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Reacción química VI - Problemas de Química

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Explicación de los pasos a dar para la resolución de reacciones químicas sencillas. Estequiometría y estequiometría de gases. Ley de los gases. Molaridad

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Reacción química VI - Problemas de Química

  1. 1. Reacción Química VI Profesor Juan Sanmartín Física y Química • Reacción Química Reacción de la molécula Santiaguina (alcaloide)
  2. 2. Una REACCIÓN QUÍMICA es un proceso por el cual unas sustancias se transforman en otras nuevas. Las sustancias iniciales o de partida se denominan reactivos y las sustancias finales productos. Reacción Química Hidróxido de hierro II (Fe(OH)2 ) + Ácido Sulfúrico(H2SO4) Sulfato de hierro II(FeSO4) + Agua (H2O) O2HFeSOSOHFe(OH) 24422  Como ya hemos dicho, la reacción tiene que cumplir la ley de masas y la de proporciones definidas. La cantidad de átomos en los reactivos ha de coincidir con los átomos en los productos, es decir, con la estequiometria.
  3. 3. Reacción Química Ecuación química O2HCO2OCH 2224  A la izquierda se colocan los reactivos, de haber más de uno, se coloca el signo + . A la derecha los productos que igualmente están separados por el signo de sumar. Entre los reactivos y los productos se coloca una flecha. Esta puede tener doble sentido indicando que la reacción se puede revertir. Cada molécula tendrá delante un número denominado coeficiente estequiométrico (en caso de ser uno no se escribe). Este número nos indica la cantidad de moléculas que intervienen en la reacción de cada sustancia. Reactivos Productos Coeficientes estequiométricos Si no tiene nada el coeficiente estequiométrico es 1
  4. 4. Reacción Química Simbología en una reacción química (g)H(aq)MgSO(aq)SOHMg(s) 2442  Tanto en los reactivos como en los productos las sustancias van unidas por el signo + La flecha indica el proceso de la reacción. En caso de que sea doble es reversible y, por lo tanto, los productos pueden volver a transformarse en reactivos. Flecha doble En una reacción también se ha de mostrar el estado en el que se encuentran los reactivos o productos • (s) El elemento o compuesto se encuentra o se obtiene en estado sólido. • (l) El elemento o compuesto se encuentra o se obtiene en estado líquido. • (g) El elemento o compuesto se encuentra o se obtiene en estado sólido. • (aq), (ac) o (d) la sustancia se encuentra en disolución acuosa. 
  5. 5. El volumen de un gas depende de la presión, la temperatura y la cantidad de moléculas del gas. Los gases distintos en condiciones iguales tienen la misma energía cinética, por lo tanto, gases distintos que estén a la misma temperatura y presión ocuparan un mismo volumen. De lo cual se deduce que cada uno de ellos debe contener la misma cantidad de moléculas. Y como un mol contiene NA moléculas, un mol de un gas tendrá el mismo volumen que un mol de cualquier otro gas en la ya dicha igualdad de condiciones de presión y temperatura.   Igual Volumen, medido a las mismas condiciones de presión y temperatura, contiene el mismo número de moles (entiéndase también partículas) independientemente del tipo de partícula. En el caso anterior los volúmenes son iguales. 322322 NHHN iguales)Py(K NHHN nºnº(moles)nºVVV   Reacción Química
  6. 6. En el caso de una reacción en la que todos los componentes sean gases medidos en las mismas condiciones de presión y temperatura, la relación puede medirse en volúmenes Dado que la reacción es la siguiente… (g)2NH(g)3H(g)N 322  322 NHHN 2V3VV   Y considerando lo expuesto anteriormente, la cantidad de átomos o moléculas en un volumen a unas condiciones dadas, se cumple que… Reacción Química
  7. 7. Reacción Química Experimentalmente se ha determinado que el volumen que ocupa un mol de cualquier gas es de 22,4 L en condiciones normales. A este volumen se le llama volumen molar del gas. El término "Condiciones Normales" se suele utilizar habitualmente para la medición de volúmenes de gases en muchos campos de la ciencia, como en Termodinámica y Química, correspondiéndose a una temperatura de 0 °C (o 273,15 K) y a una presión de 1 atm. Podemos obtener la relación en volúmenes siempre que estos se encuentren en las mismas condiciones de presión y temperatura. Metano (CH4 ) + Oxígeno (O2) Dióxido de carbono (CO2) + Agua (H2O) OHCOOCH 2224 2VV2VV 
  8. 8. Estado de agregación de reactivos y productos Pero cuando no tenemos todos los componentes de la reacción están en estado gaseoso o no se encuentran en las mismas condiciones de presión y temperatura tenemos que transformar en moles las cantidades de los reactivos y, con los productos, haremos lo contrario, partiremos de los moles y lo transformaremos en gramos, litros, etc… según corresponda. Permanganato potásico KMnO4 Reacción Química
  9. 9. Reacción Química La relación estequiométrica de los reactivos y productos están en átomos o moléculas cumpliendo las leyes anteriormente mencionados. Al multiplicar estos número por NA nos da su equivalencia en moles, es decir, también podemos afirmar que la relación es en moles. Lo que nos facilita los cálculos.
