CONCEPTOS SOBRE ESTEQUIOMETRÍA

Es el estudio de las relaciones numéricas relativas a la composición de lamateria y sus transformaciones. −−−−−−−−−−−LEY DE LA CONSERVACIÓN DE LA MATERIA: en toda reacción química la suma delos pesos de los reactivos será igual a la suma de los pesos de losproductos obtenidos, es decir, no habrá cambio detectable en la masa(Antoine Lavoisier). −−−−−−−−FÓRMULA: es la representación escrita de un compuesto, indica loselementos y el número de átomos que constituyen cada una de susmoléculas. −−−−−−−ÁTOMO−GRAMOS: es la cantidad en gramos de un elemento, numéricamenteigual al peso atómico. −−−−−−−−−−−−−−NÚMERO DE AVOGADRO: es el número de unidades o partículas contenidas enun átomo−gramo, ion−gramo o una molécula de cualquier substancia. −−−−−−−−MOL: es la cantidad de una substancia que contiene el número de Avogadrode unidades elementales. Éste equivale 6.023 x 10 23 partículas.MASA MOLECULAR: es la suma de las masas (pesos atómicos) de los elementosque constituyen una molécula.VOLUMEN−GRAMOS: es el volumen de 22.4 litros que ocupa un mol decualquier gas en condiciones normales o ideales de presión y temperatura.Dichas condiciones se designan con las siglas NTP y

EXPERIMENTO No. 3

ESTEQUIOMETRIA DETERMINACION DEL PORCIENTO EN PESO

Objetivos• Antecedentes• Parte Experimental• Reporte del Experimento• Investigación•

Volver al Inicio

OBJETIVOS

Al término de la sesión y como resultado de las actividades desarrolladas durante el experimento, el alumno:

1. Escribirá las ecuaciones químicas que representan a las reacciones de los experimentos realizados.

2. Determinará las relaciones molares y/o másicas estequiométricas de una reacción química.

3. Definirá cual es la función de un catalizador en una reacción química.

4. Calculará el porciento en peso de cada uno de los componentes constituyentes de una mezcla.

Volver al Inicio

ANTECEDENTES

1

Los cálculos estequiométricos se basan en las relaciones fijas que hay entre las especies (átomos, iones,moleculas) involucradas en las reacciones químicas. Estas relaciones son expresadas por medio de fómulas yecuaciones químicas. Una fórmula expresa las relaciones atómicas de los elementos que forman loscompuestos.

Una ecuación química balanceada nos proporcionará las relaciones molares y másicas entre reactivos yproductos.

En una reacción no hay pérdida de masa; como consecuencia, una ecuación química balanceada se asocia a unbalance de materia (masa de reactivos = masa de productos). En este experimento se investigará laestequiometría de la descomposición térmica del clorato de potasio y se usarán los resultados para analizaruna mezcla de KBrO3 − KBr. El KBrO3 es un sólido blanco de gran poder oxidante y se prepara de acuerdocon la siguiente reacción:

3Cl2 + 6KOH (ac) KBrO3 (ac) + 5KBr (ac) + 3H2O

El bromato de potasio se descompone, a una temperatura ligeramente superior a su punto de fusión, en clorurode potasio y oxígeno.

2 KBrO3 2KBr + 3O2

Dicho catalizador no experimenta cambios durante la reacción, por lo cual no aparece en la ecuaciónestequiométrica de la reacción.

NOTA: Los cloratos son productos químicos peligrosos que explotan, frecuentemente, en presencia deimpurezas. Se aconseja al estudiante, solo calentar sustancias cuando se le den instrucciones para ello, y jamáscalentarlas en recipientes cerrados.

Volver al Inicio

PARTE EXPERIMENTAL

MATERIAL REACTIVOS

2 Tubos de ensaye 20 x 200 mm.

1 Pinza para tubos de ensaye Clorato de potasio KBrO3

1 Vaso de precipitados de 250 mL Mezcla problema(KBrO3− KBr)

1 mechero Bunsen

1 Balanza granataria

1 Espátula

PROCEDIMIENTO:

1.− Relaciones estequiométricas en una reacción química.

b) Pese un tubo de ensayo seco de 20 x 200 mm .

c) Añada exactamente 2.0 g de clorato de potasio y pese de nuevo. Para no tocar el tubo con las manos, usepinzas.

d)Mezcle perfectamente las 2 sustancias, agitando el tubo con cuidado para evitar cualquier pérdida dematerial.

2

e) Caliente ligeramente al principio, moviendo el tubo procurando no dirigir la boca del tubo a ningunapersona, cuando el sólido se funda (lo cual ocurre rápidamente) aumente la temperatura de calentamiento ycontinúe calentando durante 5 minutos el sólido formado.

f) Retire el tubo de la llama, colóquelo sobre una superficie no combustible y déjelo enfriar a temperaturaambiente.

g) Una vez frío péselo con toda exactitud.

h) Repita los pasos e y f hasta obtener un peso final constante.

i) Anote sus observaciones y resultados en su diario.

2.− COMPOSICION EN PESO DE UNA MEZCLA

a) Solicite al instructor una mezcla problema de bromato de potasio−bromuro de potasio.

b) Añada a un tubo de ensayo seco exactamente 2 gramos de la mezcla problema.

agite con cuidado para que se mezclen las 2 sustancias.

d) Pese el tubo con su contenido.

e) Repita los pasos e, f, g, h, i, del procedimiento anterior.

NOTAS:

1. UTILICE SIEMPRE LA MISMA BALANZA para hacer todas sus pesadas.

2. Escriba cuidadosamente todos los datos de las pesadas que realice.

3. NO se DEBE PESAR ningún material SI ESTA CALIENTE. Deje enfriar a temperatura ambiente antes depesar.

4. Incluya TODOS sus cálculos, la ecuación balanceada de la reacción correspondiente y todas susobservaciones en el reporte.

