Tema 2: Reacciones químicas

Transcripción

1 Tema 2: Reacciones químicas Una reacción química es un proceso donde unas sustancias, llamadas reactivos, evolucionan para dar otras sustancias, a las que llamaremos productos. Ley de Conservación de la Masa o Ley de Lavoisier En una reacción química la masa permanece constante. Debemos ajustar la reacción para que se cumpla (debemos tener el mismo número de átomos de un mismo elemento a un lado y al otro de la reacción). Velocidad de reacción La velocidad de reacción se obtiene midiendo la celeridad con la que aparecen los productos o la rapidez con la que desaparecen los reactivos. Existen dos teorías que nos influyen a la hora de estudiar la velocidad de reacción Teoría de las colisiones: Para que tenga lugar una reacción química las moléculas de los reactivos deben chocar y este choque debe tener la suficiente energía y la debida orientación. Si cumplen esto se denomina choque eficaz. A mayor número de choques eficaces, mayor velocidad de reacción. Teoría del complejo activado: Cuando los reactivos evolucionan para darnos los productos hay un estado intermedio, llamado complejo activado donde los enlaces se están simultáneamente rompiendo y formando, llamado complejo activado. Si el sistema es capaz de vencer la energía necesaria para vencer el complejo activado se produce la reacción. La energía necesaria es la energía de activación. Los factores que afectan la velocidad de las reacciones químicas son: a) La naturaleza de las sustancias que reaccionan Es importante que las partículas que reaccionan choquen unas contra otras, para que haya una reacción química y este choque sea eficaz. Aunque no todos los choques entre las partículas reacción, pues existen algunas que al chocar rebotan sin sufrir transformación alguna, porque no tienen la suficiente energía o no lo hacen orientación adecuada. b) La concentración de las sustancias que reaccionan A mayor concentración de los reactivos, mayor número de moléculas y mayor número de choques por lo tanto mayor velocidad de reacción c) La superficie de contacto A mayor superficie de contacto de las moléculas de los reactivos, mayor número de moléculas que chocan y mayor número de choques por lo tanto mayor velocidad de reacción 1

2 d) La Temperatura La temperatura aumenta la velocidad de cualquier reacción. Asimismo, se incrementa la velocidad de las moléculas, lo cual conduce a un mayor número de choques entre ellas y mayor número de choques por lo tanto mayor velocidad de reacción. Además aumenta el número de moléculas que consiguen formar el complejo activado.. e) Uso de Catalizadores Un catalizador influye en la velocidad de una reacción química disminuyendo la energía de activación y aumentando la velocidad de la reacción. Los catalizadores intervienen en la reacción sin transformarse, siendo posible recuperarlos al final Tipos de reacciones Nos podemos encontrar con distintos tipos de reacciones: Formación. Los obtenemos el compuesto a partir de sus elementos. C + O 2 CO 2 H 2 + S + 2O 2 H 2 SO 4 Sustitución. Un elemento sustituye a otro. 2HCl + 2Na 2NaCl + H 2 Neutralización: HCl + Na(OH) NaCl + H 2 O(doble sustitución) Combustión: CH 4 + 2O 2 CO H 2 O Oxidación-reducción Donde un elemento se oxida pierde electrones. Otro elemento se reduce gana electrones. H 2 SO 4 + Fe Fe 2 (SO 4 ) 3 + H 2 Tendremos que tener en cuenta para valorar el estado de oxidación que: Los elementos presentan estado de oxidación cero El hidrógeno presenta estado de oxidación +1 excepto en los hidruros metálicos que presenta estado de oxidación -1 El oxígeno presenta estado de oxidación -2 excepto en los peróxidos que presenta estado de oxidación -1 Los metales sus estados de oxidación correspondientes. (Fe 0 Fe e - ) 2 (oxidación) (2e - + 2H + H 2 0 ) 3 (reducción) 2Fe 0 + 6e - + 6H + 2Fe e - + 3H 2 0 Con estos valores ajustamos la reacción 3H 2 SO 4 + 2Fe Fe 2 (SO 4 ) 3 + 3H 2 2