  10. 10. Estado de agregación de reactivos y productos Estado sólido En los elementos sólidos se obtiene el número de moles con la masa y la masa molecular de la sustancia en cuestión. Siempre teniendo en cuenta la pureza pues hace variar la cantidad de sustancia pura. En los líquidos hemos de obtener primero la masa con el volumen y la densidad…o realizando una pesada directa del líquido problema. Reacción Química Sesquióxido de plomo(minio) Pb3O4
  11. 11. La masa atómica de un elemento relativa es la masa media correspondiente a la cantidad de Avogadro de los isótopos de ese elemento teniendo en cuenta el % de existencia de cada isótopo. La masa atómica viene expresada en gramos/mol Reacción Química Au 196,9779 Oro g.197,97orodeátomos10×6,022=Audemol1 23  En el caso de una molécula se tienen que tener en cuanta las masas de cada uno de los elementos que la componen y la cantidad de los mismos presentes en la molécula. Será la masa molecular o peso molecular. La molécula de ácido sulfúrico(H2 SO4) contiene 2 átomos de hidrógeno (H), uno de azufre (S)y cuatro de oxígeno (O). Su masa molecular o peso molecular será… mol g98,0916,00432,071,012 (O)4M(S)M(H)M2Mm atómicaatómicaatómica)SO(H 42  
  12. 12. Reacción Química Si a partir de la tabla periódica obtenemos las masa atómicas de los elementos y calculamos la masa molecular cuando corresponda tenemos… 322 O2Al3O4Al                         g.92,032101,962)Omoles(Al2 mol g96,01100,16398,622)O(AlM 64,00g.32,002)moles(O3 mol g32,0016,002)(OM 107,92g.26,984moles(Al)4 mol g00,61(O)M mol g26,98(Al)M 32 32molecular 2 2molecular at at 203,92g96,00g107,92gO2Al3O4Al gramosamoleslospasando 322   Aluminio(Al)+ Oxígeno(O2) Óxido de Aluminio (Al2O3)
  13. 13. Estado de agregación de reactivos y productos Estado Gaseoso En el caso de los gases, por la Ley de lo Gases Ideales podemos transformar un volumen en moles si conocemos las condiciones de presión y temperatura a las que se encuentra dicho gas. Amoníaco en estado gaseoso NH3 Reacción Química
  14. 14. Reacción Química Pero cuando no tenemos todos los componentes de la reacción en estado gaseoso, o están en diferentes condiciones de presión o temperatura, debemos utilizar el número de moles para mantener la ley de Proust…tenemos que utilizar la ley de los gases ideales para obtener el número de moles mediante la siguiente fórmula…                           Kmol latm. 0,082gaseslosdeconstanteR molesdenúmeron litros(l.)envolumenV Kelvin(K)enatemperaturT (atm.)atmósferasenpresiónP TRnVP donde Obteniendo las siguientes singularidades según transformemos en moles que en litros…
  15. 15. Obteniendo las siguientes singularidades según transformemos en moles que en litros y viceversa… P TRn VTRnVP TR VP n litrosamolesa moles        Ejemplo paso de litros a moles .- Calcular la cantidad de moles que existen en 4 l. SO3 a 1,5 atm y 5ºC. 0,26moles 278K Kmol latm 0,082 4l1,5atm n 278KC5ºT 1,5atm.P 4l.V moles 273 SO SO SO 3 3 3                  Ejemplo paso de moles a litros.- Calcular el volumen que ocupan 3 moles de N2O5 a 0,5 atm y -7ºC. .l87,301 0,5atm. 266K Kmol latm 0,0823moles V 266KC-7ºT 0,5atm.P 3molesn 273 ON ON ON 52 52 52                  Reacción Química
  16. 16. Estado de agregación de reactivos y productos Disolución Acuosa Muchas sustancias y la mayoría de los ácidos se encuentran en disolución acuosa. En este caso la cantidad de moles la hemos de calcular con la concentración de dicha disolución expresada en Molaridad, Molalidad o Normalidad. Estas dos últimas expresiones no se contemplan en este curso. Ácido clorhídrico en disolución acuosa HCl Reacción Química