Volver al Inicio

REPORTE DEL EXPERIMENTO No. 3

1.1. Escriba la ecuación balanceada para la reacción que se lleva a cabo al calentar bromato de potasio.

1.2. En base a sus observaciones y resultados del procedimiento 1 complete lo siguiente:

1. Peso del tubo = _______________

2. Peso del tubo + KBrO3 = _______________

3. Peso del tubo después del 1er. calentamiento: _______________

4. Peso del tubo después del 2do.calentamiento: _______________

5. Peso del tubo después del 3er. calentamiento: _______________

6. Peso inicial del bromato de potasio: _______________

3

(Peso del tubo + KBrO3) − (Peso del tubo) =

7. Peso del bromuro de potasio:

(Peso constante resultante) − (Peso del tubo) =_______________

8. Peso del oxígeno desprendido:

(Peso del tubo + KBrO3) − (Peso

constante) =

_______________

9. Número de moles de bromuro de potasio

producidos_______________

10. Número de moles de oxígeno desprendido. _______________

11. % en peso del oxígeno desprendido _______________

2.1. En base a sus observaciones y resultados del procedimiento 2 complete lo siguiente.

1. Peso del tubo _______________

2. Peso del tubo + mezcla problema _______________

3. Peso del tubo después del 1er. calentamiento _______________

4. Peso del tubo después del 2do. calentamiento _______________

5. Peso del tubo después del 3er. calentamiento _______________

6. Peso del oxígeno desprendido:

(Peso No. 2 − Peso No. 5) =_______________

7. Peso de la mezcla problema:

(Peso No. 2 − Peso No. 1) =_______________

8. Peso del residuo:

(Peso constante − Peso No. 1) =_______________

9. Peso del oxígeno desprendido, calcule el peso de bromato de potasio en la mezcla

según la estequiometría de la reacción de descomposición.

10. Calcule el Peso de KBr proveniente del bromato de potasio según la

estequiometría de la reacción.

11.Calcule el Peso del KBr original = Peso No. 8 − Peso No. 10 =

12. Calcule el % de KBr y el % de bromato de potasio en la Mezcla Problema

Volver al Inicio

INVESTIGACION

4

1.− Explique la diferencia, entre reacción química y ecuación química.

2.− ¿Porqué se dice que una reacción química cumple con la ley de la conservación de la materia?

3.− ¿Qué es una catalizador? Dé 3 ejemplos de reacciones químicas que utilicen uno.

4.− En el compuesto CaCl2 . 2H2O, calcule el porcentaje de:

a) Agua

b) Oxígeno

c) Hidrógeno

5.− Si se debe producir un mol de oxígeno por descomposición del bromato de potasio.

a) ¿Qué peso del bromato debe usarse?

b) ¿Cuántos moles se forman del producto sólido?

6.− Encontrar el peso de oxígeno que se desprende si se descomponen por el calor 5.0 g de bromato depotasio. ¿Qué porciento de oxígeno se libera del bromato de potasio?

2 H2 + O2 −−−−−−−−−− 2 H2O4 g 32 g 36 gAplicamos la proporción indicada en el párrafo anterior.Para reaccionar 64 g de O2 necesitamos 8 g de H2 y tenemos 10 g de H2, por lo que este reactivo está enexceso, en concreto 2 g. Con 64 g de O2 obtendremos 72 g de H2O.

ESTEQUIOMETRÍA

1) Calcular la masa molecular de las siguientes sustancias:

a− H2O b− H2 c− Cl2 d− NaCl e− NH4Cr2O7 5 H2O

f− K2Cr2O7 g− H2SO4 h− HNO3

2) Calcular la masa de 3 y 5 moles de molécula de:

a− H2O2 b− Cl2 c− NaF d− K2O e− HNO2 f− Ca(OH)2

g− Fe2O3 h− FeO i− Fe(OH)3 j− NH3 k− PH3

3) A cuántos moles de molécula equivalen las siguientes masas moleculares:

a− 5 g de H2O b− 4 g de CuO c − 10 g de C6H6

d− 68 g de HCl e− 40 g de HF f− 40 g de C6H5−−CH3

4) ¿Cuántas moléculas hay en los gramos indicados para c/u de los compuestos del ejerc. 3 ?

5

5) Calcular la composición centesimal de las siguientes sustancias:

a− NaCl b− Al2O3 c− C3H6O2 d− Fe(OH)2

6) Calcular el porcentaje de calcio en:

a− CaO b− Ca(OH)2 c− CaCO3

7) Cuántos átomos de azufre hay en:

a− 98 g de H2SO4

b− 17 g de H2S

c− 128 g de SO2

d− 40 g de FeS

8) Cuántas moléculas hay en:

a− 160 g de Fe2O3

b− 98 g de Cu(OH)2

c− 39 g de Na2S

d− 126 g de HNO3

9) Calcular la fórmula molecular de una sustancia que tiene la siguiente composición centesimal:

Na= 74,19% O= 25,81% y m.m.r.= 62 g

10) Calcular la fórmula molecular de una sustancia que tiene la siguiente composición centesimal:

H= 2,04% S= 32,65% O= 65,31% y m.m.r.= 98 g

11) Equilibrar las siguientes ecuaciones químicas:

a− ___ Fe + ___ O2 −−−−−> ___ FeO

b− ___ Fe + ___ O2 −−−−−> ___ Fe2O3

c− ___ Cu + ___ O2 −−−−−> ___ Cu2O

d− ___ S + ___ O2 −−−−−> ___ SO2

e− ___ Cl2 + ___ O2 −−−−−> ___ Cl2O5

f− ___ Mn + ___ O2 −−−−−> ___ MnO3

g− ___ I2 + ___ O2 −−−−−> ___ I2O7

h− ___ FeO + ___ H2O −−−−−> ___ Fe(OH)2

i− ___ Fe2O3 + ___ H2O −−−−−> ___ Fe(OH)3

j− ___ Li2O + ___ H2O −−−−−> ___ LiOH

k− ___ Cl2O + ___ H2O −−−−−> ___ HClO

l− ___ Cl2O3 + ___ H2O −−−−−> ___ HClO2

ll− ___ Cl2O5 + ___ H2O −−−−−> ___ HClO3

m− ___ Cl2O7 + ___ H2O −−−−−> ___ HClO4

n− ___ SO2 + ___ H2O −−−−−> ___ H2SO3

6

ñ− ___ SO3 + ___ H2O −−−−−> ___ H2SO4

o− ___ HClO3 + ___ NaOH −−−−−> ___ NaClO3 + ___ H2O

p− ___ HNO3 + ___ Ca(OH)2 −−−−−> ___ Ca(NO3)2 + ___ H2O

q− ___ H2CO3 + ___ NaOH −−−−−> ___ Na2CO3 + ___ H2O

12) La siguiente ecuación química (ya equilibrada) representa la reacción química para obtener AGUA, apartir de Hidrógeno y Oxígeno:

2 H2 + O2 −−−−> 2 H2O

a− Indicar, que cantidad de agua se obtiene, expresando dicha cantidad en gramos.

b− Sí para obtener agua, hacemos reaccionar 4 g de Hidrógeno y 38 g de Oxígeno:

Indicar, cuál es el reactivo limitante

Indicar, cuál es el reactivo en exceso y por cuánto

Indicar, qué cantidad de agua se forma (expresarla en gramos)

13) Dada la siguiente ecuación química, que representa la reacción química para la obtención de hidróxidoférrico:

Fe2O3 + H2O −−−−> ___ Fe(OH)3

Equilibrar la ecuación

Calcular los gramos de c/u de las sustancias que participan de la reacción

¿ Cuántos gramos de Fe2O3 y H2O se necesitan para obtener 180 g de Fe(OH)3 ?

ESTEQUIOMETRÍA

1) Calcular la masa molecular de las siguientes sustancias:

a− H2O b− H2 c− Cl2 d− NaCl e− NH4Cr2O7 5 H2O

f− K2Cr2O7 g− H2SO4 h− HNO3

2) Calcular la masa de 3 y 5 moles de molécula de:

a− H2O2 b− Cl2 c− NaF d− K2O e− HNO2 f− Ca(OH)2

g− Fe2O3 h− FeO i− Fe(OH)3 j− NH3 k− PH3

3) A cuántos moles de molécula equivalen las siguientes masas moleculares:

a− 5 g de H2O b− 4 g de CuO c − 10 g de C6H6

d− 68 g de HCl e− 40 g de HF f− 40 g de C6H5−−CH3

7

4) ¿Cuántas moléculas hay en los gramos indicados para c/u de los compuestos del ejerc. 3 ?

5) Calcular la composición centesimal de las siguientes sustancias:

a− NaCl b− Al2O3 c− C3H6O2 d− Fe(OH)2

6) Calcular el porcentaje de calcio en:

a− CaO b− Ca(OH)2 c− CaCO3

7) Cuántos átomos de azufre hay en:

a− 98 g de H2SO4

b− 17 g de H2S

c− 128 g de SO2

d− 40 g de FeS

8) Cuántas moléculas hay en:

a− 160 g de Fe2O3

b− 98 g de Cu(OH)2

c− 39 g de Na2S

d− 126 g de HNO3

9) Calcular la fórmula molecular de una sustancia que tiene la siguiente composición centesimal:

Na= 74,19% O= 25,81% y m.m.r.= 62 g

10) Calcular la fórmula molecular de una sustancia que tiene la siguiente composición centesimal:

H= 2,04% S= 32,65% O= 65,31% y m.m.r.= 98 g

11) Equilibrar las siguientes ecuaciones químicas:

a− ___ Fe + ___ O2 −−−−−> ___ FeO

b− ___ Fe + ___ O2 −−−−−> ___ Fe2O3

c− ___ Cu + ___ O2 −−−−−> ___ Cu2O

d− ___ S + ___ O2 −−−−−> ___ SO2

e− ___ Cl2 + ___ O2 −−−−−> ___ Cl2O5

f− ___ Mn + ___ O2 −−−−−> ___ MnO3

g− ___ I2 + ___ O2 −−−−−> ___ I2O7

h− ___ FeO + ___ H2O −−−−−> ___ Fe(OH)2

i− ___ Fe2O3 + ___ H2O −−−−−> ___ Fe(OH)3

j− ___ Li2O + ___ H2O −−−−−> ___ LiOH

k− ___ Cl2O + ___ H2O −−−−−> ___ HClO

l− ___ Cl2O3 + ___ H2O −−−−−> ___ HClO2

ll− ___ Cl2O5 + ___ H2O −−−−−> ___ HClO3

m− ___ Cl2O7 + ___ H2O −−−−−> ___ HClO4

8

n− ___ SO2 + ___ H2O −−−−−> ___ H2SO3

ñ− ___ SO3 + ___ H2O −−−−−> ___ H2SO4

o− ___ HClO3 + ___ NaOH −−−−−> ___ NaClO3 + ___ H2O

p− ___ HNO3 + ___ Ca(OH)2 −−−−−> ___ Ca(NO3)2 + ___ H2O

q− ___ H2CO3 + ___ NaOH −−−−−> ___ Na2CO3 + ___ H2O

12) La siguiente ecuación química (ya equilibrada) representa la reacción química para obtener AGUA, apartir de Hidrógeno y Oxígeno:

2 H2 + O2 −−−−> 2 H2O

a− Indicar, que cantidad de agua se obtiene, expresando dicha cantidad en gramos.

b− Sí para obtener agua, hacemos reaccionar 4 g de Hidrógeno y 38 g de Oxígeno:

Indicar, cuál es el reactivo limitante

Indicar, cuál es el reactivo en exceso y por cuánto

Indicar, qué cantidad de agua se forma (expresarla en gramos)

13) Dada la siguiente ecuación química, que representa la reacción química para la obtención de hidróxidoférrico:

Fe2O3 + H2O −−−−> ___ Fe(OH)3

Equilibrar la ecuación

Calcular los gramos de c/u de las sustancias que participan de la reacción

¿ Cuántos gramos de Fe2O3 y H2O se necesitan para obtener 180 g de Fe(OH)3 ?

3.2.− Ecuaciones químicas.

Las reacciones químicas son representadas por las ecuaciones químicas.•

Reactivos Productos

De acuerdo con la ley de la conservación de la masa, las ecuaciones químicas deben serbalanceadas. El número de átomos de cada elemento en los reactivos y en los productos debe serel mismo.

•

Ejemplo: Sulfuro de hierro (II) reacciona con oxígeno molecular, produciendo óxido de hierro (III) y dióxidode azufre.

Pasos de resolución:

1.−Identifique todos los reactivos y productos y se escriben sus fórmulas correctas del lado izquierdo yderecho de la ecuación.

2.− Verifique que todos los elementos aparezcan en los dos lados de la ecuación y busque el elemento que

9

tiene mayor subíndice. Se busca al lado opuesto donde se repite y se multiplica por un coeficiente para igualarel número de especies de este elemento. Se continúa con el elemento que acompaña al primero.

(2)(3) (6) (1) (5) (4)(5)

Se procede a multiplicar la ecuación por un coeficiente mínimo para eliminar coeficientes fraccionarios deespecies (2 en el ejemplo). La ecuación balanceada queda:

3.− Verifique que la ecuación balanceada contenga el mismo número de átomos de cada tipo en ambos ladosde la flecha.

Para volver al menú principal

3.2.− Ecuaciones químicas.

Las reacciones químicas son representadas por las ecuaciones químicas.•

Reactivos Productos

De acuerdo con la ley de la conservación de la masa, las ecuaciones químicas deben serbalanceadas. El número de átomos de cada elemento en los reactivos y en los productos debe serel mismo.

•

Ejemplo: Sulfuro de hierro (II) reacciona con oxígeno molecular, produciendo óxido de hierro (III) y dióxidode azufre.

Pasos de resolución:

1.−Identifique todos los reactivos y productos y se escriben sus fórmulas correctas del lado izquierdo yderecho de la ecuación.

2.− Verifique que todos los elementos aparezcan en los dos lados de la ecuación y busque el elemento quetiene mayor subíndice. Se busca al lado opuesto donde se repite y se multiplica por un coeficiente para igualarel número de especies de este elemento. Se continúa con el elemento que acompaña al primero.

(2)(3) (6) (1) (5) (4)(5)

Se procede a multiplicar la ecuación por un coeficiente mínimo para eliminar coeficientes fraccionarios deespecies (2 en el ejemplo). La ecuación balanceada queda:

3.− Verifique que la ecuación balanceada contenga el mismo número de átomos de cada tipo en ambos ladosde la flecha.

Para volver al menú principal

Reacciones químicas

La Mol

Pesos atómicos y moleculares

10

La escala de masa atómica

Masa atómica promedio

Masa Molar

Composición porcentual a partir de las fórmulas

Interconversión entre masas, moles y número de partículas

Fórmulas empíricas a partir del análisis

Fórmula molecular a partir de la fórmula empírica

Combustión en aire

Análisis de combustión

Estequiometría

Ecuaciones químicas

Reactividad química, uso de la tabla periódica

Balanceo de ecuaciones químicas

Tipos de reacciones químicas

Reacciones de descomposición

Reacciones de adición

Reacciones de desplazamiento

Reacciones de metátesis

Reacciones de precipitación

Reacciones de dismutación

Reacciones de substitución

Reacciones Redox o de óxido reducción

Oxidación y reducción

Ecuaciones iónicas

Estequiometría

Definición

11

Las etapas esenciales

Cálculos de moles

Conversión de moles a gramos:

Cálculos de masa

Reactivo limitante

Rendimiento teórico

Reacciones acuosas y química de las disoluciones

Composición de una disolución

Algunas propiedades de las disoluciones

Electrolíticas

No electrolíticas

Concentración de las disoluciones

Convenciones de concentración

Fracción en peso

Por ciento en peso

Partes por millón

Fracción molar

Molaridad

Normalidad

% en Volumen

Molalidad

Transformaciones

Molalidad a fracción mole

Molalidad a molaridad

Preparación de disoluciones

Dilución:

12

Estequiometría de disoluciones

¿Cuál es la concentración del agua?

Titulaciones

Descripción de una titulación

Reacciones químicas

La Mol

Hasta las cantidades más pequeñas de una sustancia tienen un número monstruosamente grande de átomos.

Resulta entonces muy conveniente tener alguna clase de referencia para una colección de un número muygrande de objetos, (por ejemplo una docena se refiere a una colección de 12 objetos y una gruesa a unacolección de 144 objetos).

En química usamos una unidad llamada mol.

Una mol se define como la cantidad de materia que tiene tantos objetos como el número de átomos que hay enexactamente en 12 gramos de 12C.

