TEMA 7: LES REACCIONS QUÍMIQUES

Transcripción

1 TEMA 7: LES REACCIONS QUÍMIQUES 1.- QUANTITAT DE SUBSTÀNCIA. Sabem que els àtoms són molt petits i que la seva massa no es pot mesurar directament amb una balança com la que tenim en el laboratori. Avui sí tenim sistemes sofisticats que ens permetrien fer-ho, però no estan al nostre abast ni tampoc ho estaven pels investigadors del segle XIX. Malgrat això, aquests investigadors van compensar la seva falta d una tecnologia com la que ara tenim amb una imaginació que va permetre trobar, no la massa absoluta d un àtom però sí el poder comparar masses de diferents àtoms i veure quantes vegades era més pesat un àtom que un altre. D això se n diu trobar les masses relatives d un àtom respecte a un altre.per fer-ho, les idees bàsiques van ser les següents: - Imaginar que les substàncies estaven formades per àtoms i que aquests àtoms eren característics de cada substància pura. És a dir, l àtom de calci no es semblava a cap altra àtom i era distint de, per exemple, del sodi o qualsevol altre. - Els àtoms tenen massa i aquesta és diferent per a cada substància. Agafarem la massa de l àtom més petit, que és l hidrogen, com a massa unitat i les masses dels altres àtoms la donarem dient que és tantes vegades més gran que la massa de l àtom d hidrogen. Per exemple, en la imatge següent tenim que la massa relativa de l oxigen de l hidrogen és 16, Ar(O)=16, això vol dir que la massa de l oxigen és igual a la massa de 16 àtoms d hidrogen. El fet que la massa relativa sigui el quocient de dues masses explica que no tingui unitats. A més de establir la idea de masses atòmiques relatives també es va establir una unitat de massa adient al món microscòpic d àtoms, molècules i ions. De la mateixa manera que per anar a comprar patates utilitzes com a unitat de massa el kg i no vas a comprar patates en tones, mai (encara que es pugui fer) dius posi 0,002 tones de patates, ni tampoc vas a comprar pinyons en kg, normalment s utilitza el gram. Així bé, per mesurar les masses dels àtoms

2 tampoc va bé ni el kg ni el gram i es va definir una nova unitat de massa més adient. Es va definir la unitat de massa atòmic, u. Es va agafar inicialment la massa de l hidrogen com a unitat, així: 1 u = massa de l àtom d hidrogen això implica que també podem expressar les masses d altres àtoms en unitats de massa atòmica i així tindríem: M(He) = 4 u ; M(C) = 12 u ; M(Cl) = 35,5 u ;.... per tant, ara tenim dues maneres d expressar les masses dels àtoms: Ar(C) = 12 o bé, M(C) = 12 u Fins l aparició d instruments precisos, com l espectròmetre de masses no es va conèixer amb exactitud l equivalència entre les dues unitats de massa, el gram i la unitat de massa atòmica, u. El valor acceptat és: 1 u = 1,66 x g Més tard es va definir com la dotzeava part de l isòtop 12 de l àtom de carboni Exemple 1 Comencem per un compost senzill, la molècula d aigua, H 2 O, que està formada per dos àtoms d hidrogen i un d oxigen. Trobar la seva massa és fàcil, el càlcul es redueix a sumar les masses de cadascun dels àtoms que la formen. En el nostre exemple: Massa relativa de l aigua Mr(H2O) = 2xAr(H) + 1xAr(O) = 2x1 + 1x16 = 18 I utilitzant la unitat de massa atòmica, u :M(H2O)= 18 u Exercicis proposats: 1.- Busca la massa de qualsevol element de la taula periòdica, per exemple el sodi Na,en unitats de massa atòmica. Escriu novament la seva massa en grams utilitzant la relació entre la unitat de massa atòmica i el gram. 2.- Calcula la massa molecular de les següents substàncies: àcid sulfúric, amoníac, òxid de ferro (III), àcid sulfhídric i hidrur de plom (IV). 3.- Calcula quants àtoms necessites per tenir una massa en grams que sigui numèricament igual al valor de la massa en u. És a dir, si la massa d un àtom de sodi,na, és 23 u, quants àtoms de sodi necessitem per tenir 23 grams de sodi?. 2

3 Malgrat saber les masses relatives dels àtoms el problema continuava. Seguien sense saber quan d àtoms teníem quan agafaven per exemple 1g o qualsevol quantitat d una substància EL MOL. Malgrat en el segle XIX ja es tenia una idea del mecanisme de les reaccions químiques a nivell atòmic i es sabés que una reacció química tan sols és una reordenació dels àtoms,encara no es tenia clar, com ja hem dit abans, quants àtoms o molècules hi havia en una determinada massa d una substància. Així només queda per definir una unitat de quantitat de substància, és a dir, la quantitat d àtoms, ions o molècules que agafarem com a referència. Agafarem el nombre d àtoms suficients com per aconseguir que la seva massa expressada en grams sigui numèricament igual al valor de la massa atòmica relativa que apareix en la Taula Periòdica dels elements. A aquest quantitat de substància li donarem el nom de MOL. És a dir, si la massa del carboni és dotze, M(C)=12 u, per tenir una unitat de quantitat de substància del carboni, això és 1 mol de carboni, hem d agafar àtoms fins tenir 12 g de carboni. Més fàcilment, per tenir 1 mol de carboni és suficient pesar 12 g de carboni. Anàlogament, com un àtom d hidrogen té una massa de 1 u per tenir un mol d hidrogen hem de pesar 1 g d hidrogen..... El raonament sempre és el mateix. Exercicis proposats: 4.Quina massa de fluor hem d agafar per tenir 1 mol de fluor? Quina massa de zinc hem d agafar per tenir 1 mol de zinc? Quina massa d or hem d agafar per tenir un mol d or?. 5.Quina massa de potassi hem d agafar per tenir 0,5 mols de potassi? Quina massa de ferro hem d agafar per tenir 0,25 mols de ferro? Quina massa d alumini hem d agafar per tenir 0,78 mols d alumini?. També ens podem fer la pregunta a l inrevés i preguntar-nos, quants mols hi ha en 55,8 grams de ferro? O quants mols hi ha en 100 g de ferro? I en 1kg de ferro, quants mols hi ha?però quin és el número d àtoms que cal agafar per tenir un mol d àtoms d un element?. Això,de fet, té poca importància i no es va saber fins passats molts anys. Els químics van utilitzar el concepte de mol encara que no es sabés el nombre de partícules que representava. Avui coneixem el seu valor. El número d Avogadro, 6,02x10 23, no es va poder determinar, en primera aproximació, fins els desenvolupament d una part de la Física que es diu Mecànica Estadística. Després, s han fet altres mesures més precises per 3

