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Física y Química 2o ESO (también 3o y 4o ESO, repaso) Reacciones químicas y Estequiometría J. F. G. H.1 1 Space-time Foundation, Multiverse of Madness Quantum TimeLord Virtual Academy Earth planet Milky Way Galaxy Known Universe Joki Multiverse Autor (JFGH) title Multiverse of Madness 1 / 41 Contenido 1 Reacciones químicas 2 Moles y masa 3 Disoluciones Autor (JFGH) title Multiverse of Madness 2 / 41 Introducción a las reacciones químicas Como vimos en temas anteriores, se llama cambio físico a los cambios que se producen en las sustancias de forma que se altera su aspecto por no su composición o naturaleza. Ejemplo: H2 O (l ) → H2 O (g ) Reacción química Se llama cambio químico o transformación química a los cambios que se producenen las sustancias que cambian su naturaleza. Equivalentemente, una reacción química es toda transformación de unas sustancias llamadas reactivos, en otras diferentes llamadas productos. Ejemplos: H2 (g ) + 1 O2 (g ) → H2 O (l ) 2 REACTIVOS −→ PRODUCTOS Autor (JFGH) title Multiverse of Madness 3 / 41 Etapas de las reacciones químicas Las etapas de cualquier reacción química son generalmente: Choques y colisiones entre átomos, moléculas e iones. Ruptura de los enlaces de los reactivos. Formación de los enlaces de los productos, en general a través de una sustancia intermedia denominada complejo activado o estado de transición. Finalización de la reacción cuando se agota el reactivo limitante o los choques dejan de ser efectivo o suficientemente energéticos para que la reacción tenga lugar. Autor (JFGH) title Multiverse of Madness 4 / 41 Leyes de las reacciones químicas Durante los siglos XVIII y XIX, se descubrieron las llamadas leyes ponderales (de masa y volumen) de las reacciones químicas. Una ley general para las transformaciones químicas fue concebida y descubierta o enunciada por Lavoisier. Autor (JFGH) title Multiverse of Madness 5 / 41 Ley de Lavoisier o de conservación de la masa Ley de conservación de la masa En toda reacción química, a temperaturas y energías convencionales, se conserva la masa. Esto es, la suma de la masa de todos los reactivos es exactamente igual a la suma de la masa de todos los productos, en una reacción química que sea totalmente efectiva y de sustancias puras. Matemáticamente, para la reacción general a1 X2 + a2 X2 + · · · + an Xn −→ b1 Y1 + b2 Y2 + · · · + bm Ym se cumple, según Lavoiser, que n X mi = i =1 m X j =1 Mj ↔ X m(Reactivos) = X M(Productos) (1) Autor (JFGH) title Multiverse of Madness 6 / 41 Estequiometría y ecuaciones químicas(I) Estequiometría La Estequiometría es la parte de la Química que se ocupa del análisis de las reacciones químicas y los cálculos químicos. En particular, se ocupa de balancear las reacciones químicas y hacer cálculos con reactivos y productos. Se dice que una reacción o ecuación química está balanceada o ajustada, cuando el número de átomos o especies de cada tipo, y las cargas eléctricas si no fueran reacciones neutras (sin carga), son iguales en reactivos y productos. El proceso mediante el cual se logra que una reacción química esté ajustada, se llama ajuste o balance de una reacción química (ecuación química). Los números que preceden a cada compuesto, partícula, o ión en el proceso de ajuste se denominan coeficientes estequiométricos. Autor (JFGH) title Multiverse of Madness 7 / 41 Estequiometría y ecuaciones químicas(II) Una reacción química puede verse como cierto tipo de igualdad, o una representación simbólica de un proceso químico real, mediante los símbolos de los elementos, compuestos, y los números que indican cuántos átomos de cada