Por medio de varios experimentos, se ha demostrado que este número es...

6.0221367 x 1023

El cual normalmente se abrevia simplemente como 6.02 x 1023, y se conoce con el nombre de número deAvogadro.

Una mol de átomos, carcachas, cucarachas, canicas, centavos, gente, etc. tiene 6.02 x 1023 estos objetos.

¿Pero que tan grande es este número?

Si pusiéramos una mol de canicas muy cuidadosamente en la superficie de la tierra de manera que quedaranmuy bien acomodadas ocupando la mayor superficie posible, daría como resultado una capa deaproximadamente cinco kilómetros de espesor.

Pesos atómicos y moleculares

Los subíndices en las fórmulas químicas representan cantidades exactas.

El H2O, por ejemplo, indica que una molécula de agua está compuesta exactamente por dos átomos dehidrógeno y uno de oxígeno.

Tomando en consideración que contar a los átomos o a las moléculas de a uno en uno es un poco difícil, todoslos aspectos cuantitativos de la química descansan en conocer las masas de los compuestos estudiados.

La escala de masa atómica

Los átomos de elementos diferentes tienen masas diferentes.

13

Los trabajos hechos en el S. XIX donde se separaba el agua en sus elementos constituyentes (hidrógeno yoxígeno) indicaban que 100 gramos de agua contenían 11.1 gramos de hidrógeno y 88.9 gramos oxígeno:

Un poco más tarde los químicos descubrieron que el agua estaba constituida por dos átomos de H por cadaátomo de O.

Por tanto, al analizar la reacción de arriba, nos encontramos que en los 11.1 g de Hidrógeno hay el doble deátomos que en 88.9 g de Oxígeno.

De manera que 1 átomo de O debe pesar alrededor de 16 veces más que 1 átomo de H:

Si ahora, al H (el elemento más ligero de todos), le asignamos una masa relativa de1 y a los demás elementosles asignamos masas atómicas relativas a este valor, es fácil entender que al O debemos asignarle masaatómica de 16.

Sabemos también que un átomo de hidrógeno, tiene una masa de 1.6735 x 10−24 gramos, que el átomo deoxígeno tiene una masa de 2.6561 X 10−23 gramos.

Si ahora en vez de los valores en gramos usamos la unidad de masa atómica (UMA) veremos que será muyconveniente para trabajar con números tan pequeños. Recuerden que la unidad de masa atómica uma no senormalizó respecto al hidrógeno sino respecto al isótopo 12C del carbono (uma = 12).

Entonces, la masa de un átomo de hidrógeno (1H) es de 1.0080 uma, y la masa de un átomo de oxígeno (16O)es de 15.995 uma.

Una vez que hemos determinado las masas de todos los átomos, se puede asignar un valor correcto a las uma:

1 uma = 1.66054 x 10−24 gramos

y al revés:

1 gramo = 6.02214 x 1023 uma

Masa atómica promedio

Ya hemos visto que la mayoría de los elementos se presentan en la naturaleza como una mezcla de isótopos(es decir, poblaciones de átomos con diferente número de neutrones y por ello diferente masa).

Podemos calcular la masa atómica promedio de un elemento, si sabemos la masa y también la abundanciarelativa de cada isótopo.

Ejemplo: El carbono natural es una mezcla de tres isótopos, 98.892% de 12C y 1.108% de 13C y una cantidaddespreciable de 14C.

Por lo tanto, la masa atómica promedio del carbono será:

(0.98892)*(12 uma) + (0.01108)*(13.00335 uma) = 12.011 uma

La masa atómica promedio de cada elemento se le conoce como peso atómico. Estos son los valores que sereportan en las tablas periódicas.

Masa Molar

14

Un átomo de 12C tiene una masa de 12 uma.

Un átomo de 24Mg tiene una masa de 24 uma, o lo que es lo mismo, el doble de la masa de un átomo de 12C.

Entonces, una mol de átomos de 24Mg deberá tener el doble de la masa de una mol de átomos de 12C.

Dado que por definición una mol de átomos de 12C pesa 12 gramos, una mol de átomos de 24Mg debe pesar24 gramos.

Nótese que la masa de un átomo unidades de masa atómica (uma) es numéricamente equivalente a la masa deuna mol de esos mismos átomos en gramos (g).

La masa en gramos de 1 mol de una sustancia se llama masa molar.

La masa molar (en gramos) de cualquier sustancia siempre es numéricamente igual a su peso fórmula (enuma).

Peso molecular y peso fórmula

El peso fórmula de una sustancia es la suma de los pesos atómicos de cada átomo en su fórmula química.

Por ejemplo, el agua (H2O) tiene el peso fórmula de:

2*(1.0079 uma) + 1*(15.9994 uma) = 18.01528 uma

Si una sustancia existe como moléculas aisladas (con los átomos que la componen unidos entre sí) entonces lafórmula química es la fórmula molecular y el peso fórmula es el peso molecular.

Una molécula de H2O pesa 18.0 uma; 1 mol de H2O pesa 18.0 gramos

Un par iónico NaCl pesa 58.5 uma; 1 mol de NaCl pesa 58.5 gramos

Por ejemplo, el carbono, el hidrógeno y el oxígeno pueden unirse para formar la molécula del azúcar glucosaque tiene la fórmula química C6H12O6.

Por lo tanto, el peso fórmula y el peso molecular de la glucosa será:

6*(12 uma) + 12*(1.00794 uma) + 6*(15.9994 uma) = 180.0 uma

Como las sustancias iónicas no forman enlaces químicos sino electrostáticos, no existen como moléculasaisladas, sin embargo, se asocian en proporciones discretas. Podemos describir sus pesos fórmula pero no suspesos moleculares. El peso fórmula del NaCl es:

23.0 uma + 35.5 uma = 58.5 uma

Composición porcentual a partir de las fórmulas

A veces al analizar una sustancia, es importante conocer el porcentaje en masa de cada uno de los elementosde un compuesto.