4 altres tècniques fins arribar al valor actual.anem a veure que és fàcil de calcular si es sap la relació entre la unitat de massa atòmica i el gram, Exemple 2: 1u = 1,66x10-24 g Volem 1 mol de carboni i volem saber quants àtoms de carboni tindrem.solució: Tenir 1 mol de carboni, és a dir, una unitat de quantitat de substància de carboni,implica tenir 12 g de carboni. Per tant, tenir un mol de carboni és molt fàcil, pesem 12 g de carboni i ja està. Fet. Ara volem saber quants àtoms de carboni tenim en aquest 12 g. També és fàcil però no tant com en la primera part. Cal utilitzar que 1u = 1,66x10-24 g per passar de grams a u i després veure quants àtoms de carboni hi ha en la massa expressada en u, ja que cada àtom de carboni té una massa de 12 u. Així, quan pesem 12g de carboni tenim 6,02x10 23 àtoms de carboni. Podem fer el mateix raonament amb qualsevol element de la taula periòdia. A finals del XIX el físic i químic alemany Ostwalt, a la quantitat de d àtoms, o de partícules, 6,02x10 23 li va posar el nom de MOL. Un MOL és la quantitat de substància que conté 6,02x10 23 entitats elementals (àtoms, molècules, ions,... ). Al número, N A =6,02x10 23 mol -1 rep el nom de constant d Avogadro. El nombre d Avogadro és el lligam que hi ha entre els mons macroscòpic i microscòpic. Exercicis proposats:. 6. Quina massa hem d agafar per a tenir 1 mol de sodi? Quants àtoms de sodi tindrem?. 7. Quants mols hi ha en 6,02x10 23 àtoms d hidrogen? Quina és la seva massa en grams?. 8.Quants mols hi ha en 5,02x10 22 àtoms d hidrogen? Quina massa tenen? 9.Quants mols hi ha en 6,02x10 23 àtoms de ferro? Quina és la seva massa?. 4

5 10.Quants àtoms hi ha 1 mol d àtoms de beril li? Quants àtoms hi ha en 0,5 mols d àtoms de beril li? Quants en 11,5 mols?. 11.On hi ha més àtoms en 1 mol de beril li o en 1 mol de potassi? On hi ha més àtoms, en 0,4 mols d estany, Sn, o en 0,4 mols de plom, Pb?. On hi ha més àtoms en 0,35 mols de plata, Ag, o en 0,4 mols d or?. 12. Si agafem el nombre d Avogadro d àtoms de ferro i d àtoms d hidrogen, quina serà la seva relació de masses?. Quina serà la relació de masses si agafem 0,3 mols de ferro i 0,3 mols d hidrogen?. 13.Si et demanen quina és la magnitud que et dóna compte de la quantitat de substància, per exemple, quantitat d àtoms, quina diries que és. Quina magnitud escollirem per indicar de forma ràpida que hi ha el mateix nombre d àtoms de dos substàncies diferents?. Posa un exemple amb el magnesi i l alumini. Nota: Fixeu-vos amb el raonament d abans, mentre agafem el mateix número d àtoms, és a dir, el mateix número de mols, de substàncies diferents, la seva relació de masses serà la mateixa que la de seves corresponents masses relatives. 14.Quina seria la relació de masses del fòsfor i el cobalt si n agafem 1 mol de cada? Quants àtoms hi hauria de cada? I si n agafem 0,24 mols de cada, quina seria la relació de masses, de quin element hi hauria més àtoms?. Mols i masses molars de composts Ja hem vist que les masses en grams d un mol de qualsevol element és numèricament igual a la seva massa atòmica expressada en unitats de massa atòmica. Exemple 3: La massa d un mol de sofre l expressem: M(S) = 32 g/mol Els concepte és el mateix per composts. Per exemple, en el diòxid de carboni, CO 2 té sentit i el mateix sentit que abans parlar de mol i de masses molars. És a dir,un mol de, CO 2, són 6,02x10 23 molècules de CO 2 i tindrà una massa molar que vindrà donada per la suma de totes les masses molars dels elements que la formen. Així: Exercicis proposats: M(CO2) = 1xM(C) + 2xM(O) = 1x12 + 2x16 = 44 g/mol. 5