elemento en el compuesto hay, y los coeficientes estequiométricos indicando el número de moléculas o unidades de cada entidad química fundamental que intervienen en la reacción química. Además, en una reacción química, se suele especificar también otras informaciones: Autor (JFGH) title Multiverse of Madness 8 / 41 Estequiometría y ecuaciones químicas(III) El estado físico de cada sustancia, si ha lugar. Por ejemplo Cu(s ) indica cobre sólido, H2 O (l ) indica agua líquida, O2 (g ) oxígeno gaseoso y HCl (aq.) ó HCl (ac .) indican disolución acuosa. La energía necesaria para que se produzca la reacción química. Si la energía es absorbida ∆E > 0 y se dice que la reaccióne es endotérmica. Si la energía es cedida o liberada, ∆E < 0 y la reacción se dice que es exotérmica. La parte de la Química de reacciones que estudia los procesos de energía en las reacciones químicas se llama Termoquímica. Autor (JFGH) title Multiverse of Madness 9 / 41 Catalizadores Catalizadores Son sustancias que no intervienen en las reacciones químicas pero modifican la velocidad de reacción al modificar la denominada energía de activación. Si aumentan la velocidad de reacción se llaman activadores. Si disminuyen la velocidad de reacción se llaman inhibidores. Los catalizadores de tipo biológico se llaman enzimas. Autor (JFGH) title Multiverse of Madness 10 / 41 Ajuste o balance de reacciones(I) De nuevo, el procedimiento para igualar el número de átomos de cada tipo, en reactivos y productos, se llama ajuste. El ajuste se puede realizar por tanteo, o usando diversos procedimientos algebraicos o numéricos. De estos últimos, destaca el método de los coeficientes indeterminados, que no explicaré aquí. Autor (JFGH) title Multiverse of Madness 11 / 41 Ajuste o balance de reacciones(II) En general, en todo ajuste por tanteo, se realizan los siguientes pasos: 1 Escribir la reacción química. 2 Analizar los reactivos y productos, contando el número de átomos de cada elemento que interviene en la reacción. 3 Añadir los coeficientes estequiométricos oportunos, por tanteo, delante de las fórmulas o especies químicas correspondientes para igualar el número de átomos. Suele preferirse multiplicar el resultado final por números de forma que los coeficientes estequiométricos sean números enteros, aunque en ocasiones se puede permiter el dejar coeficientes estequiométricos fraccionarios, no es lo más común esto último. 4 En casos difíciles, usar métodos numéricos o el procedimiento de los coeficientes indeterminados. Si una reacción no puede ajustarse, es que no es posible en la naturaleza. 5 Comprobación del resultado. Autor (JFGH) title Multiverse of Madness 12 / 41 Ejemplo 1  Ajustar las siguientes reacciones químcias: Al (s ) + HCl (l ) → AlCl3 (s ) + H2 (g ). NH3 (g ) + O2 (g ) → NO (g ) + H2 O (g ). 1 2 Observación: para que una reacción química tenga lugar, ésta absorbe o libera energía, según el caso. En las reacciones exotérmicas: R → P + Q, Q = ∆E < 0 y para las reacciones endotérmicas R + Q → P, Autor (JFGH) Q = ∆ E > 0. title Multiverse of Madness 13 / 41 Información de los ajustes Una reacción química ajustada o balanceada, que incluya además los estados físicos o de cada reactivo y producto, aporta una información crucial para el científico (químico, biólogo, físico, médico,. . . ). Esta información puede ser: Autor (JFGH) title Multiverse of Madness 14 / 41 Información de los ajustes(II) 1 2 3 4 5 Las fórmulas de los reactivos y productos, por lo que se identifica la naturaleza de la reacción química. Eso incluye tipo de compuesto o elemento o partícula(ion), y su carga eléctrica (en general se trabaja con reacciones