Usaremos de ejemplo al metano:

15

CH4

Peso fórmula y molecular:

1*(12.011 uma) + 4*(1.008) = 16.043 uma

%C = 1*(12.011 uma)/16.043 uma = 0.749 = 74.9%

%H = 4*(1.008 uma)/16.043 uma = 0.251 = 25.1%

Interconversión entre masas, moles y número de partículas

Es necesario rastrear las unidades en los cálculos de interconversión de masas a moles.

A esto lo conocemos formalmente con el rimbombante nombre de análisis dimensional.

Ejemplo

Oiga joven, traigame 1.5 moles de cloruro de calcio

Fórmula química del cloruro de calcio = CaCl2

Masa molecular del Ca = 40.078 uma

Masa molecular del Cl = 35.453 uma

Peso fórmula del

CaCl2 = (40.078) + 2(35.453) = 110.984 uma (Recuerda que es un compuesto iónico y no tiene pesomolecular).

De manera que, una mol de CaCl2 tendrá una masa de 110.984 gramos. Y entonces, 1.5 moles de CaCl2pesarán:

(1.5 mole)(110.984 gramos/mole) = 166.476 gramos

Ejemplo

¡Oiga, oiga joven! ¿Si tuviera 2.8 gramos de oro, cuántos átomos de oro tendría?"

Fórmula del oro: Au

Peso fórmula del Au = 196.9665 uma

Por lo tanto, 1 mol de oro pesa 196.9665 gramos.

De manera que, en 2.8 gramos de oro habrán:

(2.8 gramos)(1 mol/196.9665 gramos) = 0.0142 mol

Sabemos por medio del número de Avogadro que hay aproximadamente 6.02 x 1023 atomos/mole.

16

Por lo cual, en 0.0142 moles tendremos:

(0.0142 moles)(6.02x1023atomos/moles)=8.56x1021

átomos

Fórmulas empíricas a partir del análisis

Una fórmula empírica nos indica las proporciones relativas de los diferentes átomos de un compuesto.

Estas proporciones son ciertas también al nivel molar.

Entonces, el H2O tiene dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno.

De la misma manera, 1.0 mol de H2O está compuesta de 2.0 moles of hidrógeno y 1.0 mol de oxígeno.

También podemos trabajar en reversa (pero no como el Borras) a partir de las proporciones molares:

Si conocemos las cantidades molares de cada elemento en un compuesto, podemos determinar la fórmulaempírica.

El Mercurio forma un compuesto con el cloro que tiene 73.9% de mercurio y 26.1% de cloro en masa. ¿Cuáles su fórmula empírica? Digamos que tenemos una muestra de 100 gramos de este compuesto. Entonces lamuestra tendrá 73.9 gramos de mercurio y 26.1 gramos de cloro.

¿Cuántas moles de cada átomo representan las masas individuales? Para el mercurio:

(73.9 g)*(1 mol/200.59 g) = 0.368 moles

Para el cloro:

(26.1 g)*(1 mol/35.45 g) = 0.736 mol

¿Cuál es la proporción molar de los dos elementos?

( 0.736 mol Cl/0.368 mol Hg) = 2.0

Es decir, tenemos el doble de moles (o sea átomos) de Cl que de Hg. Fórmula empírica del compuesto sería:HgCl2

Fórmula molecular a partir de la fórmula empírica

La fórmula química de un compuesto obtenida por medio del análisis de sus elementos o de su composiciónsiempre será la fórmula empírica.

Para poder obtener la fórmula molecular necesitamos conocer el peso molecular del compuesto.

La fórmula química siempre será algún múltiplo entero de la fórmula empírica (es decir, múltiplos enteros delos subíndices de la fórmula empírica).

La Vitamina C (ácido ascórbico) tiene 40.92 % de C, 4.58 % de H, y 54.50 % de O, en masa.

17

El peso molecular de este compuesto es de 176 uma. ¿Cuáles serán su fórmula molecular o química y sufórmula empírica?

En 100 gramos de ácido ascórbico tendremos:

40.92 gramos C

4.58 gramos H

54.50 gramos O

Esto nos dirá cuantas moles hay de cada elemento así:

Para determinar la proporción simplemente dividimos entre la cantidad molar más pequeña (en este caso3.406 o sea la del oxígeno):

Las cantidades molares de O y C parecen ser iguales, en tanto que la cantidad relativa de H parece ser mayor.Como no podemos tener fracciones de átomo, hay que normalizar la cantidad relativa de H y hacerla igual aun entero.

1.333 es como 1 y 1/3, así que si multiplicamos las proporciones de cada átomo por 3 obtendremos valoresenteros para todos los átomos.

C = (1.0)*3 = 3

H = (1.333)*3 = 4

O = (1.0)*3 = 3

Es decir C3H4O3

Órale, esta es nuestra fórmula empírica para el ácido ascórbico. ¿Pero y la fórmula molecular?

Nos dijeron que el peso molecular de este compuesto es de 176 uma.

¿Cuál es el peso molecular de nuestra fórmula empírica?

(3*12.011) + (4*1.008) + (3*15.999) = 88.062 uma

El peso molecular de nuestra fórmula empírica es significativamente menor que el valor experimental.

¿Cuál será la proporción entre los dos valores?

(176 uma / 88.062 uma) = 2.0

Parece que la fórmula empírica pesa esencialmente la mitad que la molecular.

Si multiplicamos la fórmula empírica por dos, entonces la masa molecular será la correcta.

