Tema 2. Reacciones Químicas_Estequiometria Índice

Transcripción

1 Tema Tema : Reacciones químicas_ Estequiometria Reacciones Químicas_Estequiometria Índice 1. Reacciones químicas Ajustar una ecuación química Información en una reacción química Tipos de reacciones químicas.... Cálculos para la resolución de problemas Cálculos masa masa Cálculos masa Volumen Cálculos Volumen Volumen Cálculos con rendimiento distintos del 100% Procesos con reactivo limitante Reactivos impuros Determinación de la pureza de un reactivo Reactivos en disolución (molaridad) Reactivos en disolución (tanto por ciento en peso) Deka Centro de Ensino Física y Química 1º BAC

2 Tema : Reacciones químicas_ Estequiometria 1. Reacciones químicas En una ecuación química se escriben las fórmulas de los reactivos a la izquierda y las de los productos a la derecha separados por una flecha: Reactivos Productos 1.1. Ajustar una ecuación química El proceso de ajustar (o igualar) la ecuación consiste en colocar números delante de las fórmulas (coeficientes) para garantizar que exista el mismo número de átomos en los reactivos que en los productos, ya que en una reacción química no pueden desaparecer o crearse átomos. O lo que es lo mismo: En una reacción química la masa permanece constante (Ley de Conservación de la Masa o Ley de Lavoisier). Con ello garantizamos que los reactivos están en las proporciones justas (cantidades estequiométricas) para reaccionar. Reactivos: CH 4 y O Productos: CO y H O CH 4 + O CO + H O Coeficiente del oxígeno: Coeficiente del agua: Métodos de ajuste: Tanteo (en reacciones sencillas). Algebraicamente (en reacciones más complejas) resolviendo un sistema de ecuaciones. Ejemplo: Ajustar la siguiente reacción: HBr +Fe FeBr + H Sean a, b, c y d los coeficientes (número de moles) de los respectivos reactivos y productos. a HBr + b Fe c FeBr + d H H: a d Br: a c Fe: b c Sea d 1; entonces a, c / y b / siguientes coeficientes: a 6, b, c y d. Multiplicando todos los valores por obtenemos los Por tanto la ecuación ajustada será: 6 HBr + Fe FeBr + H 1.. Información en una reacción química Para que se verifique una reacción química ha de producirse: Una ruptura de los enlaces en los reactivos. Lo que generalmente implica aportar energía. Un reagrupamiento de los átomos de forma distinta. Una formación de nuevos enlaces para formarse los productos. Lo que generalmente implica un desprendimiento de energía. En el balance final de energía para el proceso puede ocurrir: Deka Centro de Ensino Física y Química 1º BAC

3 Tema : Reacciones químicas_ Estequiometria Energía aportada > Energía desprendida. Absorbe energía (calor). Reacción endotérmica. Energía aportada < Energía desprendida. Desprende energía (calor). Reacción exotérmica. El calor absorbido o desprendido puede añadirse a la ecuación química como un elemento más del proceso: CH 4 + O CO + H O kj (Proceso exotérmico) KClO + 89,4 (kj) KCl + O (Proceso endotérmico) Una reacción química ajustada nos da, por tanto, la siguiente información: CH 4 + O CO + H O 1 molécula de CH 4 reacciona con moléculas de O para dar 1 molécula de CO moléculas de H O CH 4 + O CO + H O 1 mol de CH 4 moles de O 1 mol de CO moles de H O 16,0 g x,0 64,0 g 44,0 g x 18,0 6,0 g reaccionan con para dar En una reacción química la masa se conserva. Esto es, la masa de los reactivos es igual a la masa de los productos. (Ley de Lavoisier) En el caso de que las sustancias sean GASES, y siempre que se midan en las mismas condiciones de presión y temperatura, la relación en moles se puede establecer como relación en volumen: Volúmenes iguales de gases diferentes en las mismas condiciones de P y T contienen el mismo número de moles (Hipótesis de Avogadro). Si consideramos un gas y el volumen se mide a 1 atm de presión y 0 0 C (condiciones normales), 1 mol ocupa,4 litros. C H 6 (g) + 7 O (g) 4 CO (g) + 6 H O (g) moles 7 moles 4 moles 6 moles litros 7 litros 4 litros 6 litros 1.. Tipos de reacciones químicas Síntesis Descomposición Simple Sustitución Mediante reactivo Doble sustitución Masa de reactivos: 16,0 + 64,0 80,0 g Masa de productos: 44,0 + 6,0 80,0 g Deka Centro de Ensino Física y Química 1º BAC