6 15. Calcula la massa de 1 mol de metà, CH 4, és a dir, troba la massa molar d aquest gas. Quantes molècules d aquest gas hi ha en un mol? Quantes d aquest gas hi ha en 0,4 mols? Quina massa tindrà 0,4 mols de metà?. 16.Calcular la massa de 1 mol del clorur de calci, CaCl 2, és a dir, trobar la massa molar. Quantes molècules d aquesta sal hi haurà en un mol? Quants àtoms de calci? Quants de clor?. 17.Quants mols d àcid sulfúric, H 2 SO 4, hi ha en 460 g de sulfúric? Quantes molècules hi ha? Quants àtoms de sofre hi ha i quants d oxigen? COMPOSICIÓ DE LES SOLUCIONS. Les solucions són mescles homogènies de dos o més components de diàmetres inferiors a 1 nm. El component majoritari s anomena dissolvent i l altre que s hi troba dispers constitueix el solut. Moltes vegades és necessària la intervenció del solvent, en els aspectes fisicoquímics, per dispersar les partícules de solut i d aquest fet se n diu dissoldre. Per exemple, en dissoldre sucre en aigua l energia de les molècules de l aigua fa que les de sucre vagin desprenent-se del cristall. El resultat és una dissolució de sucre en aigua en què l aigua és el dissolvent. De la mateixa manera, quan es dissol sal en aigua, les molècules d aigua van alliberant els ions clorur i els ions sodi dels cristalls de sal. El resultat és una dissolució de sal en aigua. No cal dir que l aigua és el dissolvent per excel lència en els processos de química inorgànica i, per tant, les solucions en què l aigua és el dissolvent (o solvent) són solucions aquoses. Recordem que la composició d'una solució és qualsevol manera de donar les parts de solut per part de solució (i en algun cas de dissolvent: molalitat). Recordem que les maneres més habituals d'expressar la composició són: 1. Tant per cent en massa. 2. Tant per cent en volum. 3. Concentració en massa. 4.Concentració o molaritat. 5. Molalitat. 6. Fracció molar. 6

7 Tant per cent en massa. % de massa =( massa de solut/massa de solució)x100 Si tenim una solució del 3% de glucosa en aigua, segons la definició això vol dir que a cada 100g de solució hi ha 22g de glucosa i per tant 98g d'aigua Tant per cent en volum. La mateixa fórmula val per tant per cent en volum només canviant massa per volum. % de solut = ( volum de solut/volum de solució) x Concentració en massa. Concentració en massa= massa (g) solut/ Volum (l) solució Que la composició d'una solució sigui de 7,5g/l de sacarosa en aigua vol dir que cada litre de solució conté 7,5g de sacarosa Concentració o molaritat. M=[A] = mols d'a /litres de solució Que la molaritat d'una solució d àcid clorhídric, HCl, en aigua valgui 0,2 mol/l significa que cada litre de solució conté 0,2 mols de HCl Molalitat. m =mols de solut/kg de dissolvent Una molalitat de 0,25 mol/kg vol dir que per cada quilogram de dissolvent hi tenim 0,25 mol de solut. 7

8 Fracció molar. X A =mols d'a /mols totals de dissolució La fracció molar és un nombre sense unitats, degut al fet que és el quocient de dues quantitats que s'expressen en mols. És un nombre positiu, comprés emtre el 0 i l'1, degut al fet que el numerador sempre és més petit que el denominador.una fracció molar del solut de 0,15 vol dir que a cada mol de solució hi ha 0,15 mol de solut. Exercicis proposats: 18. Hem separat 20,0 ml d una dissolució de clorur de potassi en aigua de 2,40 g L 1.A continuació els hem introduït en una càpsula de porcellana i hem escalfat la mostra fins que s ha assecat. Quina massa de residu sòlid hem obtingut? 19. Es barregen 100 ml d una dissolució de glucosa 10,0 g L 1 amb 300 ml d una dissolució de sacarosa 5,00 g L 1 Quina és la concentració en massa de cada substància en la dissolució resultant? (Suposa que els volums són additius). 20. Barregem 200 ml d una dissolució de clorur d amoni 5,00 g L 1 amb 100 ml d una altra dissolució de clorur d amoni 10,0 g L 1. Calcula la concentració en massa i la molaritat de la dissolució resultant. 21. Una mostra d 1,5 g d un aliatge de Zn i Al conté un 40% en massa de zinc. a) Calculeu la massa de Zn i Al que conté. b) Calculeu la fracció molar de zinc i alumini a la mostra. 22. La concentració d un àcid nítric comercial és del 60% en massa, i la seva densitat és 1,31 g cm 3. a) Calculeu la molaritat de l àcid nítric comercial. b) Indiqueu el volum d àcid nítric comercial necessari per preparar 500 cm 3 d àcid nítric 0,2 molar. c) Expliqueu de quina manera faríeu aquesta preparació al laboratori i quin material caldria utilitzar. 23. Disposem de propanol líquid pur (C 3 H 6 OH) i d una dissolució 1M de iodur de potassi. Volem preparar 500 cm 3 d una dissolució aquosa que contingui 0,04 8

9 mol dm 3 de iodur de potassi i 0,4 mol dm 3 de propanol. La densitat del propanol és 0,80 g/ml. a) Calculeu els volums de líquid pur i de dissolució de partida que cal utilitzar per fer aquesta preparació. b) Descriviu de manera detallada el procediment de laboratori que cal seguir per fer la preparació i anomeneu el material que cal emprar. 24. Es dissolen 32 g de naftalè sòlid (C 10 H 8 ) en 368 g de toluè (C 7 H 8 ) i s obté una dissolució de densitat 0,892 g cm 3. a) Calculeu el percentatge en massa de naftalè. b) Trobeu la concentració en massa de naftalè a la dissolució. c) Trobeu la concentració molar de naftalè a la dissolució. 25. Dissolem 23,8 g de clorur d estronci en aigua i omplim fins un volum de 500 cm 3.Calcula: a) La concentració de clorur d estronci i la d ions clorur. b) El volum que hem d agafar d aquesta dissolució si ens cal preparar 250 cm 3 d una altra dissolució de clorur d estronci 0.012mol/L. 2. LES REACCIONS QUÍMIQUES Una reacció química és un procé mitjançant el qual, una o més substàncies, reatius, canvien la seua naturalesa, convertint-se en altres substàncies, productes. És la expresió d una transformació química EVIDÈNCIES QUE LES MANIFESTEN: - Despreniment d un gas. - Canvi de color. - Aparició d un precipitat sòlid. - Despreniment de llum i calor. 2.2 TEORÍA ATÒMICA DE LES REACCIONS QUÍMIQUES Per a que una reacció química es produïsca s han de trencar els enllaços dels àtoms reaccionants, reagrupant-se de nou i formant nous enllaços. 9