Entonces, la fórmula molecular será:

2* C3H4O3 = C6H8O6

18

Un diagrama de flujo de este proceso será:

Combustión en aire

Las reacciones de combustión son reacciones rápidas que producen una flama.

La mayoría de estas reacciones incluyen al oxígeno (O2) del aire como reactivo.

Una clase de compuestos que puede participar en las reacciones de combustión son los hidrocarburos (estosson compuestos que solo tienen C, H y O).

Cuando los hidrocarburos se queman, reaccionan con el oxígeno del aire (O2) para formar dióxido de carbono(CO2) y agua (H2O).

Por ejemplo cuando el propano se quema la reacción de combustión es:

Ejemplos de hidrocarburos comunes:

Nombre

Fórmula Molecular

metano

CH4

propano

C3H8

butano

C4H10

octano

C8H18

En las reacciones de combustión, muchos otros compuestos que tienen carbono, hidrógeno y oxígeno (porejemplo el alcohol metanol CH3OH, y el azúcar glucosa C6H12O6) también se queman en presencia deoxígeno (O2) para producir CO2 y H2O.

Cuando conocemos la manera en que una serie de sustancias reaccionan entre sí, es factible determinarcuantitativamente como reaccionaron y así poder calcular características cuantitativas de estas.

Entre otras, su fórmula y hasta su fórmula molecular en caso de conocer el peso molecular de la sustancia.

A esto se le conoce como análisis cuantitativo.

Análisis de combustión

Cuando un compuesto que tiene H y C se quema en presencia de O en un aparato especial, todo el carbono se

19

convierte en CO2 y el hidrógeno en H2O.

La cantidad de carbono producida se determina midiendo la cantidad de CO2 producida.

Al CO2 lo atrapamos usando el hidróxido de sodio, de manera que podemos saber cuanto CO2 se haproducido simplemente midiendo el cambio de peso de la trampa de NaOH y de aquí podemos calcular cuantoC había en la muestra.

De la misma manera, podemos saber cuanto H se ha producido atrapando al H2O y midiendo el cambio demasa en la trampa de perclorato de magnesio.

Ejemplo: consideremos la combustión del alcohol isopropílico. Un análisis de la muestra revela que esta tieneúnicamente tres elementos: C, H y O.

Al quemar 0.255 g de alcohol isopropílico vemos que se producen 0.561 g de CO2 y 0.306 g de H2O.

Con esta información podemos calcular la cantidad de C e H en la muestra, ¿Cuántas moles de C tenemos?

Dado que una mol de CO2 tiene una mol de C y dos de O, y tenemos 0.0128 moles de CO2 en la muestra,entonces hay 0.0128 moles de C en nuestra muestra.

¿Cuántos gramos de C tenemos?

¿Cuántas moles de Hidrógeno tenemos?

Dado que una mol de H2O tiene una mol de oxígeno y dos moles de hidrógeno, en 0.017 moles de H2O,tendremos 2*(0.017) = 0.034 moles de H.

Como el hidrógeno es casi 1 gramo / mol, entonces tenemos 0.034 gramos de hidrógeno en la muestra.

Si ahora sumamos la cantidad en gramos de C y de H, obtenemos:

0.154 gramos (C) + 0.034 gramos (H) = 0.188 gramos

Pero sabemos que el peso de la muestra era de 0.255 gramos.

La masa que falta debe ser de los átomos de oxígeno que hay en la muestra de alcohol isopropílico:

0.255 gramos − 0.188 gramos = 0.067 gramos (O)

¿Pero esto cuantas moles de O representa?

Entonces resumiendo, lo que tenemos es:

0.0128 moles Carbono

0.0340 moles Hidrógeno

0.0042 moles Oxígeno

Con esta información podemos encontrar la fórmula empírica, si dividimos entre la menor cantidad paraobtener enteros:

20

C = 3.05 átomos

H = 8.1 átomos

O = 1 átomo

Si consideramos el error experimental, es probable que la muestra tenga la fórmula empírica:

C3H8O

Estequiometría

Ecuaciones químicas

¿Que le pasa a la materia cuando le ocurre un cambio químico?

Ley de la conservación de la masa: Los átomos no se crean ni se destruyen durante una reacción química

Entonces, el mismo conjunto de átomos está presente antes, durante y después de la reacción.

Los cambios que ocurren en una reacción química simplemente conciernen al rearreglo de los átomos.

Ahora estudiaremos la estequiometría, es decir la medición de los elementos).

Las reacciones químicas se representan en el papel usando ecuaciones químicas.

Por ejemplo el hidrógeno gaseoso (H2) puede reaccionar (quemarse) con oxígeno gaseoso (O2) para formaragua (H20).

La ecuación química de esta reacción se escribe así:

El signo '+' se lee como 'reacciona con' y la flecha significa 'produce o nos da'.

Las fórmulas químicas de la izquierda representan a las sustancias de partida y se les llama reactivos.

Las sustancias de la derecha son el producto final y se conocen con el nombre de productos.

Los números frente a las fórmulas se llaman coeficientes) pero si valen 1 generalmente se omiten.

Dado que los átomos no se crean ni se destruyen durante el curso de la reacción, una ecuación química debetener el mismo número de átomos de cada elemento en cada lado de la flecha (esto significa que la ecuaciónestá balanceada, es decir que lo de la derecha pesa lo mismo que lo de la izquierda).

Pasos que necesarios para escribir una reacción balanceada:

· Se determina experimentalmente cuales son los reactivos y los productos

· Se escribe una ecuación no balanceada usando las fórmulas de los reactivos y de los productos

· Se balancea la reacción determinando los coeficientes que nos dan números iguales de cada tipo de átomo encada lado de la flecha de reacción, generalmente números enteros

21

NOTA los subíndices no deben cambiarse al tratar de balancear una ecuación NUNCA.

