CAMBIOS MATERIALES EN LAS REACCIONES QUÍMICAS

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1 4 CAMBIS MATERIALES EN LAS REACCINES QUÍMICAS 4.. LEYES PNDERALES Y CANTIDAD DE SUSTANCIA. Calcula el tiempo que tardaríamos en contar N A partículas, si pudiésemos contarlas a un ritmo de 00 por segundo (un ritmo razonable. Si pudiésemos contar 00 partículas cada segundo, el tiempo que tardaríamos en contar N A partículas sería: N A 6,0 0 t t 3 6,0 0 s 0 4 años Calcula el volumen de amoniaco que se obtiene si reacciona un mol de nitrógeno con tres mol de hidrógeno, medidos en condiciones normales. La ecuación química ajustada que corresponde al proceso es la siguiente: N (g + 3 H (g NH 3 (g En ella se puede observar que como producto de la reacción se obtienen mol de NH 3, medidos también en condiciones normales. Para calcular el volumen a que corresponden, aplicamos la ecuación de los gases ideales: P V n R T V V NH3 0,08 73 n R T P 44,8 l 4.. CÁLCULS EN LAS REACCINES QUÍMICAS. Escribe todas las relaciones estequiométricas que sean posibles en las siguientes ecuaciones químicas: a C 6 H 6 (s + 6 (g 6 C (g + 6 H (l b KCl 3 (s KCl (s + 3 (g c 4 NH 3 (g + 5 (g 4 N (g + 6 H (g Las reacciones estequiométricas son las que se muestran a continuación: Unidad 4. Cambios materiales en las reacciones químicas

2 a C 6 H 6 (s + 6 (g 6 C (g + 6 H (l C 6 H 6 (s 6 (g 6 C (g 6 H (l mol de moléculas de C 6 H 6 6 mol de moléculas de 6 mol de moléculas de C 6 mol de moléculas de H 80 g de C 6 H 6 (masa molar de C 6 H 6 9 g de (6 masa molar de 64 g de C (6 masa molar de C 08 g de H (6 masa molar de H 6 volúmenes de 34,4 l (6 V molar en c.n. 6 volúmenes de C 34,4 l (6 V molar en c.n. b KCl 3 (s KCl (s + 3 (g KCl 3 (s KCl (s 3 (g mol de sólido iónico KCl 3 45 g de KCl 3 ( masa molar de KCl 3 mol de sólido iónico KCl 49 g de KCl ( masa molar de KCl 3 mol de moléculas de 96 g de (3 masa molar de 3 volúmenes de 67, l (3 V molar en c.n. c 4 NH 3 (g + 5 (g 4 N (g + 6 H (g 4 NH 3 (g 5 (g 4 N (g 6 H (l 4 mol de moléculas de NH 3 5 mol de moléculas de 4 mol de moléculas de N 6 mol de moléculas de H 68 g de NH 3 (4 masa molar de NH 3 60 g de (5 masa molar de 0 g de N (4 masa molar de N 08 g de H (6 masa molar de H 4 volúmenes de NH 3 89,6 l (4 V molar en c.n. 5 volúmenes de 4 volúmenes de N l (5 V molar en c.n. 89,6 l (4 V molar en c.n. Unidad 4. Cambios materiales en las reacciones químicas

3 . Calcula la masa de agua que se obtiene al arder 0,58 g de butano gas (C 4 H 0 con suficiente oxígeno. Fe de erratas de la primera edición: la fórmula molecular del butano es C 4 H 0.. En primer lugar, formulamos y ajustamos la ecuación del proceso: C 4 H C +0 H. Las cantidades de sustancia, en mol de reactivos y productos que intervienen en la reacción guardan la siguiente proporción: C 4 H 0 C H n (mol Como nos piden la masa de agua que se forma, hemos de expresar en gramos el resultado que obtengamos. Para ello necesitamos calcular las masas molares del agua y del butano, que son, respectivamente: M H g/mol ; M C 4 H g/mol 4. Escribimos los datos e incógnitas del problema: C 4 H 0 C H n (mol M (g/mol 6 80 problema (g 0,58 m H 5. Para calcular la masa de agua establecemos la relación que permite obtener el resultado que nos piden: n C4 H 0 n H m C4 H /M 0 C4 H 0 m H 0, n 58 0,9 g H /M H 3. La plata reacciona con el ácido nítrico; en el proceso se forma nitrato de plata, que queda en disolución, e hidrógeno gas. Calcula la masa de nitrato de plata que se obtendrá al reaccionar una pepita de plata, de,87 g de masa, con suficiente ácido. La ecuación química del proceso, una vez ajustada, es: Ag + HN 3 AgN 3 + H En dicha ecuación podemos establecer la siguiente relación molar: Ag HN 3 AgN H n (mol 0,5 Unidad 4. Cambios materiales en las reacciones químicas 3

4 La cantidad de sustancia en mol de plata que tenemos y que reacciona es: m Ag,87 n Ag,657 0 mol de Ag M Ag 08 Como la relación molar entre la plata y el nitrato de plata es :, la cantidad de sustancia de nitrato de plata que se obtiene es: n AgN3 n Ag,657 0 mol de AgN 3 Multiplicando ahora por la masa molar, calculamos la masa en gramos de nitrato de plata que se forma: m AgN3 n AgN3 M AgN3, ,57 g de AgN 3 4. Al reaccionar el óxido de cinc con carbono se obtienen monóxido de carbono y cinc metálico. Calcula la masa de cinc que se obtiene a partir de 0 g de óxido de cinc.. En primer lugar, escribimos y ajustamos la ecuación del proceso que tiene lugar: Zn + C C + Zn. Las masas molares relativas de las sustancias que intervienen son, respectivamente: M Zn 65, ,37 g/mol M Zn 65,37 g/mol 3. Las proporciones que se establecen entre datos e incógnitas son, en este caso: Zn C C Zn n (mol M (g/mol 8,37 65,37 problema (g 0 m Zn 4. Para calcular la masa de cinc que se obtiene, establecemos directamente la relación: m Zn 0 65,37 8,37 0,9 g de Zn 4.3. REACCINES ENTRE GASES. El aire contiene, aproximadamente, un % de oxígeno y un 79% de nitrógeno. Qué relación habrá entre sus presiones parciales? Teniendo en cuenta que V n cte, la composición molar del aire será la misma que la composición volumétrica que proporciona el enunciado de la actividad. Además, el total de partículas de una muestra de aire estará repartido entre un % de partículas de y un 79% de partículas de N. Unidad 4. Cambios materiales en las reacciones químicas 4

5 Siguiendo el mismo razonamiento, las presiones parciales de ambos gases en una muestra de aire serán: P 0, P T P N 0,79 P T Donde P T es la presión total que ejerce la mezcla de gases.. Un recipiente de 4 litros contiene nitrógeno a 5 ºC y 604 torr, y otro recipiente, de 0 litros, contiene helio a 5 ºC y 354 torr. Se mezclan ambos gases conectando los dos recipientes mediante un tubo de volumen despreciable. Calcula: a Las presiones parciales de cada gas y la presión total de la mezcla. b Las fracciones molares de ambos gases en la mezcla. c La composición de la mezcla en tanto por ciento en masa. Los datos que proporciona el enunciado del problema son los siguientes: Nitrógeno: V N 4 l P N 604 torr 0,795 atm T 5 C 98 K P N N N 0,795 4 n N 0,3 mol de N R T 0,08 98 Helio: V He 0 l P He 354 torr 0,466 atm T 5 C 98 K P n He He V He 0, ,9 mol de He R T 0,08 98 a La presión parcial que ejerce cada gas sobre las paredes del recipiente es la siguiente: Nitrógeno: n N R T P N V T n N R T P N Helio: P N P He V T n He R T P He P He 0,3 0, ,9 0, V T 0,7 atm n He R T V 0,33 atm Unidad 4. Cambios materiales en las reacciones químicas 5