4 Tema : Reacciones químicas_ Estequiometria Síntesis: A + B C H + O H O Descomposición Simple: A B + C CaCO CaO + CO Descomposición mediante reactivo: AB + C AC + BC ZnS + O ZnO + SO Sustitución (desplazamiento): AB + C AC + B PbO + C CO + Pb Doble sustitución: AB + CD AC + BD HCl + NaOH NaCl + H O. Cálculos para la resolución de problemas.1. Cálculos masa masa El dato está expresado en gramos y la incógnita la piden también en gramos. Ejemplo: Cuántos gramos de dicloruro de manganeso se obtienen cuando reaccionan 7,5 g de ácido clorhídrico? MnO + 4 HCl Mn Cl + Cl + H O 7,5 g de HCl 1 mol de HCl 6,5 g de HCl 1 mol de MnCl 4 moles de HCl 16,0 g de MnCl 1 mol de MnCl 6,5 g de MnCl.. Cálculos masa Volumen El dato está expresado en gramos y la incógnita, por ser un gas, piden su volumen en litros Ejemplo: Qué volumen de cloro se obtendrá cuando reaccionen 7,5 g de ácido clorhídrico? a) Si se mide en c. n. b) Si se mide a 1,5 atm y 50 ºC a) Cálculo del volumen de Cl medido en c.n. 7,5 g de HCl 1 mol de HCl 6,5 g de HCl 1 mol de MnCl 4 moles de HCl,4 L de Cl 1 mol de Cl 1, L de Cl b) Cálculo del volumen de Cl medido a 1,5 atm y 50 0 C Primero se calcula el número de moles de producto y a continuación se usa la ecuación de los gases: 7,5 g de HCl 1 mol de HCl 6,5 g de HCl 1mol de Cl 4 moles de HCl 0,051mol de Cl atm L 0,051 moles 0,08 n R T K mol K V 0,901L 901cm P 1,5 atm 4 Deka Centro de Ensino Física y Química 1º BAC

5 Tema : Reacciones químicas_ Estequiometria.. Cálculos Volumen Volumen Si las sustancias consideradas están en fase gaseosa la relación establecida por la ecuación ajustada puede considerarse relación en volumen, siempre que los gases estén medidos en las mismas condiciones de P y T (volúmenes iguales de gases diferentes, medidos en las mismas condiciones de P y T contienen el mismo número de moles) Ejemplo: Calcular los litros de amoniaco que se obtendrán cuando reaccionan 0,5 L de H (se supone que ambos gases están medidos a igual P y T) N (g) + H (g) NH (g) L NH 0,5 L H 0, L NH L H.4. Cálculos con rendimiento distintos del 100% Se define el rendimiento de la reacción como: % gramos reales/ 100 gramos teórico Ejemplo: El nitrato de plomo (II) reacciona con el yoduro potásico para dar un precipitado amarillo de yoduro de plomo (II). a) Plantear y ajustar la ecuación correspondiente al proceso b) Cuando se hacen reaccionar 15,0 g de nitrato de plomo (II) se obtienen 18,5 g de yoduro de plomo (II) Cuál es el rendimiento del proceso? a) Ecuación ajustada: Pb (NO ) + KI Pb I + KNO b) Gramos de yoduro de plomo (II) que deberían obtenerse teóricamente: 15,0 g Pb(NO ) 1 molpb(no ) 1, g Pb(NO ) 1 molpbi 1 molpb(no ) 461,0 g PbI 1 molpbi 0,9 g PbI Cálculo del rendimiento: 18,5 g PbI reales 0,9 g PbI teóricos 100,0 g PbI teóricos g PbI reales 88,5 88,5 % 100,0 g PbI teóricos 100,0 g PbI teóricos Ejemplo: El ácido sulfúrico reaccionan con 10, g de zinc para dar sulfato de zinc e hidrógeno a) Plantear y ajustar la ecuación correspondiente al proceso b) Calcular la cantidad de sulfato de zinc obtenida si el rendimiento para el proceso es de un 75 % a) H SO 4 + Zn ZnSO 4 + H 5 Deka Centro de Ensino Física y Química 1º BAC