10 Per a que es trenquen els enllaços dels àtoms dels reactius necessitem que: 3 EQUACIÓ QUÍMICA - Les molècules, átoms o ions reaccionants tinguen energia suficient. - La col.lisió entre les partícules tingas una orientació adient. En estes condicions es parla d un xoc eficaç. És la representació simbòlica d una reacció química. S escriuen al costat esquerre de l equació les fórmules químiques de les substàncies de sortida o reactius; les de les substàncies finals, o productes, s escriuen a la dreta. Els dos costats de la reacció es conecten mitjançant una fletxes que signifiquen reaccionen per a formar. 3.1 INFORMACIÓ PROPORCIONADA EN L EQUACIÓ QUÍMICA - Si la reacció és incompleta, perque els productes es poden tornar a convertir-se en reactius, diem que la reacció es reversible i es representa per una doble fletxa: - Estat d agregació de les sustàncies: sòlid (s), gas (g), líquid (l) o en dissolució (aq). - Les condicions específiques de pressió i temperatura, o l us de catalitzadors o dissolvents. Es situen damunt o baix la fletxa. - Signe per a indicar un calentament dels reactius. - Si es desprenen sustàncies gasoses ho indiquem amb una fletas cap amunt, si és sòlida amb una fletxa cap avall. L equació química representa el procés global i no els pasos intermedis dels que consta. 10

11 3.2 AJUST D UNA EQUACIÓ QUÍMICA En totes les reaccions químiques el nombre d àtoms es conserva.per tant, en les equacions químiques deuen aparèixer uns nombres, coeficients estequiomètrics, davant de les sustàncies reactius o productes, de forma que el nombre d àtoms de cada element, com a reactius i com a productes, siga el mateix. Aquests coeficients estequiomètrics es poden obtenir por tanteig o per mètodes algebraics. La solució obtesa no es única, per això s elegeix normalment el conjunt de números sencers més menut En el métode de tanteig convé ajustar tots els elements que només estan a un reactiu o a un producte i per últim els que apareixen en més d un reactiu o producte. Exemple 4: CH O 2 CO H 2 O N 2 (g) + 3 H 2 (g) 2 NH 3 (g) H 2 (g) + Cl 2 (g) 2 HCl (g) 2 H 2 (g) + O 2 (g) 2 H 2 O (g) Exercicis proposats: 26. El ferro sòlid s oxida per l acció de l oxigen i s obté òxid de ferro (III). Formula l equació química ajustada d aquesta reacció 27. L òxid de mercuri (II) es descompon per l acció de la calor en mercuri i oxigen. Escriu l equació química ajustada d aquesta reacció. 28. L alumini reacciona amb l àcid clorhídric amb despreniment d hidrogen. Escriu l equació química ajustada d aquesta reacció 29. L àcid sulfúric reacciona amb el fluorur de calci, que és un sòlid, en una reacció de doble substitució, en la qual s obté un altre sòlid. Escriu l equació química ajustada d aquesta reacció. 30.Escriu l equació química ajustada corresponen a la reacció del zinc i l àcid clorhídric. 11

12 4 CLASSIFICACIÓ DE LES REACCIONS QUÍMIQUES Es poden clasificar segons diversos criteris: Criteri energètic: - Reaccions exotèrmiques: Si desprenen energia (calor). - Reaccions endotèrmiques: Si absorbeixen energia (calor). Reagrupament d átoms: - Reaccions de síntesi: Quan dos o més substàncies reaccionen entre sí per a obtenir altra més complexa. Exemple 5: N 2 (g) + 3 H 2 (g) 2 NH 3 (g) H 2 (g) + Cl 2 (g) 2 HCl (g) 2 H 2 (g) + O 2 (g) 2 H 2 O (g) - Reaccions de descomposició: És l invers del cas anterior. Quan una substància es transforma en dos o més. Exemple 6: 2 HCl H 2 + Cl 2 2 KClO 3 (s) 2 KCl (s) + 3 O 2 (g) 2 Pb(NO 3 ) 2 (s) 2 PbO (s) + 4 NO 2 (g) + O 2 (g) CaCO 3 (s) CaO (s) + CO 2 (g) - Reaccions de sustitució simple o desplaçament: Són reaccions químiques en les quals un element o un grup substitueix a un altre en un compost, provocant el seu desplaçament. 12