químicas neutras, pero son importantes también las reacciones de transferencia de carga eléctrica, o procesos de oxidación-reducción). Número de átomos de cada elemento y especie química (partícula, ion) que interviene, así como su carga eléctrica. Número de moles de cada sustancia que intervienen en reactivos y productos. Volumen de reactivo y producto, en el caso de reacciones en las que intervienen gases. En reacciones gaseosas, se cumple la denominada Ley de Avogadro : “El mismo número de moles de gases diferentes, en las mismas condiciones de presión y temperatura, contienen el mismo número de partículas y tienen el mismo volumen”. Masas de reactivos y productos que intervienen, en virtud de la ley de Lavoisier. Autor (JFGH) title Multiverse of Madness 15 / 41 Ejemplo 2  Ajusta las siguientes reacciones químicas: C3 H8 (g ) + O2 (g ) → CO2 (g ) + H2 O ( l ) . Na (s ) + H2 O (l ) → NaOH (aq.) + H2 (g ). Fe (s ) + O2 (g ) → Fe2 O3 (s ). N2 (g ) + H2 (g ) → NH3 (g ). C4 H10 (g ) + O2 (g ) → CO2 (g ) + H2 O (g ). NO (g ) + O2 (g ) → N2 O5 (g ). Fe2 O3 (s ) + C (s ) → Fe (s ) + CO2 (g ). 1 2 3 4 5 6 7 Autor (JFGH) title Multiverse of Madness 16 / 41 Ejemplo 3  Para las reacciones anteriores: a) Calcular las masas molares de todos los compuestos presentes, y comprobar la ley de Lavoisier. Consulta la Tabla Periódica de tu libro o una en internet como www.ptable.com para hallar los valores de las masas molares atómicas y luego las masas moleculares molares. b) ¿Cuántos moles de átomos de cada elemento intervienen en las reacciones anteriores? ¿Cuántos átomos? ¿Cuántos moles de moléculas de cada sustancia intervienen? ¿Cuántas moléculas son? Ayuda: para relacionar los moles con los gramos de cada sustancia hay unas expresiones que usan la masa molar, y para relacionar los moles con el número de moléculas, hay que saber el número o constante de Avogadro (ver otros ejemplos) Autor (JFGH) title Multiverse of Madness 17 / 41 Tipos de reacciones químicas(I) Hay una cantidad enorme de reacciones químicas posibles. Sin embargo, hay unas categorías o tipos de reacciones químicas particulares que son importantes en las aplicaciones o muy frecuentes en la Naturaleza, al menos a escalas de nuestro planeta, la Tierra. Son las siguientes: Reacción de síntesis o de formación. Son aquellas reacciones en las que hay solamente una sustancia en los productos. Ejemplos: H 2 ( g ) + O2 ( l ) → H 2 O2 ( l ) 1 O2 (g ) → CaO (s ) 2 Reacción de descomposición o de desintegración o disociación. Son aquellas reacciones en las que solamente hay un reactivo, que da lugar a uno o varios productos. Ejemplos: Ca (s ) + N2 O4 (g ) → 2NO2 (g ) CaCO3 (s ) → CaO (s ) + CO2 (g ) Autor (JFGH) title Multiverse of Madness 18 / 41 Tipos de reacciones químicas(II) Reacción de desplazamiento. Aquella en la que se produce un cambio, y solo uno, de las partes o iones de reactivos entre sí. Ejemplo: 1 CaO (s ) + H2 (g ) → CaH2 (s ) + O2 (g ) 2 4FeS (s ) + 2O2 (g ) → 4FeO (s ) + S4 (s ) Reacción de doble desplazamiento o metátesis. Aquella en la que hay dos cambios en las partes de los iones de reactivos entre sí. Ejemplo: Ca (OH )2 (s ) + H2 S (aq.) + Autor (JFGH) H2 SO4 (l ) → CoO (s ) → title CaSO4 (s ) + CoH2 (s ) + 2H2 O (l ) SO (s ) Multiverse of Madness 19 / 41 Tipos de reacciones químicas(III) Un caso particular importante de las reacciones de doble desplazamiento son las que se producen por combinación de un ácido (sea hidrácido u oxoácido) con un hidróxido (llamado también base). Estas reacciones son llamadas reacciones ácido-base, y son importantes en Química, Física y la vida cotidiana (también en Bioquímica). Reacciones de