6 Para calcular la presión total, utilizamos la siguiente expresión: P T ΣP i P T P N + P He P T 0,7 + 0,33 0,559 atm b La fracción molar de los gases se determina del siguiente modo: Nitrógeno: n N 0,3 χ N χ N 0,406 n N + n 0,3 + 0,9 He Helio: n He 0,9 χ He χ He 0,594 n N + n 0,3 + 0,9 He Como se puede comprobar: χ N + χ He 0, ,594 c Debemos calcular, en primer lugar, la masa de cada gas presente en la mezcla: m N n N M N m N 0,3 8 3,64 g de N m He n He M He m He 0,9 4 0,76 g de He La masa total de la mezcla es, por tanto: m T m N + m He m T 3,64 + 0,76 4,4 g Por tanto, la composición de la mezcla, en tanto por ciento en masa, es: m N 3,64 %N 00 %N 00 8,7% 4,4 m T m He m T 0,76 % He 00 % He 00 7,3% 4,4 3. Calcula la masa de carbono que hay que quemar para producir 000 litros de dióxido de carbono, medidos a 35 ºC y atm de presión. La ecuación química ajustada correspondiente al proceso descrito por el enunciado es la siguiente: C (s + (g C (g A partir de los datos de que disponemos y aplicando la ecuación de los gases ideales, podemos calcular la cantidad de sustancia a que equivalen 000 litros de dióxido de carbono: P V 000 P V n R T n C 40,79 mol de C R T 0,08 ( De acuerdo con la estequiometría de la reacción: n C n C 40,79 mol de C n C Unidad 4. Cambios materiales en las reacciones químicas 6

7 El resultado anterior se corresponde con la siguiente masa: m C n C A (C m C 40,79 489,48 g de C 4. El óxido de cobre (II reacciona con amoniaco gas obteniéndose nitrógeno, vapor de agua y cobre metálico. Calcula: a El volumen de nitrógeno, medido en condiciones normales de presión y temperatura, que se desprende al reaccionar 50 g de óxido de cobre (II con suficiente amoniaco. b El volumen de amoniaco necesario, medido en las mismas condiciones. La ecuación química ajustada que corresponde al proceso descrito por el enunciado es la siguiente: 3 Cu (s + NH 3 (g N (g + 3 H (g + 3 Cu (s a La cantidad de sustancia de óxido de cobre que reacciona es: m Cu 50 n Cu n Cu 0,63 mol de Cu M Cu 63,5 + 6 De acuerdo con la estequiometría de la reacción: n Cu n N 3 3 0,63 n N 0, mol de N n N Aplicando la ecuación de estado de los gases ideales, obtenemos el volumen de nitrógeno que se obtiene, medido en condiciones normales: n N R T 0, 0,08 73 P V n R T V N 4,7 l de N P b El volumen de amoniaco necesario también lo podemos obtener teniendo en cuenta la estequiometría de la reacción: n Cu n NH ,63 0,63 n NH3 0,4 mol de NH 3 3 n NH3 Aplicando ahora la ecuación de estado de los gases ideales, obtenemos el volumen de amoniaco necesario: n NH3 R T 0,4 0,08 73 P V n R T V NH3 9,4 l de NH P 3 bserva que, para resolver este apartado, no es necesario realizar los cálculos anteriores. Dado que N y NH 3 se miden en las mismas condiciones de presión y temperatura (condiciones normales, la ecuación química ajustada indica tanto la proporción molar como la volumétrica entre ambos gases. Por tanto, el volumen de amoniaco necesario es el doble que el volumen de nitrógeno obtenido: V NH3 9,4 l V N 4,7 l Unidad 4. Cambios materiales en las reacciones químicas 7

8 5. El amoniaco reacciona con el oxígeno, de acuerdo con la siguiente ecuación química: 4 NH 3 (g + 5 (g 4 N (g + 6 H (g Se parte de una mezcla gaseosa formada por 0 litros de amoniaco y,5 litros de oxígeno. Calcula el volumen de gas una vez ha transcurrido la reacción, sabiendo que todos los gases se encuentran en las mismas condiciones de presión y temperatura. Como todos los gases se encuentran en las mismas condiciones de presión y temperatura, se puede hacer una lectura de la reacción en volúmenes. Ello nos permite completar la siguiente tabla: 4 NH N 6 H 4 vol de NH 3 5 vol de 4 vol de N 6 vol de H 0 l de NH 3,5 l de 0 l de N 5 l de H Una vez transcurrida la reacción entre 0 l de NH 3 y,5 l de (cantidades estequiométricas, se obtienen 0 l de N y 5 l de H REACCINES DE ESPECIAL INTERÉS (I. El ácido clorhídrico reacciona con el hidróxido de bario dando cloruro de bario y agua. Calcula el volumen de ácido clorhídrico 0,4 M necesario para obtener,5 g de cloruro de bario. La ecuación química ajustada que corresponde al proceso es la siguiente: HCl (aq + Ba(H (aq BaCl (aq + H (l Teniendo en cuenta la masa molar del cloruro de bario: M BaCl 08,34 g/mol, la cantidad de sustancia a que corresponden,5 g de BaCl es: m BaCl M BaCl,5 n BaCl n BaCl 0,08 mol de BaCl 08,34 De acuerdo con la estequiometría de la reacción: n HCl n BaCl n HCl 0,08 0,6 mol de HCl son necesarios Por tanto, el volumen de HCl 0,4 M necesario será: n C m V n 0,6 V HCl 0,54 l de HCl 0,4 M V 0,4 C m Unidad 4. Cambios materiales en las reacciones químicas 8

9 . Calcula el volumen de ácido clorhídrico de un 36% de riqueza en ácido, y cuya densidad es,79 g/ml, que se necesita para neutralizar 00 ml de una disolución de NaH 0,5 M. La ecuación química ajustada que describe el proceso es la siguiente: HCl (aq + NaH (aq NaCl (aq + H (l La cantidad de sustancia de NaH que se quiere neutralizar es: n C m n NaH C m V 0,5 0, 0,05 mol de NaH V Y la cantidad de sustancia de ácido clorhídrico necesaria: n NaH n HCl 0,05 mol de HCl se necesitan n HCl La cantidad anterior se corresponde con la siguiente masa: m n m HCl n HCl M HCl 0,05 36,5,85 g de HCl M La masa de disolución necesaria, teniendo en cuenta la riqueza de la disolución, es: R 00 m disol 00 R,85 m disol 00 5,07 g de disolución de HCl 36 Finalmente, el volumen de ácido clorhídrico necesario será: m d disol disol m V disol disol 5,07 4,3 ml de disolución de HCl,79 V disol 3. El ácido nítrico reacciona con el carbonato de calcio, obteniéndose como productos de la reacción nitrato de calcio, dióxido de carbono y agua. Calcula la concentración de una disolución de ácido nítrico sabiendo que 00 ml de la misma reaccionan con 0 g de carbonato de calcio. La ecuación química ajustada que describe el proceso es la siguiente: HN 3 (aq +CaC 3 (s Ca(N 3 (aq + C (g + H (l La cantidad de sustancia de carbonato de calcio que reacciona es: m CaC3 0 n CaC3 n CaC3 0, mol de CaC 00 3 La cantidad de sustancia de HN 3 necesaria es: n HN3 n HN3 0, 0, mol de HN 3 n CaC3 m HCl m disol M CaC3 d disol m HCl Por tanto, la concentración de disolución de ácido nítrico será: n 0, C m C mhn3 M V 0, Unidad 4. Cambios materiales en las reacciones químicas 9