13 Exemple 7: 2 NaBr (aq) + Cl 2 (aq) 2 NaCl (aq) + Br 2 (aq) Zn (s) + H 2 SO 4 (aq) ZnSO 4 (aq) + H 2 (g) Mg (s) + 2 HCl (aq) MgCl 2 (aq) + H 2 (g) - Reaccions de doble substitució o doble desplaçament: Són reaccions químiques en les quals dos elements o grups intercanvien les seves posicions en dos compostos. Exemple 8 : FeS (s) + 2 HCl (aq) FeCl 2 (aq) + H 2 S (g) 2 AgNO 3 (aq) + CaCl 2 (aq) 2AgCl (s) + Ca(NO 3 ) 2 (aq) FeS (s) + H 2 SO 4 (aq) FeSO 4 (aq) + H 2 S (g) Segons la partícula intercanviada: - Reaccions de precipitació: la partícula intercanviada es un ió. Solen ser reaccions que es produeixen en dissolució acuosa. Són reaccions, al mateix temps, de doble sustitució o desplaçament. - Reaccions redox: s intercanvien electrons. Una sustància (oxidant) agafa l electró i es redueix i la que cedéis l electró s oxida. - Reaccions àcido-base: s intercanvia un protó, H +. Els àcidscedeixen protons i les bases els acepten. 13

14 Exemple 9: HCl + H 2 O Cl - + H 3 O +. 3 HNO 3 (aq) + Al(OH) 3 (aq) Al(NO 3 ) 3 (aq)+ 3H 2 O (l) HCl (aq) + NaOH (aq) NaCl (aq) + H 2 O (l) CaCO 3 (s) + 2 HCl (aq) CaCl 2 (aq) + CO 2 (g) + H 2 O (l) Un àcid més una base produeix sempre la sal corresponent i aigua. Criteri cinètic: - Reaccions ràpides - Reaccions lentes Ácid + base Sal + aigua Reaccions de combustió: Una substància (comburent) reacciona amb l oxígen produïnt-se un ràpid despreniment d energia en forma de llum i calor. En el cas de la combustió d un hidrocarbur, es produeix diòxid de carboni i aigua. Exemple 10: 2 C 4 H 10 (g) + 13 O 2 (g) 8 CO 2 (g) + 10 H 2 0 (g) C 2 H 5 OH (l) + 3 O 2 (g) 2 CO 2 (g) + 3 H 2 O (g) C (s) + O 2 (g) CO 2 (g) 5. CÀLCULS ESTEQUIOMÈTRICS EN LES REACCIONS QUÍMIQUES Els càlculs que relacionen les quantitats de les sustàncies que intervenen en una reacció química s anomenen: càlculs estequiomètrics. Per a solucionar els problemes d estequiometria hi ha que fer els següents pasos 14

15 1. Escriure l equació química corresponent a la reacció i ajustarla. 2. Baix de cada substància, escriure les dades que coneixem.. 3. Expresar en mols la quantitat d eixes substàncies. 4. Obtenir, en mols, la quantitat de qualsevol substància de la reacció utilitzant la proporció que indica els coeficients estequiomètrics. 5. Expresar les quantitas obteses de les substàncies en les unitats que ens demanen (per exemple, grams, litres, etc). 5.1 CÀLCULS AMB REACTIUS DE DETERMINADA RIQUEZA O PURESA. A vegades la mostra reactiva no es pura 100% i té impureses.en aquests casos el primer es determinar la quantitat de sustància pura que tenim i amb ella realitzar els càlculs estequiomètrics necessaris. Exemple 11: Una mostra de 8 5 g d un metall, que majoritàriament és zinc, ha reaccionat amb mols d àcido nítric. Com a productes s obtenen nitrat de zinc i gas hidrogen.calcula la riquesa en zinc de la mostra metàl.lica. Solució: Escribim l equació química corresponent i la ajustem: Zn + 2 HNO 3 Zn (NO 3 ) 2 + H 2 1 mol 2 mol 1 mol 1 mol 8 5 g mol Tenint en conte l estequiometria de la reacció, calculem els mols de zinc que reaccionen amb l àcid nítric donat. Després els expressem en grams i calculem la puresa de la mostra Mol Zn = mol HNO 3 1molZn 2molHNO 65gZn mol Zn = 7 36 g de Zn 1molZn 7'36 gzn 100 = 86 6 % 8'5gmuestra 3 = mol de Zn 15

16 5.2.CÀLCULS REACTIU LIMITANT. Generalment, quan té lloc una reacció química, les quantitats de reactius que es mesclen no tenen relació estequiomètrica.en aquest cas, el reactiu que es consuméix totalment es denomina reactiu limitant ja que limita el procés de la reacció. Quan aquest reactiu s esgota, la reacció s acaba Tots els càlculs estequiomètrics es deuen realitzar a partir del reactiu limitant, l altre reactiu romandrà en excés. Exemple 12: El ferro s oxida en presència d oxígen donant lloc a l òxid de ferro (III). Si fiquem en contacte 0 36 moles de ferro amb 0 08 mols d oxígen, quants mols d òxido de ferro (III) s obtindran? Solució: 4 Fe + 3 O 2 2 Fe 2 O 3 4 mol 3 mol 2 mol 0 36 mol 0 08 mol Averiguem el reactiu limitant: La relació estequiomètrica entre els reactius és En el nostre cas la relació és: 4molFe = molO 0'36molFe = 4 5 > 1 33 això 0'08molO significa que el ferro sobra, es a dir, està en excés, així l últim càlcul el fem amb la quantitat d oxígen que és el reactiu limitant. 2molFe 2O3 Mol Fe 2 O 3 = 0'08molO 2 = mol de Fe 2 O 3 3molO Exercicis proposats: 31.El carbur de silici, SiC, es coneix pel nom comú de carborundum. Aquesta substància dura, que s utilitza comercialment com abrasiu, es prepara calentant SiO 2 i C a temperaturas elevades: SiO 2 (s) + 3C(s) SiC(s) + 2CO(g) 16