3 Para tener una reacción de oxidación-reducción es necesario que dos elementos cambien su estado de oxidación. Uno se oxida (gana oxigeno o pierde electrones) y otro se reduce (pierde oxigeno o gana electrones) La siguiente reacción, muy parecida a la anterior, no es de oxidación- reducción al no cambiar el estado de oxidación de los elementos. 3H 2 SO 4 + 2Fe(OH) 3 Fe 2 (SO 4 ) 3 + 3H 2 O Reactivo limitante. Cuando se produce una reacción química puede ocurrir que uno de los reactivos esté en exceso, entonces la reacción transcurrirá hasta que se consuma el otro reactivo. Una vez que éste se acaba la reacción acaba, quedando una cantidad del primero sin reaccionar. El reactivo que al acabarse hace que la reacción se detenga se denomina reactivo limitante. Los cálculos se efectúan considerando las cantidades que reaccionan Ejemplo Dada la reacción CaH 2 + 2H 2 O Ca(OH) 2 + 2H 2 Si sobre 54 g de agua añadimos 84 gramos de hidruro de calcio. Comprueba y calcula: a) Cuál es reactivo limitante? b) los moles de reactivo no limitante que quedan sin reaccionar. a) H 2 O 54g tengo 3 moles necesito 1,5 moles de CaH 2 que si tengo y me sobra CaH 2 84g tengo 2 moles necesito 4moles de H 2 O que no tengo(reactivo limitante) b) El reactivo limitante es el agua (se gastan los 54 gramos 3 moles) y sobran de CaH 2 2moles 1,5moles = 0,5moles de CaH 2 Ajuste de reacciones Hemos visto como se ajustan reacciones de oxidación reducción y recordamos como se ajustan por otros métodos ya vistos en cursos anteriores. Por tanteo Ajustamos ordenadamente: 1. Metal 2. No metal 3. Hidrógeno 4. Oxígeno 3

4 Método algebraico Igualamos las ecuaciones anteponiendo los coeficientes con letras que después ajustamos con ecuaciones Ejemplo: Ajusta la siguiente reacción C 3 H 8 + O 2 CO 2 + H 2 O Escribimos los coeficientes que luego obtendremos algebraicamente ac 3 H 8 + bo 2 cco 2 + dh 2 O Para el C 3a = c Para el H 8a = 2d 4a = d Para el O 2b = 2c + d Hacemos a=1 c=3 d=4 b=5 C 3 H O 2 3CO 2 + 4H 2 O Ejemplo: Ajusta la siguiente reacción C 3 H 5 N 6 O 9 CO 2 + N 2 + H 2 O + O 2 Escribimos los coeficientes que luego obtendremos algebraicamente a C 3 H 5 N 6 O 9 b CO 2 + c N 2 + d H 2 O + e O 2 Planteamos ecuaciones para igualar el número de átomos de cada elemento en ambas partes de la reacción: Para el C 3a = b Para el H 5a = 2d Para el N 6a = 2c 3a = c Para el O 9a = 2b + d + 2e Resolviendo el sistema de ecuaciones: Damos el valor a = 4, ya que si hacemos a = 1, 2, 3 nos dan fracciones y sustituimos b = 12, c =12, d = 10 y e = 1 4C 3 H 5 N 6 O 9 12 CO N H 2 O + O 2 4