6 b) Cantidad de sulfato de zinc que se debería obtener (teórico) Tema : Reacciones químicas_ Estequiometria 1 mol Zn 1 mol ZnSO 4 10, g Zn 65,4 g Zn 1 mol Zn 161,5 g ZnSO 1 mol ZnSO 4 4 5,4 g ZnSO 4 5,4 g ZnSO4teóricos 75 g ZnSO reales 100 g ZnSO teóricos ,1 g ZnSO4 reales.5. Procesos con reactivo limitante A la hora de llevar a cabo una reacción química puede suceder que uno de los reactivos esté en exceso, entonces la reacción transcurrirá mientras exista algo del otro reactivo. Una vez que éste se acaba la reacción se para, quedando el exceso del primero sin reaccionar. El reactivo que al agotarse hace que la reacción se detenga se denomina reactivo limitante. Los cálculos se efectúan considerando las cantidades que reaccionan. Ejemplo: Una mezcla de 100,0 g disulfuro de carbono y 00,0 g de cloro (gas) se pasa a través de un tubo de reacción caliente produciéndose la reacción: CS + Cl CCl 4 + S Cl Calcular la cantidad de S Cl que se obtendrá Como dan cantidades para ambos reactivos, vemos si están en cantidades estequiométricas (justas): 1mol CS 100,0 g CS 76, g CS 1mol Cl 00,0 g Cl 71,0 g Cl Como (según se lee en la ecuación química) 1 mol de CS reacciona con moles de Cl, para reaccionar con 1,1 moles de CS se necesitarían: 1,1 x,9 moles de Cl. Por tanto, como sólo existen,8 moles de Cl : 1,1mol CS,8 moles Cl Reactivo en exceso (no reacciona todo): CS. Reactivo limitante (reacciona todo) : Cl A la hora de efectuar los cálculos ha de tenerse presente que parte del CS quedará sin reaccionar. Por tanto, ha de usarse, bien el reactivo limitante (reacciona totalmente), o bien la parte que reacciona del reactivo en exceso: Usando el reactivo limitante:,8 mol Cl 1 mol SCl mol Cl 15,0 g S Cl 1 mol S Cl 16,9 g SCl 6 Deka Centro de Ensino Física y Química 1º BAC

7 Tema : Reacciones químicas_ Estequiometria.6. Reactivos impuros Si los reactivos que se emplean en la reacción no son puros ha de tenerse en cuenta el dato de pureza y realizar los cálculos sólo con la parte de la muestra que reacciona. Ejemplo: Al calentar el óxido de mercurio (II) se descompone en oxígeno (gas) y mercurio metálico. Calcular la cantidad de mercurio metálico que podremos obtener al descomponer 0,5 g de un óxido del 80 % de pureza. HgO Hg + O 0,5 g de óxido 80 g de HgO 100 g de óxido 1 mol HgO 16,8 g HgO mol Hg mol HgO 16,6 g Hg 1 mol Hg 15, g Hg.7. Determinación de la pureza de un reactivo Basándonos en la cantidad de productos obtenidos (o de reactivos que reaccionan) se puede establecer la pureza de un reactivo o su contenido en determinada sustancia (riqueza) Ejemplo: Una muestra impura de 50,0 g de zinc reacciona con 5,7 g de ácido clorhídrico. Calcular el % de zinc presente en la muestra (riqueza) Zn + HCl ZnCl + H La cantidad de zinc presente en la muestra se puede calcular a partir del ácido consumido suponiendo que las impurezas no reaccionan con el ácido: 1 mol HCl 5,7 g HCl 6,5 g HCl 1 mol Zn 65,4 g Zn 48,1g Zn mol HCl 1 mol Zn El cálculo de la pureza se reduce a calcular un tanto por ciento: 48,1g Zn 50,0 g muestra 100,0 g muestra g Zn 96, 96, % Zn 100,0 g muestra 100,0 g muestra.8. Reactivos en disolución (molaridad) Lo común es que los reactivos que se utilicen se encuentren en forma de disolución acuosa y que se trabaje directamente con cantidades de disolución y no de soluto: 7 Deka Centro de Ensino Física y Química 1º BAC

8 Tema : Reacciones químicas_ Estequiometria Ejemplo: Se hacen reaccionar 6,5 g carbonato cálcico con ácido clorhídrico 1,5 M. Calcular la cantidad de ácido 1,5 M necesario para reacción completa. CaCO + HCl CaCl + CO + H O 6,5 g de CaCO 1 mol CaCO 100,1 g CaCO mol HCl 1 mol CaCO 1000 cm disolución 1,5 mol HCl 86,7 cm disolución.9. Reactivos en disolución (tanto por ciento en peso) Una forma muy corriente de expresar la concentración de una disolución es en tanto por ciento en peso (masa). Si se pretende operar con volumen de disolución es preciso, además, conocer la densidad de la disolución Ejemplo: Se hacen reaccionar 4,5 g de zinc con ácido clorhídrico del 5% en peso y 1,18 g/cm de densidad. Calcular el volumen de ácido necesario para reacción completa. H Cl + Zn Zn Cl + H 4,5 g Zn 1 mol Zn 65,4 g Zn mol HCl 6,5 g HCl 100,0 g ácido 1 mol Zn 1 mol HCl 5,0 g HCl 1cm ácido 1,18 g ácido 1, cm ácido (disolución) 8 Deka Centro de Ensino Física y Química 1º BAC