Cambiar un subíndice cambia la identidad del reactivo o del producto.

Balancear una reacción química únicamente se trata de cambiar las cantidades relativas de cada producto oreactivo

Consideremos la reacción de la combustión del metano gaseoso (CH4) en aire.

Sabemos que en esta reacción se consume (O2) y produce agua (H2O) y dióxido de carbono (CO2).

Con esta información hemos cubierto el primer paso. Ahora, escribimos la reacción sin balancear (paso 2):

Ahora contamos los átomos de cada reactivo y de cada producto y los sumamos:

Todo parece ir bien con el número de carbonos en ambos lados de la ecuación, pero solo tenemos la mitad delos átomos de hidrógeno en el lado de los productos que en el lado de los reactivos.

Podemos corregir esto duplicando el número de aguas en la lista de los productos:

Nótese que aunque hayamos balanceado los átomos de carbono y de hidrógeno, ahora tenemos 4 átomos deoxígeno en los productos en tanto que únicamente tenemos 2 en los reactivos.

Si duplicamos el número de átomos de oxígeno en los reactivos, podemos balancear al oxígeno:

Hemos cubierto la etapa 3, y hemos balanceado la reacción del metano con el oxígeno.

Entonces,

una molécula de metano reacciona con dos moléculas de oxígeno para producir una molécula de dióxido decarbono y dos moléculas agua.

El estado físico de cada sustancia puede indicarse usando los símbolos (g), (l), y (s) (para gas, líquido ysólido, respectivamente):

Reactividad química, uso de la tabla periódica

A menudo podemos predecir el comportamiento químico de una sustancia, si hemos visto o sabemos como secomporta una sustancia similar.

Por ejemplo, el sodio (Na) reacciona con agua (H2O) para formar hidróxido de sodio (NaOH) y H2 gaseoso:

nota: (aq) indica que está disuelto en agua

Como el Potasio (K) está en la misma familia (columna) que el sodio en la tabla periódica, es posible predecirque la reacción del K con el H2O será similar a la del Na:

No solo eso, de hecho podemos predecir que todos los metales alcalinos reaccionan con el agua para formarsus hidróxidos e hidrógeno.

Entonces, las ecuaciones químicas son la manera abreviada que tenemos los químicos para describir unareacción química, esta ecuación, usualmente debe incluir:

22

Todos los reactivos

Todos los productos

El estado de cada sustancia

Las condiciones usadas en la reacción.

CaCO3(g) CaO (s) + CO2(g)

REACTIVOS PRODUCTOS

Balanceo de ecuaciones químicas

Dado que asumimos que la ley de la conservación de la masa se aplica en

todas las reacciones químicas,

para que una ecuación química sea válida, debe estar balanceada, es decir el número y tipo de átomos a laizquierda, debe estar a la derecha. O sea, deben sumar lo mismo en ambos lados, por ejemplo:

CaCO3(g) CaO (s) + CO2(g)

reactivos

productos

1 Ca

1 Ca

1 C

1 C

3 O

3 O

CaCO3(g) CaO (s) + CO2(g)

¿Cómo se hace? Siguiendo estos 4 pasitos:

Paso 1. Cuenta el número de átomos de cada elemento en ambos lados de la ecuación

Paso 2. Inspecciona la ecuación y determina que átomos no están balanceados

Paso 3. Balancea un átomo a la vez empleando los coeficientes de uno o más compuestos

Paso 4. Cada vez que creas que ya está balanceada la ecuación repite el paso 1.

Paso 5. ¡No te atarantes!

23

EJEMPLOS

Paso 1.y 2

HCl + Ca ;< CaCl2 + H2

1H 2H Sin balancear

1Cl 2Cl Sin balancear

1Ca 1Ca

NO

Paso 2.

2HCl + Ca ;< CaCl2 + H2

Paso 3.

2H 2H balanceada

2Cl 2Cl balanceada

1Ca 1Ca

Ecuación balanceada 2HCl + Ca ;< CaCl2 + H2

Paso 1.y 2. C2H6 + O2 ;< CO2 + H2O

6H 2H Sin balancear

2C 1C Sin balancear

2O 3O Sin balancear

Paso 2.

Paso 3.Balancear primero la molécula mayor

C2H6 + O2 ;< 2CO2 + 3H2O

6H 6H balanceada

2C 2C balanceada

2O 7O Sin balancear

Paso 3.a Ahora balanceamos O

C2H6 + 3.5O2 ;< 2CO2 + 3H2O

24

Paso 4.a

6H 6H balanceada

2C 2C balanceada

7O 7O balanceada

Multiplicamos por dos: 2C2H6 + 7O2 ;< 4CO2 + 6H2O

Descomposición de la urea:

(NH2) 2CO + H2O ;< NH3 + CO2

6H 3H Sin balancear

2N 1N Sin balancear

1C 1C balanceada

2O 2O balanceada

Para balancear únicamente duplicamos NH3 y así:

(NH2) 2CO + H2O ;< 2NH3 + CO2

6H 3H balanceada

2N 2N balanceada

1C 1C balanceada

2O 2O balanceada

Más ejemplos:

CH3OH + PCl5 ;< CH3Cl + POCl3 + H2O

4H 5H no balanceada

1C 1C balanceada

1O 2O no balanceada

1P 1P balanceada

5Cl 4Cl no balanceada

Necesitamos mas cloro en la derecha:

CH3OH + PCl5 ;< 2CH3Cl + POCl3 + H2O

25

Se necesita más C en la izquierda, duplicamos CH3OH

2CH3OH + PCl5 ;< 2CH3Cl + POCl3 + H2O

¡Listo, ya está balanceada!

26