10 4. El carbono reacciona con el hidrógeno para formar metano. Si se mezclan 00 g de carbono y 30 g de hidrógeno. a Indica cuál es el reactivo limitante. b Calcula la masa de metano que podemos obtener. La ecuación química ajustada que describe el proceso es la siguiente: C (s + H (g CH 4 (g Los datos de que disponemos son los siguientes: m m C 00 g n C C 00 8,3 mol de C 30 m H 30 g n H 5 mol de H a Atendiendo a la estequiometría de la reacción: n C n H Por tanto, el reactivo limitante es el hidrógeno (se necesitan 6,6 mol de H para que reaccione todo el carbono, y será con él con el que haremos los cálculos. b La cantidad de sustancia de metano que podemos obtener es: n H n H 5 n CH4 7,5 mol de CH 4 se forman Esta cantidad de sustancia corresponde a la siguiente masa: n n CH4 m M M C m CH4 n CH4 M CH4 7,5 6 0 g de CH 4 se obtienen 5. El clorato de potasio reacciona con el azufre produciendo cloruro de potasio y dióxido de azufre. Se hacen reaccionar 0 g de clorato de potasio con 0 g de azufre. Calcula: a El reactivo limitante. b La masa de cloruro de potasio que se forma. c El volumen de dióxido de azufre que se desprende medido a ºC y 758 torr. La ecuación química ajustada que corresponde al proceso es la siguiente: KCl 3 (s + 3 S (s KCl (s + 3 S (g Los datos de que disponemos son los siguientes: m KCl3 0 m KCl3 0 g n KCl3 0,63 mol de KCl,5 3 M KCl3 m S M S m H M H 0 m S 0 g n S 0,35 mol de S 3 Unidad 4. Cambios materiales en las reacciones químicas 0

11 a Atendiendo a la estequiometría de la reacción: n KCl3 n KCl3 3 0,63 3 n S 0,45 mol de S son necesarios 3 n S Como se puede comprobar, hay exceso de azufre. Por tanto, el reactivo limitante es el clorato de potasio; con él haremos los cálculos. b Para obtener la masa de cloruro de potasio que se forma, calculamos en primer lugar la cantidad de sustancia de KCl que se obtiene como producto de la reacción: n KCl3 n KCl 0,63 mol de KCl n KCl Esa cantidad corresponde a la siguiente masa: n KCl m KCl M KCl m KCl n KCl M KCl 0,63 74,5,4 g de KCl c La cantidad de sustancia de dióxido de azufre que se obtiene es: n KCl3 n KCl3 3 0,63 3 n S 0,45 mol de S 3 n S Aplicando la ecuación de estado de los gases ideales, obtenemos el volumen de dióxido de azufre que se desprende a C y 758 torr: n S R T 0,45 0,08 95 P V n R T V S 5,94 l de S P 758/ REACCINES DE ESPECIAL INTERÉS (II. El cinabrio es un mineral de color rojo que contiene sulfuro de mercurio (II. Si se calienta en presencia de oxígeno, se produce la reacción: HgS (s + (g Hg (l + S (g Calcula la pureza de 500 g de una muestra de cinabrio si produce 33 g de Hg. Los datos de que disponemos son los siguientes: m cinabrio 500 g 33 m Hg 33 g n Hg 0,645 mol de Hg A Hg 00,6 De acuerdo con la estequiometría de la reacción: n HgS m Hg n HgS 0,645 mol de HgS n Hg Por tanto, la masa de sulfuro de mercurio necesaria para obtener 33 g de mercurio es: n HgS m HgS M HgS m HgS n HgS M HgS 0,645 3,6 38,6 g de HgS Unidad 4. Cambios materiales en las reacciones químicas

12 Como se ha partido de una muestra de cinabrio de 500 g de masa, su pureza es: m HgS 38,6 Pureza cinabrio ,65% 500 m cinabrio. El ácido clorhídrico reacciona con el carbonato de calcio dando cloruro de calcio, dióxido de carbono y agua. Calcula la cantidad de caliza, del 90% de riqueza en carbonato de calcio, que hay que hacer reaccionar con un exceso de ácido clorhídrico para obtener 000 litros de dióxido de carbono, medidos en condiciones normales. La ecuación química ajustada que describe el proceso es la siguiente: HCl (aq + CaC 3 (s CaCl (aq + C (g + H (l La cantidad de sustancia de dióxido de carbono contenida en 000 l de C, medida en condiciones normales, es: P V C 000 P V n R T n C 44,67 mol de C R T 0,08 73 Teniendo en cuenta la estequiometría de la reacción, podemos calcular la cantidad de sustancia de carbonato de calcio necesaria: n CaC3 n C n CaC3 44,67 mol de CaC 3 Este último resultado se corresponde con la siguiente masa: m CaC3 m CaC3 M CaC3 m CaC3 n CaC3 M CaC3 m CaC3 44, g de CaC 3 Como la riqueza de la caliza es del 90%, necesitaremos la siguiente cantidad de ella: m CaC3 m CaC3 Riqueza 00 m caliza 00 Riqueza m caliza ,3 g de caliza Al reaccionar 94, g de yodo con un exceso de magnesio se obtuvieron 00 g de yoduro de magnesio. Calcula el rendimiento de la reacción. La ecuación química ajustada que describe el proceso es: I (s + Mg (s MgI (s La cantidad de sustancia de yodo que reacciona es: m I 94, n I n I 0,37 mol de I 54 M I Unidad 4. Cambios materiales en las reacciones químicas

13 Si el rendimiento de la reacción fuese del 00%, obtendríamos: n I n MgI 0,37 mol de MgI que correspondería a la siguiente masa: m teórica MgI n MgI M MgI 0,37 78,3 03,5 g de MgI Por tanto, el rendimiento de la reacción es: m Rto real ,85% 03,5 4. Calcula el volumen de hidrógeno, medido a 7 ºC y 700 torr, que se desprenderá al tratar 50 g de aluminio con ácido clorhídrico en exceso, sabiendo que el rendimiento del proceso es del 75%. La ecuación química ajustada que corresponde al proceso es la siguiente: Al (s + 6 HCl (aq AlCl 3 (aq + 3 H (g La cantidad de sustancia de aluminio que reacciona es: m n Al Al 50 n Al,85 mol de Al 7 De acuerdo con la estequiometría de la reacción, si el rendimiento fuese del 00% se obtendría: n Al 3,85 3 n H n Al,78 mol de H 3 n H n MgI m teórica M Al Esa cantidad de sustancia se corresponde con el siguiente volumen: n H R T,78 0, P V n R T V 74,5 l de H P 700/760 Este es el volumen teórico que se obtendría si el rendimiento fuese del 00%. Como el rendimiento del proceso es del 75%, se obtendrá: V real Rto 00 V real V teórico Rto V teórico 00 V real 75 74, ,7 l de H se obtienen 5. Al tratar hidruro de calcio con agua se forma hidróxido de calcio y se desprende hidrógeno. Calcula la masa de hidruro de calcio, del 87% de pureza, que se necesitará para obtener m 3 de hidrógeno medidos a 5 ºC y atm. El rendimiento de la reacción es del 95%. La ecuación química ajustada que corresponde al proceso es la siguiente: CaH (s + H (l Ca(H (aq + H (g Unidad 4. Cambios materiales en las reacciones químicas 3