17 Quants grams de SiC es poden formar quan es permet que reaccionen 3.00 g de SiO 2 y 4.50 g de C? 32. En la reacció: Fe(CO) 5 +2PF 3 +H 2 Fe(CO) 2 (PF 3 ) 2 (H) 2 +3CO Quants mols de CO es formen a partir d una mescla de 5.0 mol de Fe(CO) 5, 8.0 mol PF 3, i 6.0 mol H 2? 33. Quan es sintetitza H 2 O a partir d hidrògen i oxígen, si reaccionen 4.6 mols d hidrigeno i 3.1 mols d oxígen, Quants mols d aigua es poden produir i quina quantitat de reactiu romant sense reaccionar? 34. El metall sodi reacciona amb aigua per a donar hidròxid de sodi i hidrògen gas: 2Na(s)+2H 2 O(l) NaOH(aq)+H 2 (g) Si 10.0 g de sodi reaccionen amb 8.75 g d aigua: Quin és el reactiu limitant? 5.3 CÀLCULS EN PROCESSOS DE RENDIMENT INFERIOR AL 100 % Es defineix el rendiment d una reacció com la relació entre la quantitat real obtesa de producte i la quantitat teórica estequiomètrica del mateix producte. Se expresa en %. R= quantitat real de producte/ quantitat teòrica de producte x 100 El rendiment d una reacció, en general, és sempre més baix del 100 %. 17

18 Exemple 13: En la producció d amoníac a partir dels seus elements, s obtenen 5 mols de compost a partir de 3 5 mol de nitrogen, quin és el rendiment d aquest procés? Solució: N H 2 2NH 3 Estequiometria: 1 mol 3 mol 2 mol 3 5 mol 5 mol 5 mol és la quantitat real de producte obtés. La quantitat teòrica es calcula: 2molNH 3 Mol NH 3 = 3'5 moln 2 = 7 mol NH 3 1molN El rendiment R = 2 5 molnh = 71 43% 7molNH 3 Exercicis proposats: 31.Calcular el rendiment d un experiment en el que es van obtenir 3.43 g de SOCl 2 mitjançant la reacció de 2.50 g de SO 2 anb un excés de PCl 5, esta reacció té un rendiment teòric de 5.64 g de SOCl 2. SO 2 (l) + PCl 5 (l) SOCl 2 (l) + POCl 3 (l) 32.El clorur de calci reacciona amb nitrat d argent per a produir un precipitat de clorur d argent: CaCl 2 (aq) + 2 AgNO 3 (aq) AgCl(s) + Ca(NO 3 ) 2 (aq) En un experiment s obtenen g de precipitat. Si el rendiment teòric del clorur de plata es 2.45 g. Quin és el rendiment en tant per cent? 5.4 REACCIONS EN CADENA Per a obtenir un producte en la industria, és frequent l ús de reaccions consecutives o en cadena. Els càlculs estequiomètrics es realitzen amb la reacció global obtesa operant amb les reaccions donades com si foren equacions matemàtiques. 18

19 Exemple 14: L oxidació del amoníaco a dióxid de nitrógen es realitza en dos pasos: 4 NH O 2 4 NO + 6 H 2 O 2 NO + O 2 2 NO 2 Solució: obtenim la reacció global operant amb les reaccions donades como si foren equacions. Busquem eliminar la substància comú a les dues reaccions, per això multipliquem la segona equació per dos i li sumem la primera: 4 NH O 2 4 NO + 6 H 2 O 4 NO + 2 O 2 4 NO 2 Sumant: 4 NH NO + 7 O 2 4 NO + 4 NO H 2 O Simplificant, 4 NH O 2 4 NO H 2 O 5.5 CÀLCULS AMB REACTIUS EN DISSOLUCIÓ Si alguna de les sustàncies inicials es troben en dissolució, les quantitats de la mateixa poden venir expresades en unitats de concentració, per exemple : Molaritat, molalitat, etc i haurem de fer els calculs adients per obtenir la quantitat en mols. 5.6 CÀLCULS AMB UN REACTIU COMÚ D UNA MESCLA Una substància pot reaccionar simultàneament i independentment amb altres substàncies presents en una mescla. S escriuen per separat cadascuna de les reaccions químiques del reactiu comú amb cadascun dels elements de la mescla Exemple 15: Es dissolen 5 g d una mostra de clorur de sodi i clorur de magnesi i s afegeix un excés de nitrat d argent. Si la massa de clorur d argent formada es g, determina la composició percentual de la mescla. (Na = 23; Cl = 35 5; Mg = 24; Ag = 108) 19

20 Solució: Na Cl + Ag NO 3 NaNO 3 + AgCl 58 5 g g MgCl Ag NO 3 Mg (NO 3 ) AgCl 95 g = 287 g Si ara tenim x g de NaCl, tindrem (5 x) g de Mg Cl 2, calculem el que s obté en cada reacció de clorur d argent i la suma serà el total obtés 143'5 g AgCl (1ª reacció) = gagcl xgnacl = 2 45x 58'5gNaCl g AgCl (2ª reacció) = 287 gagcl (5 x) 3 02(5 x) = x 95 gmgcl 2 gagcl totals = 2 45x x = x que hauran de coincidir amb les dades inicials del problema, es a dir: x = x = 4 g de NaCl 1 g de MgCl 2 Expresada en %: 4g 1g %NaCl = % ; % MgCl 2 = % 5g 5g 6. EXERCICIS FINALS 1. Quina és la massa relativa de l alumini? Ar(Al) = 2. Quina és la massa en grams d 1 àtom d alumini? 3. Quina és la massa en grams de àtoms d alumini? 4. Quina és la massa en grams d 1 mol d àtoms d alumini? 5. Quina és la massa en grams d 1 mol d àtoms de nitrogen (N)? 6. Quina és la massa en grams de 5 mols d àtoms de nitrogen? 7. Quants àtoms hi ha en 1 mol d àtoms de nitrogen? 8. Quants àtoms hi ha en 3 mols d àtoms de nitrogen? 20