combustión (u oxidación). Son aquellas reacciones que tienen lugar con la reacción de una sustancia con el oxígeno. Algo + O2 (g ) → Otra cosa. Ejemplos: C (s ) + O2 (g ) → CO2 (g ) 4Fe (s ) + 3O2 (g ) → 2Fe2 O3 (s ) CH4 (g ) + 2O2 (g ) → CO2 (g ) + 2H2 O (g ) La reacción de combustión de un compuesto de carbono e hidrógeno (hidrocarburo), un hidroxicarburo (carbono, hidrógeno y oxígeno), produce generalmente dióxido de carbono y agua en general. Autor (JFGH) title Multiverse of Madness 20 / 41 Tipos de reacciones químicas(IV) Reacciones de polimerización. Son aquellas reacciones que se forman por la adición o repetición de una unidad fundamental o monómero, en una unidad compuesta de varios llamada polímero: nX → Xn Ejemplos: 2NO2 → (NO2 )2 → N2 O4 , nCH2 → (CH2 )n . Reacciones de reducción-oxidación o de transferencia de carga (electrones/protones). Generalización de las reacciones de combustión (reducción). Autor (JFGH) title Multiverse of Madness 21 / 41 Contenido 1 Reacciones químicas 2 Moles y masa 3 Disoluciones Autor (JFGH) title Multiverse of Madness 22 / 41 Moles y masa(I) Moles y masa molar El número de moles (n) de una sustancia o especie química se calcular dividiendo la masa en gramos m(s ) entre la masa molar de dicha sustancia. Matemáticamente: n= m (g ) MM Uso: cuando me dan la masa en gramos y puedo calcular o me dan la masa molar de la sustancia. Uso(II): cuando me dan los moles y la masa molar, puedo calcular m(g ) = n · MM Autor (JFGH) title Multiverse of Madness 23 / 41 Moles y masa(II) NA ≈ 6,022 · 1023 partículas · mol −1 . Ecuaciones para el número de partículas y moles El número N de partículas de una sustancia es N = n · NA Uso: Calcular el número de partículas. Uso(II): Calcular el número de moles. n= Autor (JFGH) N NA title Multiverse of Madness 24 / 41 Moles y masa(III) Combinando los casos anteriores, podemos calcular la masa de un determinado número de partículas porque igualando m (g ) N = NA MM Por tanto, tendremos que Masa y número de partículas Para calcular la masa de un determinado número de partículas N , sabiendo la masa molar y el valor de la constante o número de Avogagro NA , se usa la expresión: m (g ) = Autor (JFGH) N · MM NA title Multiverse of Madness 25 / 41 Gases ideales y leyes en las reacciones Ecuación de estado del gas ideal Para todo gas ideal o perfecto, se cumple la ecuación PV = nRT Uso: Hallar el volumen conocida la presión P , la temperatura T , y los moles n, o bien calcular cualquiera de las 4 variables (P , V , n, T ), conocidas 3 de ellas. R = 0,082atm · L · K −1 · mol −1 En unidades del S.I.: R = 8,31J · K −1 · mol −1 . Comentario: R = kB · NA Autor (JFGH) title Multiverse of Madness 26 / 41 Recuerda 1atm = 760mmHg = 1013mb = 101300Pa = 1013hPa. Recuerda(II): T (K ) = T (◦ C ) + 273. Recuerda(III): kB = 1,38 · 10−23 J · K −1 . Recuerda(IV): 1u = 1g /mol es la antigua unidad de masa atómica, también llamada dalton, con símbolo, Da. Usando el número de Avogadro, se puede probar que 1u ≈ 1,66 · 10−24 g = 1u = Autor (JFGH) 1g 1mol = 1, 66 · 10−27 kg 23 mol 6, 022 · 10 1 m(12 C ) = 1 Da 12 title Multiverse of Madness 27 / 41 Mnemotecnia(I) Mnemotecnia: PaVo=RaTón. O también, frases como Pues Vale, no Recuerdo Todo Poderes Valiosos (Venusianos) no Requieren Telequinesis (Teletransportación) o cualquier otra que produzca vuestra imaginación. Autor (JFGH) title Multiverse of Madness 28 / 41 Mnemotecnia(II) Mnemotecnia(II): un mol de gas ideal o perfecto en condiciones normales (c.n.), está a presión P = 1atm. y temperatura T = 0◦ C = 273 K . Usando la ecuación de estado del gas ideal PV = nRT se deduce que un mol de cualquier gas ideal en