5 Ejercicios cálculos estequiométricos 1. Ajustar las siguientes reacciones por el método algebraico: 1) KClO 3 KCl + O 2 2) Fe 2 O 3 + CO CO 2 + Fe 3) BaO 2 + HCl BaCl 2 + H 2 O 2 4) Na 2 CO 3 + H 2 O + CO 2 NaHCO 3 5) H 2 SO 4 + C H SO 2 + CO 2 6) FeS 2 + O 2 Fe 2 O 3 + SO 2 7) HCl + MnO 2 MnCl 2 + H Cl 2 8) Cr 2 O 3 + Al Al 2 O 3 + Cr 9) K 2 CO 3 + C CO + K 10) Ag + HNO 3 NO + H 2 O + AgNO 3 11) Ag 2 SO 4 + NaCl Na 2 SO 4 + AgCl 12) Li 2 SO 3 + KCl K 2 SO 3 + LiCl 2. Se quieren preparar 3000 kg de amoníaco a partir de la reacción: N 2 + H 2 NH 3 a) Volumen de nitrógeno medido en CNPT necesarios. b) Masa de hidrógeno necesaria c) Masa de hidrógeno necesaria si sabemos que el rendimiento de la reacción es del 70% Sol a) V nitrógeno = ,6Lde N 2 b)m hidrógeno = 529,4kg de H 2 b)m hidrógeno = 756,3kg de H 2 3. Se quieren obtener 15 litros de dióxido de carbono (CNPT) según la reacción: Na 2 CO 3 + HCl CO 2 + H 2 O + NaCl a) Volumen de solución de HCl 38 % y d = 1,19 g/cm ³necesario. b) Masa de Na 2 CO 3 necesaria. c) Masa de NaCl que se forma. Sol a) 108mL b) m = 71 g de Na 2 CO 3 c) m = 78,35 g de NaCl 4. El ácido bromhídrico y el ácido sulfúrico reaccionan según la ecuación: H 2 SO 4 + HBr SO 2 + Br 2 + H 2 O Si reaccionan 18, moléculas de H 2 SO 4 : a) Ajusta la reacción b) Masa de HBr necesaria. c) Número de moles de Br 2 formados, sabiendo que la reacción tiene un rendimiento del 90 %. d) Volumen de SO 2 que se desprende simultáneamente (medidos en CNPT). Sol b)m ácido bromhídrico = 486 g de HBr c) 2,7 mol de Br 2 d) V dióxido de azufre = 67,2 litros de SO 2 5. El sulfato de plata reacciona con el cloruro de potasio según la ecuación: Ag 2 SO 4 + KCl K 2 SO 4 + AgCl Si obtenemos 358,75g de AgCl: a) Masa de KCl necesaria. b) Número de moles de Ag 2 SO 4 iniciales. Sol b)186,25g KCl c)1,25moles Ag 2 SO 4 5

6 6. 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 20,5 g de un óxido del 80 % de pureza. HgO 2 Hg + O 2 (Sol 15,2 g Hg) 7. Una muestra impura de 50,0 g de zinc reacciona con 53,7 g de ácido clorhídrico. Calcular el % de zinc presente en la muestra (riqueza) Zn + 2 HCl ZnCl 2 + H 2 (Sol 96,2 % Zn) 8. 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 2 + CO 2 + H 2 O Sol 86,7 ml 9. Se hacen reaccionar 4,5 g de zinc con ácido clorhídrico del 35% en peso y 1,18 g/cm 3 de densidad. Calcular el volumen de ácido necesario para reacción completa. 2 H Cl + Zn Zn Cl 2 + H 2 Sol 12,16mL 10. El ácido sulfúrico reacciona con 10,3 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 % c) Calcular el volumen de hidrógeno obtenido a 27ºC y 1 atm de presión Sol a)h 2 SO 4 + Zn ZnSO 4 + H 2 b)19,1g ZnSO 4 c) 3,87L 11. 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? Pb (NO 3 ) KI Pb I KNO 3 Sol 88,5% 12. La cloración del benceno originó dos moles del derivado halogenado. Calcule, para un rendimiento del 80 %. Calcular: a) La masa de benceno. b) El volumen de cloro necesarios (CNPT) C 6 H 6 + Cl 2 C 6 H 5 Cl + HCl Sol a)195g b) 56L 13. Se necesitan preparar 9 litros de nitrógeno, medidos e 20ºC y a una presión de 710 mm. La reacción que se va a utilizar es: NH 4 Cl + NaNO 2 NaCI + H N 2 Cuantos gramos de cloruro amónico deberemos emplear? Sol 18,725 gramos de NH 4 Cl se necesitan 14. Sabiendo que el carburo de calcio (CaC 2 ) reacciona con agua dando acetileno (C 2 H 2 ) CaC 2 + H 2 O > C 2 H 2 + Ca(OH) 2 Calcúlese el contenido, en tanto por ciento de carburo cálcico puro, de un producto comercial que, tratado con agua, desprende 300 L. de acetileno por kilogramo, medidos en condiciones normales. 85,714% de riqueza en CaC 2 de la muestra inicial 6

