4. Estequiometría Antoine-Laurent de Lavoisier

Transcripción

1 4. Estequiometría Antoine-Laurent de Lavoisier (París, 1743 París, en la guillotina, 1794 ) fue un químico francés. Se le considera el padre de la química por sus detallados estudios, entre otros: el estudio del aire, el fenómeno de la respiración animal y su relación con los procesos de oxidación, análisis del agua, uso de la balanza para establecer relaciones cuantitativas en las reacciones químicas estableciendo su famosa ley de conservación de la masa.

2 Reacciones químicas Las reacciones químicas son las transformaciones, mediante una readaptación de sus enlaces, de reactivos a productos. Se representan mediante ecuaciones químicas. Siempre se producen intercambios energéticos. Algunas reacciones son casi instantánes; otras son muy lentas. Teoría de las colisiones Para que se produzca una reacción es necesario que el choque entre moléculas sea eficaz: Que las moléculas reaccionantes tengan energía suficiente (generalmente, cinética). Que las moléculas que colisionen lo hagan con la orientación adecuada. Teoría del estado de transición Se admite que la reacción transcurre mediante el paso previo de formación de un complejo molecular, en el cual se empiezan a romper los enlaces de los reactivos y se inicia la formación de los enlaces de los productos. A este estado se le denomina estado de transición y al agregado molecular, complejo activado. La diferencia de energía que hay entre el estado activado y las moléculas reaccionantes se llama energía de activación, E a. Ecuaciones químicas Es la representación de reactivos y productos con sus respectivos coeficientes estequiométricos. Consta de dos miembros: en el primero, se ponen los reactivos y, en el segundo, los productos o sustancias obtenidas. En la ecuación química debe figurar exclusivamente las sustancias que sufren transformación durante el proceso. IPEP DE HUELVA 1

3 Los coeficientes estequiométricos, son unos números que se colocan delante de cada uno de los compuestos que intervienen en la reacción, para que se cumpla la ley de Lavoisier. PENTANO + OXÍGENO DIÓXIDO DE CARBONO + AGUA + ENERGÍA C 5 H 12 + O 2 CO 2 + H 2 O + ENERGÍA (AJUSTE): C 5 H O 2 5 CO H 2 O + ENERGÍA Factores de conversión Es una relación en forma de fracción. En los factores de conversión unitarios, el numerador y el denominador se deben referir a cantidades iguales de una misma sustancia química. En los factores de conversión interactivos, el numerador y el denominador se refieren a cantidades de distintas sustancias directamente relacionadas por la ecuación química. 1 mol de C H 72 g de C H mol de C H moles de CO IPEP DE HUELVA 2

4 Cálculos en las reacciones Rendimiento Un proceso químico ajustado estequiométricamente describe, de forma teórica, lo que ocurre en una reacción. En la práctica, las cantidades de productos obtenidos son menores que las previstas. rendimiento (%) masa de producto obtenido (práctica) = 100 masa del producto teórico Riqueza Es la cantidad que de un elemento puro hay en una muestra. Se expresa en porcentaje. riqueza (%) masa de sustancia pura = 100 masa total de la muestra Reactivo limitante Es habitual que cuando realizamos una reacción química no añadamos todos los reactivos en cantidades estequiométricas exactas. Por esto, uno de los reactivos se consumirá totalmente. El que se consume primero se llama limitante y, a los otros, reactivos excedentes. En la ilustración el limitante es el Fe. Las disoluciones en las reacciones químicas Las reacciones químicas se suelen efectuar en estado de disolución por: Las sustancias en disolución tienen sus partículas componentes más separadas, lo que implica que el contacto entre los reactivos sea más profundo. Podemos usar la cantidad de reactivo que queramos pues basta con diluir la muestra, llegando por ejemplo a ppm (partes por millón), que sería imposible de pesar. IPEP DE HUELVA 3

5 Tema 4: Estequiometría Gonzalo Mora Pérez Física y Química 1º Bachillerato Formas de expresar la concentración Una disolución es una mezcla homogénea entre un soluto (sólido, líquido o gas) y un disolvente (generalmente líquido, la mayoría de las veces, agua) Concentración: proporción entre la cantidad de soluto y disolución (o disolvente). Por ejemplos: Tanto por ciento(%) masa de soluto = 100 masa disolución masa de soluto ( g) Gramos por litro = volumen de disolución ( L ) Molaridad Molalidad moles de soluto = ; es decir: volumen de disolución moles de soluto = kg de disolvente n M = V moles de soluto Fracción molar = ; es decir: χ s moles de disolución Normalidad equivalente-gramo de soluto = ; se cumple que: volumen de disolución (L) N = M val La normalidad es un término en desuso. El quivalente-gramo es la cantidad de un elemento o compuesto, que se combina o reemplaza a 1,008 g de hidrógeno. La valencia de un ácido coincide con el nº de H que intercambian y el de una base, con el nº de OH. Reacciones de neutralización ( o de valoración) Se basa en una reacción de neutralización en la que cada ion H + es neutralizado por un ion OH -, para formar una molécula de H 2 O. Se cumple: nº equivalente ácido = nº equivalente base V ácido N ácido = V base N base V ácido M ácido valencia ácido = V base M base valencia base IPEP DE HUELVA 4

6 Clasificación de las reacciones químicas Las reacciones químicas se pueden clasificar atendiendo a diferentes criterios. Energético Exotérmica: CH 4 +O 2 CO H 2 O + Energía Endotérmica: HgO + Energía Hg + ½ O 2 Partícula intercambiada Ácido-base (transferencia de protones): HCl + NaOH NaCl + H 2 O Red-ox (transferencia de electrones): Fe + S FeS Precipitación (transferencia de iones): NaCl + AgNO 3 AgCl + NaNO 3 Estructural Síntesis o combinación: Cl 2 + H 2 2HCl Descomposición: 2 KClO 3 2 KCl + 3O 2 Sustitución: Zn + CuSO 4 ZnSO 4 + Cu Cinético Rápida: C 3 H O 2 3 CO H 2 O Lenta: C + O 2 CO 2 IPEP DE HUELVA 5

7 Energía de un proceso químico La ruptura y formación de nuevos enlaces lleva asociada una determinada variación en la cantidad de energía almacenada en ellos. Reacción exoenergética, cuando desprende algún tipo de energía. Si es calor, se llama exotérmica. N 2 (g) + 3 H 2 (g) 2 NH 3 (g) + Energía Reacción endoenergética, cuando necesita de un aporte energético externo para poder llevarse a cabo. Si es calor, se llama endotérmica. CO 2 (g) + Energía C (s) + O 2 (g) Si a una reacción química se le añade la información del estado en que se encuentran los reactivos y los productos así como la energía intercambiada con el entorno, tenemos una ecuación termoquímica. N 2 (g) + 3 H 2 (g) 2 NH 3 (g) + 92,2 kj/mol Reacciones de combustión Se caracteriza por la presencia de oxígeno y el desprendimiento de calor. La reacción no progresa en ausencia de O 2, se inicia con una chispa y se libera gran cantidad de calor. La combustión de hidrocarburos siempre genera CO 2 y H 2 O. En su ajuste se empieza por los C, se sigue con los H y se termina con los O. IPEP DE HUELVA 6