 64/136* % % % % atómico de cada elemento entre la masa molecular y multiplicar el resultado por 100. Paso 3. Sumar los resultados y verificar que el mismo de un aproximado a 100 %. AMAE: Análisis de la Materia y Energía CICLO DOCENTE: Mariana Muñoz Ibarra 9

10 2. Determina nombre, peso molecular y composición porcentual de los siguientes compuestos: u) KOH v) Cu3(PO4)2 w) NaNO3 x) HI y) O2 z) C8H10N4O2 aa) SnO2 bb) CH3OH cc) H2O dd) CO2 ee) H2CO3 ff) 2SO3 gg) H2SO4 hh) CCl4 ii) Fe2O3 jj) 2H2O2 kk) KClO3 ll) 2NH3 mm) Ni2(CO3)3 nn) 3HNO3 oo) SO3 pp) H3Po2S2 qq) MgCl2 rr) Pb(OH)NO3 AMAE: Análisis de la Materia y Energía CICLO DOCENTE: Mariana Muñoz Ibarra 10

11 Conversiones de unidades químicas Para ello es importante investigues los siguientes conceptos: mol, número de Avogadro, conversión de kilos a gramos y viceversa, además de la regla de tres. a) Moles a Átomos 1 mol de XE 6.022x10 23 átomos de XE Moles del problema? átomos b) Átomos a Moles 6.022x10 23 átomos de XE 1 mol de XE Átomos del problema? moles c) Moles a Gramos 1 mol de XE X grs de XE Moles del problema? gramos d) Gramos a Moles X grs de XE 1 mol de XE Gramos del problema? moles e) Átomos a Gramos 6.022x10 23 átomos de XE X grs de XE Átomos del problema? gramos f) Gramos a Átomos X grs de XE 6.022x10 23 átomos de XE Gramos del problema? átomos AMAE: Análisis de la Materia y Energía CICLO DOCENTE: Mariana Muñoz Ibarra 11

12 3. Realiza los siguientes ejercicios e indica el tipo de conversión a la que corresponden: a) En 1366 moles de Au, Cuántos átomos hay? b) Cuántos moles de hidróxido de sodio (NaOH) hay en 1.0 Kg de este compuesto? c) Cuántas moléculas de HCl (Cloruro de Hidrogeno) hay en 25.0 g? d) En 0.25 moles de O2, Cuántas moléculas hay? e) Cuál es la masa de 3.01 x átomos de Na? f) Qué cantidad de Estaño, en moles, hay en 36.5 g de Estaño? g) El dióxido de azufre, SO2, es una de las sustancias responsables de la lluvia ácida, Cuántos moles hay en 37.4 g de SO2? h) Cuántos átomos o moléculas hay en 3.5 mol del siguiente compuesto CaCO3? Cuál es el nombre del compuesto? i) Cuántos gramos de propano, C3H8, hay en 1.25 x 10-4? j) Cuántos gramos de azufre hay en 454 g de este elemento? k) Cuántos ATG se encuentran contenidos en 54 g de Al? l) Cuántos átomos hay en 5.7 moles de Ca? m) Cuál será la masa de 1 mol de KOH? n) Cuántos gramos de oxígeno hay en 6.25 moléculas de H2O? o) En 320 gramos de CaO, Cuántos moles hay? p) Cuántas moléculas de O2 hay en g de dicha molécula? q) Cuántos átomos de Oro tendría si tuviera 2.8 g del mismo? r) En 1.4 Kg de H2SO4 Cuántos moles hay? s) Cuántos gramos de Oxígeno hay en 2.5 moles de NaOH? t) Cuántos gramos hay en 15 moles de CO2? u) Cuántos moles de Hierro representan 25.0 g de Fe? v) Cuál es la masa de 3.01 x átomos de Na? w) Cuántos átomos hay en 25 g de Ca? x) En x átomos de Fe, Cuántos gramos hay? AMAE: Análisis de la Materia y Energía CICLO DOCENTE: Mariana Muñoz Ibarra 12

13 Fórmula mínima o empírica Si se conoce la composición porcentual de un compuesto puede determinarse la fórmula mínima, también denominada fórmula empírica, para ello se utiliza el procedimiento siguiente: Paso 1: Se identifican los elementos que intervienen en el problema. Paso 2: Se transforman los porcentajes en masa, a partir del supuesto de que la muestra en cuestión tiene una masa de 100 g. Paso 3: A continuación se calculan los moles de cada uno de los elementos químicos dividendo la masa entre su masa atómica. n = m /M Paso 4: De los resultados obtenidos en el paso número 2 se elige el de menor valor y entre éste se dividen todos y cada uno. Si al terminar los cálculos se obtienen números fraccionarios, éstos se multiplican por una cantidad que los transforme en enteros. Paso 5: Se construye la fórmula utilizando los datos del paso 3 como coeficientes o subíndices. Ejemplo: El análisis de cierto compuesto revela que su composición porcentual en masa es de 40 % de C, 6.67 % de H y % de O Cuál es la fórmula empírica del compuesto? AMAE: Análisis de la Materia y Energía CICLO DOCENTE: Mariana Muñoz Ibarra 13

14 4. Calcula la Fórmula Mínima o Empírica de los siguientes ejercicios: a) El ácido benzoico es un polvo blanco, cristalino, que se emplea como preservativo de alimentos. El compuesto contiene 68.8 % de C, 5.0 % de H y 26.2 % de O por masa. Cuál es la fórmula mínima? b) Determina la fórmula empírica de un compuesto que tiene % de Hierro, % de Cl y % de oxígeno y una masa molar de gr c) El isopropeno es un compuesto líquido que puede polimerizarse para formar hule natural, contiene la siguiente composición porcentual: % de C y % de H. Cuál es su fórmula empírica? d) El alcanfor es un compuesto de aroma característico, está constituido por % de C, % de H y % de O. Cuál es su fórmula empírica? e) Determina la fórmula mínima o empírica de una sustancia constituída por 28,1% de S; 56,1 % de O; 12,3 % de N y el resto H. AMAE: Análisis de la Materia y Energía CICLO DOCENTE: Mariana Muñoz Ibarra 14

15 Fórmula molecular o verdadera La fórmula molecular indica el número total de átomos presentes en un compuesto molecular. Ejemplo: El análisis de cierto compuesto revela que en 90 gr del mismo hay 40% de C, 6.67 % de H y % de O Cuál es la fórmula molecular del compuesto? Paso 1: Obtener la fórmula empírica. Paso 2: Calcular la masa molecular de la fórmula empírica. Paso 3: Dividir la masa del compuesto dado en el problema, entre la masa molecular de la fórmula empírica, para así obtener un número entero. Paso 4: Multiplicar el entero dado por el número de átomos de cada elemento de la fórmula empírica, para finalmente obtener la fórmula molecular. AMAE: Análisis de la Materia y Energía CICLO DOCENTE: Mariana Muñoz Ibarra 15

16 5. Determina la formula molecular o verdadera de los siguientes problemas: a) Determina la fórmula empírica de un compuesto que tiene % de Hierro, % de Cl y % de oxígeno y una masa molar de gr b) Determina la fórmula molecular, sabiendo que en 0,25 moles de la misma hay 1,2 x átomos de O. c) Determina la formula molecular de: - CO2H 90 g/mol - Na2CrO4 162 g/mol - CH2O 180 g/mol AMAE: Análisis de la Materia y Energía CICLO DOCENTE: Mariana Muñoz Ibarra 16

17 AMAE: Análisis de la Materia y Energía CICLO DOCENTE: Mariana Muñoz Ibarra 17