c.n. ocupa 22,396L ≈ 22,4L . Similarmente, un mol de gas ideal o perfecto en condiciones estándar (c.e.), está a presión P = 1atm. y temperatura T = 25◦ C = 298 K . Un mol de cualquier gas ideal en c.e. ocupa aproximadamente 24,4L de volumen. En condiciones que no sean normales o estándar, se usa la ecuación del gas ideal, aunque también puede usarse en cualesquiera circunstancia, siempre que sea un gas ideal. Existen gases que no cumplen la ecuación de los gases ideales o perfecto. Los gases reales siguen la ecuación de Van der Waals an2 P + 2 (V − nb ) = nRT V ! y algunos fluidos exóticos la ecuación del gas de Chaplygin P=− Autor (JFGH) title A ρα Multiverse of Madness 29 / 41 Contenido 1 Reacciones químicas 2 Moles y masa 3 Disoluciones Autor (JFGH) title Multiverse of Madness 30 / 41 Disoluciones(Repaso) Las disoluciones son mezclas homogéneas con un soluto y disolvente. La concentración es la medida de cuánto soluto hay en la disolución. Hay varias formas de medir la concentración Gramos por litro Si simplemente dividimos la masa en gramos de soluto Ms entre el volumen en litros de disolución V , tenemos la concentración de una disolución en g /L (ó g /mL u otras unidades) C (g /L ) = Autor (JFGH) Ms (g ) Masa en gramos de soluto = Volumen en litros de disolución V (L ) title Multiverse of Madness 31 / 41 Disoluciones(Repaso 2) Porcentaje en masa y volumen Si conocemos la masa de soluto y disolvente Ms , Md , o el volumen de soluto y disolvente Vs , Vd , conocemos la masa total y el volumen total de disolución m = Ms + Md , y V = Vs + Vd . Entonces definimos la concentración en porcentaje de masa y volumen como sigue: C ( %, m) = Masa de soluto Ms · 100 = · 100 m Masa de disolución y donde la masa de soluto y disolvente está en las mismas unidades, generalmente en gramos en Química. C ( %, V ) = Autor (JFGH) Volumen de soluto Vs · 100 = · 100 V Volumen de disolución title Multiverse of Madness 32 / 41 Disoluciones (Repaso 3) Molaridad y molalidad En Química, es frecuente trabajar con moles, por lo que hay varias formas de dar la concentración con moles. La más frecuente es la molaridad M que mide los moles por litro (partido por litro, L) de disolución M = mol /L : M= ns Moles de soluto = Volumen de disolución en litros Vd ( L ) La otra medida de concentración molar es la llamada molalidad m: m= Autor (JFGH) ns Moles de soluto = Masa en kg de disolvente Md (kg ) title Multiverse of Madness 33 / 41 Disoluciones: otras medidas de concentración Fracción molar La fracción molar Xi (sin unidades) de una especie química o compuesto/sustancia i es igual al número de moles de la sustancia i (ni ) entre el número de moles totales nt : Xi = ni nt Si solamente hay un soluto y un disolvente, las fracciones molares de soluto Xs y disolvente Xd satisfacen las ecuaciones: Xs = ns nt Autor (JFGH) Xd = nd nt nt = ns +nd title Xs + Xd = 1 Multiverse of Madness 34 / 41 Usos de fórmulas ¿Cuándo se usan unas formas de concentración y cuándo otras? Depende del contexto y la situación. En industria alimentaria, y otras áreas, se prefiere los tantos por ciento en masa y volumen o el g/L (ó g /mL ). En Química, es más habitual usar la molaridad y la fracción molar, en menor medida la molalidad. Recuerda: no confundir concentración con densidad. La densidad mide la masa total (no solamente la de soluto) en un volumen m d= V La densidad se mide en kg · m−3 o en g /cm3 (g /c .c .) Autor (JFGH) title Multiverse of Madness 35 / 41 Ejemplo(I) Ejemplo 1. Cálculos químicos. Calculando masas molares de moléculas. Para hallar la masa molar MM en g /mol = g · mol −1 de cualquier sustancia, hay que sumar la masa atómica de