14 Como el rendimiento es del 95%, el volumen teórico de H que se debe obtener es: V 0 Rto 00 V teórico 3 real V real ,3 l de H Rto 95 V teórico La cantidad de sustancia de hidrógeno a que corresponde el volumen obtenido es: P V 05,3 P V n R T n H 86,5 mol de H R T 0,08 98 Teniendo en cuenta la estequiometría de la reacción, se necesitará la siguiente cantidad de sustancia de CaH : n CaH n H n H 86,5 n CaH 43,08 mol de CaH El resultado obtenido se corresponde con la siguiente masa: n CaH m CaH M CaH m CaH n CaH M CaH 43, ,36 g Como la muestra de hidruro de calcio tiene una pureza del 87%, se necesitará la siguiente masa de muestra: m CaH m CaH Pureza 00 m muestra 00 Pureza m muestra m muestra 809, ,7 g de muestra ACTIVIDADES DE LA UNIDAD EJERCICIS. En una reacción química, pueden existir dos reactivos limitantes? Por qué? El reactivo limitante es el que se consume en su totalidad en el proceso; por tanto, limita la cantidad de producto obtenido. En una reacción química en la que reaccionen más de dos sustancias, puede hablarse de dos reactivos limitantes (o más si solo uno de los reactivos está en exceso y los demás se encuentran en cantidades estequiométricas.. Indica si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas y justifica la respuesta: a Al reaccionar g de hidrógeno gas con 35,5 g de cloro gas, obtenemos 37,5 g de cloruro de hidrógeno gas. b En las mismas condiciones de presión y temperatura, 5 litros de hidrógeno reaccionan con 0 litros de oxígeno y se obtienen 0 litros de vapor de agua. a Esta afirmación es falsa, como se puede comprobar en la siguiente tabla, de acuerdo con la ecuación química: H (g + Cl (g HCl (g Unidad 4. Cambios materiales en las reacciones químicas 4

15 H (g Cl (g HCl (g n (mol Masa (g 7 73 g de H reaccionan con 7 g de Cl y se obtienen 73 g de HCl (g. b En este caso, el proceso se corresponde con la siguiente reacción: H (g + (g H (g A partir de ella, podemos construir la siguiente tabla: H (g (g H (g n (mol Volumen (l 5,5 5 Como se puede comprobar, esta segunda afirmación también es falsa. 3. Escribe y ajusta las ecuaciones químicas que corresponden a los siguientes procesos: a El ácido carbónico se descompone en dióxido de carbono y agua. b El ácido sulfúrico reacciona con hidróxido de aluminio. En el proceso se obtiene sulfato de aluminio y agua. c El óxido de plata se descompone en los elementos que lo forman. d El azufre sólido se oxida a óxido de azufre (IV. e La disolución de óxido de azufre (IV con agua origina ácido sulfuroso. f La combustión completa de propano gas, C 3 H 8, origina dióxido de carbono y agua. Las ecuaciones químicas ajustadas son las siguientes: a H C 3 (aq C (g +H (l b 3 H S 4 (aq + Al(H 3 (aq Al (S 4 3 (aq + 6 H (l c Ag (s 4 Ag (s + (g d S (s + (s S (g e S (g +H (l H S 3 (aq f C 3 H 8 (g + 5 (g 3 C (g + 4 H (g Unidad 4. Cambios materiales en las reacciones químicas 5

16 4. Establece todas las relaciones estequiométricas posibles en las reacciones del ejercicio anterior. Las relaciones estequiométricas son las que se muestran a continuación: a H C 3 (aq C (g +H (l H C 3 (aq C (g H (l mol de moléculas de H C 3 6 g de H C 3 (masa molar de H C 3 mol de moléculas de C 44 g de C (masa molar de C mol de moléculas de H 8 g de H (masa molar de H volumen de C,4 l de C (V molar en c.n. b 3 H S 4 (aq + Al(H 3 (aq Al (S 4 3 (aq + 6 H (l 3 H S 4 (aq Al(H 3 (aq Al (S 4 3 (aq 6 H (l 3 mol de moléculas de H S 4 mol de moléculas de Al(H 3 mol de moléculas de Al (S mol de moléculas de H 94 g de H S 4 (3 masa molar de H S 4 55,96 g de Al(H 3 ( masa molar de Al(H 3 34,96 g de Al (S 4 3 (masa molar de Al (S g de H (6 masa molar de H c Ag (s 4 Ag (s + (g Ag (s 4 Ag (s (g mol de moléculas de Ag 463,48 g de Ag ( masa molar de Ag 4 mol de átomos de Ag 43,48 g de Ag (4 masa molar de Ag mol de moléculas de 3 g de (masa molar de volumen de,4 l de (V molar en c.n. Unidad 4. Cambios materiales en las reacciones químicas 6

17 d S (s + (g S (g S (s (g S (g mol de átomos de S 3 g de S (masa molar de S mol de moléculas de 3 g de (masa molar de mol de moléculas de S 64 g de S (masa molar de S,4 l de (V molar en c.n.,4 l de S (V molar en c.n. e S (g +H (l H S 3 (aq S (g H (l H S 3 (aq mol de moléculas de S 64 g de S (masa molar de S mol de moléculas de H 8 g de H (masa molar de H mol de moléculas de H S 3 8 g de H S 3 (masa molar de H S 3 volumen de S,4 l de S (V molar en c.n. f C 3 H 8 (g + 5 (g 3 C (g + 4 H (g C 3 H 8 (g 5 (g 3 C (g 4 H (g mol de moléculas de C 3 H 8 5 mol de moléculas de 3 mol de moléculas de C 4 mol de moléculas de H 44 g de C 3 H 8 (masa molar de C 3 H 8 60 g de (5 masa molar de 3 g de C (3 masa molar de C 7 g de H (4 masa molar de H 5 volúmenes de 3 volúmenes de C 4 volúmenes de H l de (5 V molar en c.n. 67, l de C (3 V molar en c.n. 89,6 l de H (4 V molar en c.n. Unidad 4. Cambios materiales en las reacciones químicas 7

18 5. En un tubo de ensayo se calienta una mezcla de cobre y óxido de mercurio (II, ambos en polvo. Escribe la reacción química que tiene lugar si, como resultado de la misma, se obtienen dos sustancias: un elemento y un compuesto. La reacción química, representada mediante la ecuación química ajustada, es la siguiente: Cu + Hg Hg + Cu 6. Indica cuál de las siguientes masas de gas ocupa en condiciones normales de presión y temperatura un volumen de,4 litros: a 64 g de dióxido de azufre. b g de hidrógeno. c 35,5 g de cloro. d 80 g de argón. e 8 g de monóxido de carbono. La masa que cumpla las condiciones del enunciado será la que corresponda a un mol de sustancia. Por tanto: m S 64 a n S n S mol de S M S m H M H b n H n H mol de H m Cl M Cl 35,5 c n Cl n Cl 0,5 mol 35,5 m Ar M Ar 80 d n Ar n Ar mol 40 m C 8 e n C n C mol M C + 6 En consecuencia, las masas indicadas en los apartados a, b y e ocuparán un volumen de,4 litros en condiciones normales de presión y temperatura. 7. Qué volumen de disolución de hidróxido potásico 0,5 M tiene la misma cantidad de sustancia, en mol de soluto, que 50 ml de una disolución de cloruro sódico 0, M? La cantidad de sustancia de cada una de las disoluciones es: n KH C m V D n KH 0,5 V D [] n NaCl C m V D n NaCl 0, 0,5 [] Como la cantidad de sustancia debe ser la misma, igualamos las expresiones [] y []: 0,5 V D 0, 0,5 0, 0,5 V D 0,06 l 60 ml de disolución de KH 0,5 M 0,5 Unidad 4. Cambios materiales en las reacciones químicas 8