7 15. Calcula la pureza de 0,5g de una muestra de un suelo de carbonato de de calcio, si lo descomponemos y obtenemos 20mL de dióxido de carbono a 800mm de Hg y a 25 0 C Sol 17,2% 16. Se hace reaccionar 80g de HCl impuro con cinc. Si se han obtenido 20L de hidrógeno medidos en condiciones normales. Cuál es la pureza del ácido? Sol 81,47% 17. Para la reacción de ácido sulfúrico con hidróxido de sodio, se añaden 20mL de ácido sulfúrico, del 35% en riqueza y densidad 1,2g/mL, sobre 0,2g de hidróxido de sodio. Identifica el reactivo limitante y calcula la cantidad de reactivo no limitante que queda sin reaccionar Sol RL NaOH 0,0832 moles de sin reaccionar 18. Se hacen reaccionar 40mL de ácido nítrico, del 40% en riqueza y densidad 1,3g/mL, con 20g de aluminio. Identifica el reactivo limitante y calcula la cantidad de reactivo no limitante queda sin reaccionar. Sol HNO 3 RL y 0,63 moles de Al sin reaccionar 19. Se hace reaccionar ácido sulfúrico con carbonato de sodio, obteniéndose 200mL de dióxido de carbono a 1atm y 25 0 C, si el rendimiento de la reacción es del 70%. Calcula: a) Los gramos de carbonato de sodio que tienen que reaccionar b) Los gramos de una muestra de carbonato de sodio de pureza el 80% c) El volumen de una disolución de ácido sulfúrico 0,5M que debe reaccionar d) El volumen de una disolución de ácido sulfúrico, del 90% en riqueza y densidad 1,1g/mL que debe reaccionar Sol a) 1,2g b) 1,5g c) 24mL d) 1,2mL 20. Se ponen a reaccionar 49mL de HCl, del 50% en riqueza y densidad 1,1g/mL, con 90mL de NaOH, del 40% en riqueza y densidad 1,2g/mL, a) Identifica el reactivo limitante y calcula la cantidad de reactivo no limitante que queda sin reaccionar b) Calcula los gramos de cloruro de sodio obtenidos si el rendimiento de la reacción es del 90%. Sol a) RL HCl 0,34 moles de NaOH sin reaccionar b) 38, 961 gnacl 21. En la reacción de 81g una pieza de aluminio con 1,5L de una disolución 2,5M de ácido sulfúrico. a) Identifica el reactivo limitante y calcula la cantidad de reactivo no limitante que queda sin reaccionar 7

8 b) Calcula los gramos de Sal obtenidos si el rendimiento de la reacción es del 90%. c) Calcula el volumen de H 2 obtenidos, a 27ºC y 780mmHg, si el rendimiento de la reacción es del 60%. M Al = 27 Sol a)rl ácido sulfúrico; 0,5 moles de Al. b) 384,75g c)53,9l 22. Si el la combustión del butano, hacemos reaccionar 87g de butano con 56L de oxígeno, en condiciones normales. Identifica el reactivo limitante y calcula la cantidad de reactivo no limitante que queda sin reaccionar Sol RL oxígeno 1,12 moles de butano Soluciones: 1) 2 KClO 3 --> 2 KCl + 3O 2 2) Fe 2 O CO 3 CO Fe 3) BaO HCl BaCl 2 + H 2 O 2 4) Na 2 CO 3 + H 2 O + CO 2 2 NaHCO 3 5) 2 H 2 SO 4 + C 2 H SO 2 + CO 2 6) 4 FeS O 2 2 Fe 2 O SO 2 7) 4 HCl + MnO 2 MnCl H Cl 2 8) Cr 2 O Al Al 2 O Cr 9) K 2 CO C 3 CO + 2 K 10) 3 Ag + 4 HNO 3 NO + 2 H 2 O + 3 AgNO 3 11) Ag 2 SO NaCl Na 2 SO AgCl 12) Li 2 SO KCl K 2 SO LiCl Masas atómicas: M H =1; M C =12; M O =16; M S =32; M N =14; M Ca =40; M Na =23; M Cl =35,5; M Pb =207; M K =39; M I =127; M Zn =65,4; M Hg =200,6; M Ag =107,9; M Br =80, M Al =27. 8