todos los átomos presentes en la sustancia. Generalmente, 1g /mol es equivalente a la antigua unidad llamada u, unidad de masa atómica. Hallar la masa molar del H2 , H2 O , CO2 , S4 , SO2 , SO3 , NaOH , Ca (OH )2 , Ca3 (PO4 )2 , si las masas atómicas de los átomos necesarios son, en g /mol , H = 1, O = 16, S = 32, C = 12, Na = 23, Ca = 40, P = 31. Solución: H2 : 2M (H ) = 2g /mol . H2 O = 2MM (H ) + 1MM (O ) = 18g /mol . CO2 = MM (C ) + 2MM (O ) = 12 + 32 = 44g /mol . S4 = 4MM (S ) = 128g /mol . SO2 = 2MM (O ) + 1MM (S ) = 32 + 64 = 96g /mol . SO3 = 32 + 3(16) = 32 + 48 = 80g /mol . NaOH = 23 + 16 + 1 = 40g /mol . Ca (OH )2 = 40 + 2(MM (O ) + MM (H )) = 40 + 2(17) = 74g /mol . MM (Ca3 (PO4 )2 ) = 3(40) + 2(31 + 64) = 120 + 2(95) = 120 + 190 = 310g /mol . Autor (JFGH) title Multiverse of Madness 36 / 41 Ejemplo(II) Ejemplo 2. Sea la reacción ajustada: 2CO (g ) + O2 (g ) → 2CO2 (g ) a) Calcula la masa molar de los reactivos y productos: Solución: CO = 28g /mol , O2 = 32g /mol , CO2 = 44g /mol . b) Comprueba la ley de Lavoisier para la reacción ajustada. c) Si la reacción tiene lugar en c.n., ¿qué cantidad de oxígeno en moles, gramos, y litros se necesitan para reaccionar completamente con 56 gramos de CO?¿Cuántos moles, gramos y litros de dióxido se producen? d) ¿Cuántas moléculas y átomos de cada tipo son las cantidades halladas en c) en c.n.?¿Cambiarían en c.n.? Autor (JFGH) title Multiverse of Madness 37 / 41 Ejemplo(II): Solución 56g 1mol CO = 2mol CO 28g 2mol CO 1mol O2 = 1mol O2 2molCO Como estamos en c.n., 1 mol de O2 son 22.4L, y 2 mol de CO son 44.8L. Se producirán 2 moles de dióxido, 44.8L también. En condiciones estándar, no cambian los moles ni la masa, pero sí el volumen, ...Se obtendrían 24.4 L de O2 , y se tienen el doble de litros de CO , CO2 , es decir, 48.8L. En términos de masa, 2 moles de CO2 son 44x2=88 gramos. 1 mol de oxígeno son 32 gramos. En cuanto a las partículas, habría que usar la fórmula N = nNA , para las moléculas, y multiplicar por el número de átomos de cada uno, en cada caso. Así, se obtienen: 2 mol de CO o de CO2 son 2NA = 1, 2 · 1024 moléculas. 1 mol de O2 son NA = 6,022 · 1023 moléculas. En total habrá 2 moles de átomos de carbono, y 3 moles de átomos de oxígeno en total, que multiplicado por el número de Avogadro darán el número de partículas de los mismos. Autor (JFGH) title Multiverse of Madness 38 / 41 Ejemplo(III)  Para la reacción de combustión del octano: C8 H18 (l ) + O2 (g ) → CO2 (g ) + H2 O ( l ) a) Ajusta la reacción y calcula las masas molares de reactivos y productos. b) ¿Qué cantidad de octano reaccionará exacta y completamente con 89.6 L de oxígeno? ¿Qué cantidades de dióxido de carbono y agua se obtienen en c.n.?¿Y en c.e.?¿Y a P = 1,5atm y T = 300K ? c) Halla el número de moléculas y átomos de cada tipo en b). Autor (JFGH) title Multiverse of Madness 39 / 41 Ejemplo(IV) Una compañía sintetiza el ALON o aluminio transparente (compuesto anticipado por la película Star Trek(IV): the voyage home), mediante la reacción: Al (s ) + O2 (g ) + N2 (g ) → Al23 O27 N5 a) Ajusta la reacción y calcula la masa molar del aluminio transparente (único producto de la reacción). Datos: Al = 27g /mol, O = 16g /mol, N = 14g /mol. b) Determina los gramos de aluminio necesarios, y el volumen en c.e. de oxígeno y nitrógeno necesarios, para producir una tonelada de aluminio transparente Al23 O27 N5 . c) ¿Cuántos moles de átomos hay de cada tipo en 1 tonelada de aluminio transparente? Autor (JFGH) title Multiverse of Madness 40 / 41 Gracias por vuestra atención Figura 2: Sylvie is pleased! Figura 1: Loki is pleased! Autor (JFGH) title Multiverse of Madness 41 / 41