19 8. El monóxido de nitrógeno reacciona con oxígeno y se obtiene dióxido de nitrógeno. a Escribe y ajusta la ecuación química que corresponde al proceso indicado. b Calcula los volúmenes de monóxido de nitrógeno y de oxígeno que han de reaccionar para que se produzcan 00 litros de dióxido de nitrógeno si los tres gases se encuentran en las mismas condiciones de presión y temperatura. a La ecuación química ajustada es la siguiente: N + N b Con los datos que proporciona el enunciado, y teniendo en cuenta la estequiometría de la reacción, podemos construir la siguiente tabla: N N n (mol Problema V N V 00 l Por tanto, los volúmenes que solicita el enunciado son los siguientes: 00 V N 00 l de N 00 V 50 l de 9. En un recipiente hay 45 g de dióxido de carbono y 60 g de nitrógeno, a 500 torr. Calcula la presión parcial de cada gas. Los datos que proporciona el enunciado son los siguientes: m C 45 g m N 60 g P T 500 torr La cantidad de sustancia de cada uno de los gases que contiene el recipiente es: m C 45 n C n C,03 mol de C 44 M C m N M N 60 n N n N,765 mol de N 34 La presión parcial que ejerce cada uno de ellos la obtenemos aplicando la siguiente expresión: P i χ i P T Unidad 4. Cambios materiales en las reacciones químicas 9

20 Por tanto, para cada uno de los gases: P C χ C P T P C n C n C + n N P T P C,03,03 +, ,46 torr P N χ N P T P N n N n C + n N P T P N,765,03 +, ,54 torr bserva que la suma de las presiones parciales coincide con la presión total: P T P C + P N P T 83, , torr 0. El monóxido de carbono y el oxígeno reaccionan para dar dióxido de carbono. a Escribe y ajusta la ecuación del proceso. b Calcula el volumen de oxígeno necesario para obtener 44,8 l de dióxido de carbono en condiciones normales. c A qué masa de oxígeno equivale el volumen calculado? a La ecuación química ajustada que describe el proceso es la siguiente: C + C b Teniendo en cuenta la estequiometría de la reacción, podemos construir la siguiente tabla: C C n (mol ó V (l Problema V 44,8 El volumen de oxígeno necesario será, por tanto: 44,8 V,4 l c El volumen obtenido, en condiciones normales, es el volumen molar. La masa de oxígeno será: n m M m n M 3 3 g Unidad 4. Cambios materiales en las reacciones químicas 0

21 . Calcula la masa molar de un compuesto gaseoso del que 4,7 g ocupan un volumen de 5 l a 00 C y una presión de atm. Los datos de que disponemos son los siguientes: m 4,7 g V 5 l T 00 C 373 K P atm Para calcular la masa molar del compuesto gaseoso, aplicamos la ecuación de estado de los gases ideales: m m R T P V n R T P V R T M M P V M 8 g/mol. El amoniaco se obtiene industrialmente por reacción directa entre el nitrógeno y el hidrógeno. a Escribe la ecuación química ajustada del proceso. b En un recipiente se introducen 30 moles de nitrógeno y 0 moles de hidrógeno. Calcula la composición molar de la mezcla de gases después de la reacción. a La ecuación química que corresponde al proceso es la siguiente: N + 3 H NH 3 b Con los datos del problema, y teniendo en cuenta la estequiometría de la reacción: n N 3 Se observa que el H es el reactivo limitante, ya que solo hay 0 mol de H y se necesitarían 90 mol de H para reaccionar con 30 mol de N. Calculamos la cantidad de sustancia de N que reacciona: n N n N n N 6,67 mol de N reaccionan Y el amoniaco que se forma es: n NH3 n NH3 n NH3 3,33 mol de NH 3 se forman n H n H 4,7 0, n H Por tanto, la composición de la mezcla gaseosa después de la reacción es: n N 30 6,67 3,33 mol de N n NH3 3,33 mol de NH 3 n H 0 Unidad 4. Cambios materiales en las reacciones químicas

22 3. Partiendo de una muestra de 7,6 g de cromato de plata puro, se obtienen,9 g de óxido de cromo (VI. Calcula la masa atómica relativa del cromo si A r (Ag 08 y A r ( 6. Los datos que proporciona el enunciado del ejercicio son los siguientes: m Ag Cr 7,6 g 4 m Cr3,9 g A r (Ag 08 A r ( 6 La masa molecular relativa de cada uno de los compuestos es: M r (Ag Cr A r (Cr A r (Cr M r (Cr 3 A r (Cr A r (Cr Por tanto, sus masas molares serán: M Ag Cr [80 + M Cr ] g/mol 4 M Cr3 [48 + M Cr ] g/mol Teniendo en cuenta que ambos compuestos tienen la misma cantidad de sustancia de Cr, se cumple: n Ag Cr n Cr3 4 A partir de la anterior relación estequiométrica, calculamos la masa atómica relativa del cromo: 7,6 M Ag Cr 4,9 M Cr3 [80 + M Cr ],9 [48 + M Cr ] 7,6 75,9 M Cr 5,86 g/mol A r (Cr 5,86 5,3 4. El cobre, calentado al rojo vivo, reacciona con el vapor de agua, originando óxido de cobre (II e hidrógeno. Calcula la masa de vapor de agua que se necesita para obtener, l de hidrógeno, medidos en condiciones normales. La ecuación química ajustada que corresponde al proceso es la siguiente: Cu + H Cu + H Teniendo en cuenta la estequiometría de la reacción, construimos la siguiente tabla: H H Ecuación 8 g,4 l Problema m H, l Unidad 4. Cambios materiales en las reacciones químicas

23 La masa de vapor de agua necesaria es, por tanto: m H, 8,4 m H 8,,4 9 g de H 5. Calcula la masa de aluminio que se puede obtener como máximo a partir de 00 kg de alúmina (óxido de aluminio. Puesto que todo el alumnio proviene de la alúmina, construimos la siguiente tabla: Ecuación Al 3 0 g (M Al 3 Al 54 g ( M Al Problema 00 kg m Al (kg La masa de aluminio que se puede obtener la calculamos a partir de la siguiente proporción estequiométrica: m Al ,94 kg de Al PRBLEMAS 6 Se hace reaccionar magnesio con ácido sulfúrico diluido, y se obtiene sulfato de magnesio, que queda disuelto, e hidrógeno. Calcula el volumen de hidrógeno, medido a 0,95 atm y 5 C, y la masa de sulfato de magnesio que se obtienen a partir de 4 g de magnesio. La ecuación química ajustada que describe el proceso es la siguiente: Mg + H S 4 MgS 4 +H Teniendo en cuenta los datos que proporciona el enunciado del problema, podemos establecer la siguiente proporción estequiométrica para calcular el volumen de hidrógeno que se obtiene: m 4 n n Mg 0,987 mol de Mg M 4,3 La estequiometría de la reacción nos dice: n Mg n H Por tanto, a partir de la ecuación de estado de los gases ideales, el volumen de hidrógeno resulta: n R T P V n R T V P 0,987 0,08 ( V H 4,54 l de H 0,95 Unidad 4. Cambios materiales en las reacciones químicas 3