21 9. Quantes molècules hi ha en 1 mol de molècules del gas nitrogen (N 2 )? 10. Quina és la massa en grams d 1 mol de molècules de nitrogen (N 2 )? 11. Quants àtoms hi ha en 100 g de sodi (Na)? 12. Quina és la massa de 4, àtoms de calci (Ca)? 13. Quina és la massa molecular d 1 molècula d aigua? 14. Quina és la massa de 1, molècules d aigua? 15. Quants mols hi ha en 4 tones de sofre pur (S)? 16. Quantes molècules hi ha en 36 g de glucosa C 6 H 12 O 6? 17. Quants àtoms d oxigen hi ha en 36 g de glucosa? 18. Quina és la massa en grams d un polímer fet d una cadena de 2000 molècules d etilè C 2 H 4? 19. Quina és la massa en grams de 0,1 mol de clorur de sodi NaCl? 20. Sabem que en una mostra d àcid sulfúric H 2 SO 4 hi ha 4, àtoms d hidrogen. Quina és la massa en grams de la mostra?. 21.La Terra té uns mil.lions d habitants. Si distribuíssim el número d Avogadre d euros entre tots els habitants de la Terra, seríem milionaris?. 22. Busca quina és la massa relativa del sodi. Escriu, també, la seva massa en unitats de massa atòmica. Quina és la massa de 1 mol d àtoms de sodi? I de mig mol de sodi? Quants àtoms hi ha en mig mol de sodi?. 23. Quina és la massa relativa d una molècula d oxigen, O 2? Quina és la seva massa en unitats de massa atòmica? Quina és la massa de 1 mol de molècules d oxigen? Quina és la massa de 3,25 x molècules d oxigen?. 24. Calcula la massa d un mol de metà, CH 4. Quants grams són 0,25 mols de metà? Quantes molècules hi ha en 0,25 mols de metà, quants àtoms de carboni i quants d hidrogen?. 25. Calcula on hi ha més molècules, en 11g de diòxid de carboni, en ½ mol d oxigen gas, O 2, o en 2g d hidrogen gas, H 2?. 26. Calcula la quantitat de substància, és a dir, els mols que hi ha en 18x10 23 molècules d amoníac. Quina és la seva massa?. 27. Si tenim 4,5 x àtoms de sofre i el mateix número d àtoms d oxigen, quina és la relació entre les seves masses?. 21

22 28.Quants grams de nitrat de magnesi s obtindran a partir de 50 g d àcid nítric en reaccionar amb hidròxid de magnesi? 29.L àcid sulfúric ataca al zinc amb despreniment d hidrogen. Formula la reacció corresponent i calcula els grams de zinc que es necessiten per poder obtenir 5 mols d hidrogen. 30.Calcula els grams d aigua que es produiran en la combustió de 200 g de propà. Quants litres de diòxid de carboni en condicions normals s obtindran? Aplica que un mol de qualsevol gas en condicions normals ocupa un volum de 22,4 litres. Quants litres d oxigen en condicions normals es consumiran? 31.L àcid clorhídric reacciona amb el ferro i produeix clorur de ferro (II) i hidrogen. Quants grams d àcid clorhídric necessitarem per reaccionar amb 10 g de ferro? Quants grams de clorur de ferro (II) obtindrem? Quants litres d hidrogen en condicions normals es formaran? 32.Calcula els grams de sulfat de calci que s obtindran en la reacció de 25 g de carbonat de calci amb àcid sulfúric. Quants litres de diòxid de carboni en condicions normals es formaran? 33.Formula i iguala l equació química de la combustió de l età C 2 H Escriu l equació química de la següent reacció: Nitrat de zinc + Sulfur de sodi Nitrat de sodi + Sulfur de zinc. 35.L òxid de ferro (III) reacciona amb l alumini obtenint-se òxid d alumini i ferro. Escriu i iguala l equació química corresponent. 36.Escriu i iguala l equació química corresponent a la combustió de l hexà. 37.Calcula els grams de clorat de potassi que es necessiten per obtenir 500 g d oxígen en la seva descomposició? 38.Cremem 2 kg de propà (C 3 H 8 ). Quants litres d oxigen en condicions normals es consumiran? 39.Fem reaccionar 20 g d'hidròxid de calci, Ca(OH) 2, amb àcid clorhídric, HCl. Quants grams de clorur de calci, CaCl 2, obtindrem? 40.En la combustió de 200 kg d età, quants litres de diòxid de carboni en condicions normals es formaran? 41.Quants grams de nitrogen i hidrogen caldran per obtenir per síntesi 100 g d amoníac NH 3? 42.Reaccionen 5 g de Zn amb àcid clorhídric. Quants grams de clorur de zinc es formaran? Quants litres d hidrogen en condicions normals es produiran? 22