24 Para calcular la masa de sulfato de magnesio que se obtiene a partir de 4 kg de magnesio, utilizamos la siguiente relación: n MgS4 n Mg n MgS4 0,987 mol de MgS 4 m n m MgS4 n MgS4 M MgS4 0,987 0,3 8,78 g de MgS M 4 7. Calcula la cantidad de cal viva (óxido de calcio que se puede obtener en la descomposición de: a 500 kg de carbonato de calcio. b 500 kg de una roca caliza del 75% de riqueza en carbonato de calcio. La ecuación química ajustada que describe el proceso es la siguiente: CaC 3 Ca + C a A partir de los datos que proporciona el enunciado del problema, y teniendo en cuenta que M CaC3 00 g/mol y M Ca 56 g/mol, podemos construir la siguiente tabla: Ecuación (g CaC 3 00 (M CaC3 Ca 56 (M Ca Problema (kg 500 m Ca Por tanto, la cantidad de cal viva que podemos obtener es: m Ca 80 kg 00 b Para resolver este apartado se procede de manera similar al anterior, aunque, en este caso, debemos tener en cuenta que la riqueza de la roca caliza en carbonato de calcio es del 75%: m Ca 0 kg A 4, g de un ácido se le añadió un exceso de cinc, desprendiéndose 0,0667 g de hidrógeno. Calcula la masa molar de dicho ácido, sabiendo que puede ser ácido clorhídrico, ácido bromhídrico o ácido nítrico. La ecuación química que describe el proceso la podemos representar como se indica a continuación: HX + Zn Sal de cinc + H A partir de los datos del problema, podemos construir la siguiente tabla: Unidad 4. Cambios materiales en las reacciones químicas 4

25 HX Zn H Ecuación (g M HX 65,37 (M Zn (M H Problema (g 4, 0,0667 De acuerdo con ella, podemos plantear la siguiente relación estequiométrica: M HX 4, M HX 63 g/mol 4, 0,0667 0,0667 Como se muestra a continuación, la masa molar obtenida coincide con la que corresponde al ácido nítrico HN 3 : M HN3 A H + A N + 3 A g/mol 9 El ácido sulfúrico reacciona con cloruro de sodio, produciendo ácido clorhídrico y sulfato de sodio: a Escribe y ajusta la ecuación química del proceso. b Calcula el volumen de disolución de ácido sulfúrico de densidad d,84 g/cm 3 y 98% de riqueza que se necesita para obtener 0 g de ácido clorhídrico. c Si el ácido clorhídrico obtenido se disuelve en suficiente agua para obtener un litro de disolución, calcula la molaridad de esta. a La ecuación química ajustada que corresponde al proceso es la siguiente: H S 4 + NaCl HCl + Na S 4 b Los datos de que disponemos para resolver este apartado son los siguientes: m HCl 0 g d disol,84 g/cm 3 ; Riqueza disol 98% M HCl 36,45 g/mol M H S 98 g/mol 4 La estequiometría de la reacción nos indica: n H S 4 n HCl m H S 4 m HCl M H S 4 M HCl m HCl M H S m H S ,89 g de H 4 S M 36,45 4 HCl Teniendo en cuenta la expresión de la riqueza, obtenemos: m H S 4 m H S 4 6,89 R 00 m disol ,44 g de disolución R 98 m disol Unidad 4. Cambios materiales en las reacciones químicas 5

26 El volumen de disolución de ácido sulfúrico será, por tanto: m disol V disol 7,44 d disol V disol 4,9 ml de disolución,84 c La molaridad de la disolución obtenida de HCl será: m HCl 0 n C m HCl MHCl 36,5 C m 0,548 M V disol m disol d disol V disol 0. Calcula la riqueza en carbonato de calcio de una caliza sabiendo que, al descomponer 8 g de ella, se obtienen,54 litros de dióxido de carbono medidos en condiciones normales. La ecuación química ajustada del proceso es: CaC 3 (s Ca (s + C (g Datos: m caliza 8 g (contiene CaC 3 + impurezas V C,54 l medido a P atm y T 73 K (condiciones normales A partir de la ecuación de estado de los gases ideales, se calcula la cantidad de sustancia en mol de C : P V P V n R T n R T Sustituyendo valores:,54 n C 0,56 mol de C 0,08 73 Incógnita: Riqueza de la caliza, es decir, masa de CaC 3 que contiene. A partir de las relaciones estequiométricas que nos indica la ecuación química, se calcula la cantidad de sustancia, en mol de CaC 3, que produce 0,56 mol de C : n CaC3 n C n CaC3 0,56 n CaC3 0,56 mol de CaC 3 La masa a que equivale esta cantidad de sustancia se calcula teniendo en cuenta la masa molar del CaC 3 (M CaC3 00 g/mol y la expresión que las relaciona: m n M Despejando y sustituyendo valores: m CaC3 n CaC3 M CaC3 m CaC3 0, g de CaC 3 Unidad 4. Cambios materiales en las reacciones químicas 6

27 La riqueza de una muestra, en tanto por ciento, es: R 00 Sustituyendo valores, obtenemos la riqueza de la caliza en CaC 3 : 56 R 00 68,9% 8 NTA: La solución de este problema se ofrece también en el CD-RM del alumnado.. Una mezcla de oxígeno e hidrógeno está formada en un 90% por oxígeno y en un 0% por hidrógeno. Los porcentajes se miden en masa y la mezcla está contenida en un recipiente de litro a 300 K y 0 4 Pa. a Calcula la presión parcial de cada gas. b Si se hace saltar una chispa eléctrica en el interior del recipiente, calcula la masa de agua que se formará. c Calcula la composición volumétrica de la mezcla gaseosa después de la reacción si el agua se obtiene en estado de vapor. a De acuerdo con la proporción en masa, dato que proporciona el enunciado del problema, la cantidad de sustancia de cada componente presente en 00 g de mezcla es la siguiente: m 90 n n,83 mol de 3 M 0 n H n H 5 mol de H La presión parcial de cada gas es, por tanto: n m H M H m reactivo m muestra P P P 0 4, ,4 Pa n + n H, P H P P P H , ,6 Pa b Si se hace saltar una chispa en el interior del recipiente, se producirá la siguiente reacción química: H + H Teniendo en cuenta la equivalencia entre atm y Pa: atm, Pa, la cantidad de sustancia de oxígeno gas contenida en un litro será: P V P V n R T n R T 3 600,4,03 0 5, mol de 0, Unidad 4. Cambios materiales en las reacciones químicas 7

28 Del mismo modo, obtenemos para el hidrógeno: P H V P V n R T n H R T 6 399,6,03 0 5, mol de H 0, A la vista del resultado y teniendo en cuenta la estequiometría de la reacción, se puede comprobar fácilmente que el hidrógeno es el reactivo limitante. Haremos, por tanto, con él los cálculos. La cantidad de sustancia de agua que se forma es:, n H, , mol de H n H Esa cantidad de sustancia se corresponde con la siguiente masa: n H m H M H m H n H M H M H, ,6 0 g de H c Al ser el hidrógeno el reactivo limitante, cuando se produzca la reacción, quedará oxígeno sin reaccionar. El oxígeno que reacciona lo calculamos aplicando la siguiente proporción estequiométrica: n',568 0 n' 3, mol de, La cantidad que queda sin reaccionar es, por tanto: Exceso n n n', , El volumen de agua que se forma es: n H,6 0 4 mol de quedan sin reaccionar V H, n, ,94 l 3 +,6 0 4 H + n Y el volumen de oxígeno que no reacciona: V V H 0,94 0,06 l Por tanto, la composición volumétrica de la mezcla después de la reacción es: V H 0 V 6% V H 94% Unidad 4. Cambios materiales en las reacciones químicas 8

29 . Calcula el volumen de agua que se obtendrá si se mezclan 0 litros de hidrógeno y 5 litros de oxígeno en las mismas condiciones de presión y temperatura. La ecuación química ajustada que describe el proceso es la siguiente: H (g + (g H (g Como todos los gases se encuentran en las mismas condiciones de presión y temperatura, se puede hacer una lectura de la reacción en volúmenes y construir la siguiente tabla: H (g (g H (g Ecuación vol H vol vol H V inicial (l 0 (reactivo limitante 5 V final (l El cinc reacciona con el ácido clorhídrico, produciendo cloruro de cinc e hidrógeno. Una muestra de g de cinc reacciona con 360 ml de una disolución HCl 0,5 M. Calcula la pureza de la muestra de cinc. La ecuación química ajustada que describe el proceso es la siguiente: Zn + HCl ZnCl +H A partir de la estequiometría de la reacción, podemos calcular la cantidad de sustancia de cinc que se necesita para reaccionar con 360 ml de HCl 0,5 M. Para ello, debemos calcular, en primer lugar, la cantidad de sustancia de HCl presente en dicha disolución: Por tanto: C m n V n HCl C m V disol 0, ,8 mol de HCl n Zn n HCl 0,8 n Zn n Zn 0,09 mol de Zn Esa cantida de sustancia se corresponde con la siguiente masa: n Zn m Zn M Zn m Zn n Zn M Zn 0,09 65,37 5,89 g de Zn Como reaccionan g de muestra de cinc, la pureza de la muestra será: m reactivo 5,89 Pureza 00 Pureza 00 49,03% m muestra Unidad 4. Cambios materiales en las reacciones químicas 9

30 4 Se hacen reaccionar 8,3 g de bromo y,8 g de potasio: a Escribe y ajusta la ecuación química del proceso. b Calcula la masa de bromo o de potasio que quedará sin reaccionar. c Calcula la masa de bromuro de potasio que se obtendrá. a La ecuación química ajustada que corresponde al proceso es: Br + K KBr b La cantidad de sustancia que disponemos de cada reactivo es: m Br 8,3 n Br n Br 0,45 mol de Br 79,909 M Br m K M K,8 n K n K 0,373 mol de K 39,0 Teniendo en cuenta este resultado y la estequiometría de la reacción, se aprecia que el bromo es el reactivo limitante, por lo que se consumirá completamente en el proceso. Por tanto, el reactivo en exceso es el potasio. La cantidad de sustancia de este último que reacciona es: n' K 0,45 0,9 mol de K reaccionan 0,45 n' K Por tanto, quedará sin reaccionar: Exceso n K n K n' K 0,373 0,9 0,0983 mol de K que no reaccionan Esa cantidad de sustancia se corresponde con la siguiente masa: Exceso m Exceso n K K Exceso m K Exceso n K M K M K 0, ,0 3,85 g de K que no reaccionan c Según la estequiometría de la reacción, la cantidad de sustancia de bromuro de potasio que se obtiene es: n KBr 0,45 0,9 mol de KBr n Br n KBr Esta cantidad de sustancia corresponde a una masa: n KBr m KBr M KBr m KBr n KBr M KBr 0,9 (39,0 + 79,909 7,5 g de KBr 5. El ácido sulfúrico reacciona con el cloruro de sodio, y se obtiene cloruro de hidrógeno gas e hidrogenosulfato de sodio, que queda disuelto. Calcula: a La masa de cloruro de sodio que se necesita para obtener litros de cloruro de hidrógeno medidos en condiciones normales. b La cantidad de sustancia, en mol de ácido sulfúrico, que se necesita en el proceso. Unidad 4. Cambios materiales en las reacciones químicas 30

31 La ecuación química ajustada que corresponde al proceso descrito por el enunciado es la siguiente: H S 4 + NaCl HCl + NaHS 4 De acuerdo con ella, y teniendo en cuenta los datos que proporciona el enunciado y que M NaCl 58,5 g/mol, podemos construir la siguiente tabla: H S 4 NaCl HCl Ecuación mol 58,5 g (M NaCl,4 l ( mol en c.n. Problema n H S 4 m NaCl l Para resolver los dos apartados que propone el enunciado, estableceremos las correspondientes proporciones estequiométricas. a La masa de cloruro que se solicita es: m NaCl 58,5 58,5 m NaCl 5, g de NaCl se necesitan,4,4 b La cantidad de sustancia, medida en mol de ácido sulfúrico, que se necesita en el proceso es: n H S 4 n H S 0,089 mol de H 4 S 4 se necesitan,4,4 6. Se queman 6 g de metano (CH 4 en un exceso de oxígeno. Los gases producidos en la combustión se recogen en un recipiente de 5 litros a una temperatura de 0 C. Calcula: a La masa de dióxido de carbono producida. b La presión total en el interior del recipiente. c La presión parcial de cada gas producto de la reacción. La ecuación química del proceso, ajustada, es: CH 4 (g + (g C (g + H (g Datos: m CH4 6 g. Teniendo en cuenta la expresión que relaciona la cantidad de sustancia, n, con la masa, m, y la masa molar, M CH4 6 g/mol, esta masa equivale a: m CH4 M CH4 6 n CH4 n CH4 0,375 mol de CH 6 4 V combustión 5 l medido a T ( K. Este es el volumen de los gases C y H que se producen en la combustión del metano. Unidad 4. Cambios materiales en las reacciones químicas 3

32 a Incógnita: m C producida. Teniendo en cuenta la ecuación química del proceso, la relación estequiométrica que se ha de utilizar para obtener la cantidad de sustancia, en mol de C, producida en la combustión, es la siguiente: n CH4 n C 0,375 n C 0,375 mol de C n C La masa de C a que equivale se calcula teniendo en cuenta la masa molar de este: M C 44 g/mol: b Incógnita: P t en el interior del recipiente. m C n C M C 0, ,5 g de C La presión total la ejercen los gases producto de la combustión. Para calcularla es necesario conocer la cantidad de sustancia de C y de H que se produce. La cantidad de C la obtuvimos en el apartado anterior, resultó ser 0,375 mol. La cantidad de sustancia de H se calcula atendiendo a la estequiometría de la reacción: n CH4 0,375 n H 0,75 mol de H Así, el número de mol totales que se produce en la combustión es: n t n C + n H n t 0, ,75,5 mol de C + H Con la ecuación de estado de los gases ideales se calcula la presión total, P t, en el interior del recipiente: n P t V n t R T P t t R T,5 0, P t 7,5 atm V 5 c Incógnitas: presión parcial de cada gas: P C P H n H n H La presión parcial que un gas i ejerce sobre las paredes de un recipiente que contiene una mezcla de gases se puede calcular como: P i χ i P t n donde χ i i representa la fracción molar del gas i. n t Unidad 4. Cambios materiales en las reacciones químicas 3