23 43.En la reacció de doble desplaçament: 2 KI (aq) + Pb(NO 3 ) 2 (aq) 2 KNO 3 (aq) + PbI 2 (s) Precipiten 10 g de PbI 2. Quants grams de nitrat de plom (II) han reaccionat? Quants grams de nitrat de potassi s han format? 44.En la combustió de 4 tones d età, quants quilos d'aigua es formaran? 45.Quan s'escalfa el CaCO 3 es descompon en CO 2 i calç viva CaO. Quants grams de calç viva s'obtindran a partir de 100 kg d'una pedra calcària que té un 80% de carbonat de calci? Quants litres de CO 2 en condicions normals es produïran a partir dels 100 kg de pedra calcària? 46.Calcula la massa de magnesita, mineral de carbonat de magnesi amb una riquesa del 90 %, que caldrà per obtenir 20 g d oxid de magnesi a partir de la reacció de descomposició. 47.Calcula el volum d oxigen necessari per cremar 15 litres d hidrogen. Els volums dels dos gasos estan mesurats en les mateixes condicions de pressió i temperatura. 48.Quants grams de carboni caldran per sintetitzar 10 litres de CO 2 en condicions normals? 49.Troba les molècules d oxigen que reaccionaran en la combustió de 10 tones de butà. 50.Calcula els litres d oxigen en condicions normals que s obtindran en la descomposició de 100 g d òxid de mercuri (II). 51.Quin volum de diòxid de carboni, mesurat en les mateixes condicions, s obtindrà de la combustió de 5 litres d acetilè, C 2 H Quantes molècules de diòxid de carboni es formaran en la combustió de 4 litres de propà mesurats a 15 o C i 740 mm Hg? (1 atm = 760 mm Hg; R = 0,082 atm l/mol K) 53.Al cremar-se l amoníac, NH 3, es forma aigua i es desprèn nitrogen. Troba els grams de nitrogen que es produiran en la combustió de 50 g d amoníac. 54.El component principal del gas natural és el metà, CH 4, calcula la calor que es produeix quan es cremen 20 kg de metà, sabent que per cada mol d aquest hidrocarbur es desprenen 802,2 kj. 55.En la reacció: sulfur d hidrogen (g) + oxigen (g) diòxid de sofre (g) + aigua (g), 23

24 quants grams d oxígen reaccionaran amb 5 kg de sulfur d hidrogen? 56.Calcula la quantitat de carbó, amb un contingut d un 78% de carboni, que caldrà cremar per obtenir de kj, sabent que en la combustió per cada mol de carboni s obtenen 393 kj. 57.Partint de la reacció: CaCO 3 (s) + HCl (aq) CaCl 2 (aq) + CO 2 (g) + H 2 O (l), i després d igualar-la, troba els grams d àcid clorhídric que reaccionaran amb 30 g d un mineral que conté un 84% de carbonat de calci. 58.El clor es prepara en el laboratori mitjançant la següent reacció: MnO 2 + HCl MnCl 2 + H 2 O + Cl 2. Després d igualar-la, troba: a) els grams de MnO 2 que hauran de reaccionar amb 50 g d àcid clorhídric. b) els litres de Cl 2 en condicions normals que s obtindran. 59.Una bombona de gas propà conté 11 kg de gas, troba la calor despresa en la combustió completa del gas, si la combustió d un mol de propà produeix 2.217,9 kj. 60.En reaccionar sofre i ferro, s obté sulfur de ferro (II). Si s han obtingut 10 g de sulfur de ferro (II), quants grams de ferro han reaccionat? 61.Quants litres d hidrogen, en condicions normals, hauran de reaccionar amb 64 g d oxigen per produir aigua? 62. 1) L'òxid de mercuri (II) es descompon pel calor originant oxigen i mercuri. Si partim de 25,62 g d'òxid i s'obtenen 23,73 g de mercuri, quant oxigen s'ha originat? 63. En una reacció química 12 g de carboni reaccionen completament amb 32 g d'oxigen formant l'òxid corresponent. Quina massa d'òxid s'origina. 64. En un segon experiment s'obté el mateix òxid. Ara disposem de 20 g de carboni però la quantitat d'oxigen present és la mateixa que en el exercici anterior. Quina massa d'òxid s'origina? Quin serà el reactiu limitant? 65.En una reacció química es descompon una substància alliberant un gas. L'experimentador mesura la massa inicial de la substància i la massa final, i comprova que la mostra ha perdut pes, de forma que pensa que s'incumpleix la llei de Lavoisier. Opines el mateix? 66..El nitrogen reacciona amb l'hidrogen i produeix amoníac, de forma que 82,35 g de nitrogen amb suficient hidrogen originen 100 g de producte. a) Quant hidrogen ha reaccionat? 24

25 b) Quina massa de nitrogen reaccionarà amb 30 g d'hidrogen? Quant producte? c) Suposant que la fórmula de l amoníac és NH 3, calcula la massa atòmica del N, si donem un valor 1 a la massa atòmica de l'hidrogen. 67. El vinagre (HC 2 H 3 O 2 ) i el bicarbonat (NaHCO 3 ) reaccionen formant bombolles d ungas (diòxid de carboni): HC 2 H 3 O 2 (aq)+nahco 3 (s) NaC 2 H 3 O 2 (aq) Si 5.00 g de vinagre reaccionen amb 5.00 g de soda. Quin limitant? és el reactiu 68.En la reacció 3NO 2 + H 2 O 2HNO 3 + NO, Quants grams de HNO 3 es poden formar quan es permet que reaccionen 1.00 g de NO 2 i 2.25 g de H 2 O? 69. Quina massa de clorur d argent es pot preparar a partir de la reacció de 4.22 g de nitrat d argent amb 7.73 g de clorur d alumini?( No oblides l ajust). AgNO 3 + AlCl 3 Al(NO 3 ) 3 + AgCl 70. Es verteix una mica d àcid sulfúric damunt d una taula de laboratori. L àcid es pot neutralitzar afegint bicarbonat de sodi damunt d ell per després recollir amb un drap la solució resultant. El bicarbonat de sodi reacciona amb l àcid sulfúric de la forma següent: 2NaHCO 3 (s) + H 2 SO 4 (ac) Na 2 SO 4 (ac) + 2CO 2 (g) + 2 H 2 O (l) 71.S afegeix bicarbonat de sodi fins que no hi ha més bombolles degut a la formació CO 2 (g). Si van caure 35 ml de H 2 SO M, Quina és la massa mínima de NaHCO 3 que es necessària afegir per neutralitzar l àcid? 25