33 Sustituyendo los valores conocidos, obtenemos para cada gas: n C 0,375 P C P t P C 7,5,4 atm,5 n t n H n t 0,75 P H P t P H,5 7,5 4,83 atm NTA: La solución de este problema se ofrece también en el CD-RM del alumnado. 7 Las bebidas alcohólicas contienen etanol, de fórmula CH 3 CH H. Una muestra que contiene 0 g de etanol se quema con suficiente oxígeno, obteniéndose como productos de la reacción dióxido de carbono y agua. a Escribe y ajusta la ecuación química del proceso. b Calcula la masa de oxígeno que se necesita para dicha combustión. c Calcula el volumen que ocupará, en condiciones normales, el dióxido de carbono obtenido. a La ecuación química ajustada que corresponde al proceso es la siguiente: CH 3 CH H + 3 C + 3 H Teniendo en cuenta la masa molar del etanol: M etanol 46 g/mol, y la estequiometría de la reacción, podemos construir la siguiente tabla: CH 3 CH H 3 C Ecuación 46 g 96 g (M CH3 CH H (3 M 44,8 l ( V M en c.n. Problema 0 g m V C De acuerdo con ella, podemos calcular lo que se solicita en el enunciado de los apartados b y c. b La masa de oxígeno necesaria es: m m 4,74 g de c El volumen que ocupará el dióxido de carbono obtenido, en condiciones normales, es: V C ,8 V C 9,48 l de 44, Calcula la masa de carbonato de calcio que se necesita para que, al reaccionar con ácido clorhídrico en exceso, origine 0 litros de dióxido de carbono medidos a 0 C y 765 torr (los otros productos de la reacción son cloruro de calcio y agua. De acuerdo con el enunciado, la ecuación química ajustada es: CaC 3 + HCl C + CaCl +H Unidad 4. Cambios materiales en las reacciones químicas 33

34 A partir de la ecuación de estado de los gases ideales: P V 760 P V n R T n n C 0,838 mol de C R T 0,08 ( Según la estequiometría de la reacción: n C n CaC3 0,838 mol de CaC n 3 CaC3 Esta cantidad de sustancia equivale a una masa: m n m CaC3 n CaC3 M CaC3 m CaC3 0, ,8 g de CaC M 3 9. La descomposición por calor de una cierta cantidad de óxido de mercurio (II permite obtener 58 g de mercurio líquido. Si la riqueza en óxido de mercurio (II es del 58%, calcula la masa de la muestra de partida. Teniendo en cuenta que M Hg 00,6 g/mol y que M Hg 6,6 g/mol, la masa de la muestra de partida la podemos calcular como se indica a continuación: m Hg M Hg m m Hg Hg M Hg 58 6,6 6,63 g de Hg m Hg M Hg M Hg 00,6 Teniendo en cuenta que la riqueza es del 58%: m m 6,63 R Hg 00 m muestra Hg ,98 g de muestra R 58 m muestra 30 El permanganato de potasio reacciona con el ácido clorhídrico y produce cloruro de potasio, cloruro de manganeso (II, cloro gas y agua. Calcula: a La masa de KMn 4 que reacciona con 0 cm 3 de disolución de HCl M. b El volumen de cloro que se obtiene si se recoge a una presión de 0,95 atm y 0 C. La ecuación química ajustada del proceso que tiene lugar es la siguiente: KMn HCl KCl + MnCl + 5 Cl + 8 H a La cantidad de sustancia de ácido clorhídrico que reacciona es: C m n HCl V disol n HCl C m V disol 0,0 0,04 mol de HCl Teniendo en cuenta la estequiometría de la reacción, construimos la siguiente tabla: KMn 4 6 HCl 5 Cl Ecuación 36 g ( M KMn4 6 mol de HCl l (5 V m en c.n. Problema m KMn4 0,04 mol V (c.n. Unidad 4. Cambios materiales en las reacciones químicas 34

35 Por tanto, la masa de KMn 4 que reacciona es: 36 0,04 m KMn4 0,79 g de KMn 6 4 b El volumen de cloro que se obtiene, en condiciones normales, es: V (c.n. 0,04 0,04 V (c.n. 0,8 l 6 6 Y en las condiciones que se indican en el enunciado de este apartado: P V P V P V V T 0,8 93 0,36 l de Cl T T T P 73 0,95 3. La masa de un trozo de hierro de 50 g expuesto a la intemperie aumenta en,5 g. Suponiendo que solo se ha formado óxido de hierro (III, calcula la masa de hierro que queda sin oxidar. Teniendo en cuenta los datos que proporciona el enunciado del problema y que M Fe 55,8 g/mol y M 3 g/mol, hacemos lo siguiente: La ecuación química del proceso es: 4 Fe (s + 3 (g Fe 3 (s La masa de que reacciona es,5 g. Por tanto: m,5 n n 0,078 mol de reaccionan M 3 Según la estequiometría de la reacción: n Fe 4 4 n 4 0,078 n Fe 0,04 mol de Fe han reaccionado n La masa a la que equivale esta cantidad de sustancia es: m Fe N Fe M Fe 0,04 55,8 5,8 g de Fe Como la muestra es de 50 g, quedan sin reaccionar: m Fe 50 5,8 44,9 g de Fe quedan sin reaccionar 3. Se tiene una mezcla de butano (C 4 H 0 y propano (C 3 H 8 cuya composición en masa es de 88% de butano y % de propano. Calcula: a La composición volumétrica de dicha mezcla en estado gaseoso. b El volumen, en metros cúbicos, de vapor de agua, a 00 C y atm, que se formará en la combustión completa de 0 kg de dicha mezcla de hidrocarburos. De acuerdo con los datos que proporciona el enunciado del problema, en 00 gramos de la mezcla tendremos: m C4 H 88 g ; m C3 0 H g 8 Además, la masa molar que corresponde a cada compuesto es: M C4 H 58 g/mol ; M C3 0 H 44 g/mol 8 Unidad 4. Cambios materiales en las reacciones químicas 35

36 a Para calcular la composición volumétrica de la mezcla, necesitamos conocer, en primer lugar, la cantidad de sustancia de cada componente presente en 00 g de sustancia: n C4 H 0 n C3 H 8,57 mol de butano 0,73 mol de propano Teniendo en cuenta que la composición volumétrica es igual a la composición molar, obtenemos: n C4 H 0,57 %V C4 H ,76% de butano 0 n C4 H + n C3,57 + 0,73 0 H 8 n C3 H ,73 %V C3 H ,4% de propano 8 n C4 H + n C3,57 + 0,73 0 H 8 b Para resolver este apartado, calcularemos, por separado, el volumen de agua que se produce en la combustión completa de cada hidrocarburo. De acuerdo con el enunciado del problema, en 0 kg de mezcla habrá 8,8 kg de butano y, kg de propano. Además, las masas molares del butano y del propano son 58 g/mol y 44 g/mol, respectivamente. Por tanto, procedemos, para cada hidrocarburo, como se indica a continuación: Combustión del butano: la ecuación química ajustada que representa el proceso es: C 4 H C + 0 H Como hemos visto al resolver el apartado anterior, 8,8 kg de C 4 H 0 equivalen a 5,7 mol de C 4 H 0. Por la estequiometría de la reacción: n C4 H 0 n H n H 0 5, ,6 mol de H Combustión del propano: la ecuación química ajustada correspondiente es: C 3 H C + 4 H En este caso,, kg de C 3 H 8 equivalen a 7,3 mol de C 3 H 8. Por la estequiometría de la reacción: n C3 H 8 n H n 4 H 09, mol de H La cantidad de sustancia total de H es: n H 867,7 mol de H Unidad 4. Cambios materiales en las reacciones químicas 36