  17. 17. En química, la concentración molar (también llamada molaridad), es una medida de la concentración de un soluto en una disolución, ya sea alguna especie molecular, iónica, o atómica. Al ser el volumen dependiente de la temperatura, el problema se resuelve normalmente introduciendo coeficientes o factores de corrección de la temperatura, o utilizando medidas de concentración independiente de la temperatura tales como la molalidad. (esta parte no la estudiaremos en este curso.) moleculardisolución sustanciatambiéno disolución moles MV m (M)Molaridad V n (M)Molaridad    Reacción Química Donde n es la cantidad de soluto en moles, m es la masa de soluto expresada en gramos, Mm es el masa de un mol de moléculas en g/mol y V el volumen en litros de la disolución. La concentración molar o molaridad representada por la letra M, se define como la cantidad de soluto (expresada en moles) por litro de disolución, o por unidad de volumen disponible de las especies:
  18. 18. Obteniendo las siguientes singularidades según transformemos en moles que en litros y viceversa… VMn V n (M)Molaridad M n V moles n disolución molesdisolucióndelitrosmoles disolución moles    Ejemplo paso de litros de disolución a moles .- Calcular los moles que se encuentran en 3 litros de H2SO4 (0,4 M).  42SOHSOHmoles SOH SOH SOH1,2moles30,4VMn 3l.ón)V(disoluci 0,4MMolaridad 4242 42 42        Ejemplo paso de moles a litros de disolución.- Calcular el volumen de una disolución (0,3 M) que contiene 0,2 moles de HCl. Reacción Química l.0,67 0,3M moles0,2 M n V HCl.demoles0,2n 0,3MMolaridad HCl HCl HCl HCl HCl      
  19. 19. Problema de Reacción Química Muchas sustancias y la mayoría de los ácidos se encuentran en disolución acuosa. En este caso la cantidad de moles la hemos de calcular con la concentración de dicha disolución expresada en Molaridad, Molalidad o Normalidad. Estas dos últimas expresiones no se contemplan en este curso. Reacción Química
  20. 20. Reacción Química Resolución de un problema de química I (g)OKCl(s)(s)KClO 23  Para explicar los pasos a seguir en la resolución de un problema de química expondremos el siguiente ejemplo… El trioxidoclorato de potasio (clorato potásico) es uno de los componentes de la pólvora. Debemos calcular el cloruro de potasio y el oxígeno en condiciones normales a partir de 300g de trioxidoclorato de potasio (clorato potásico). La ecuación de la reacción es la siguiente… Reactivos Productos Primer paso.- Debemos comprobar que la ecuación cumple la ley de proporción de masas, es decir, está ajustada y por lo tanto existe el mismo número de átomos en los reactivos que en los productos. Ese ajuste los realizaremos mediante los coeficientes estequiométricos (ver presentación correspondiente. (g)O3KCl(s)2(s)2KClO 23 
  21. 21. Reacción Química Una vez ajustada comprobamos que la cantidad de átomos de potasio, cloro y oxígeno en los reactivos es la misma que en los productos. ¡Ojo!.- el ajuste se ha de realizar colocando números (coeficientes estequiométricos delante de las moléculas…NUNCA modificando los subíndices de estas ya que modificaríamos el compuesto. (g)O3KCl(s)2(s)2KClO 23  Los coeficientes estequiométricos nos indican la cantidad de moléculas que participan en la reacción cumpliendo la ley de masas. Extrapolando por el número de Avogadro obtenemos la cantidad de moles que de dichas moléculas (cantidad útil a la hora de operar con estas). En esta reacción, 2 moles de trioxidoclorato de potasio (KClO3) reaccionan y se descomponen para formar 2 moles de cloruro de potasio (KCl) y 3 moles de oxígeno (O2 ). (g)O3KCl(s)2(s)2KClO 23  moles2 moles2 moles3
  22. 22. Reacción Química Esta es la “receta” de esta reacción, los números estequiometricos hacen que se cumpla la Ley de conservación de masas y nos indica el cumplimiento de la Ley de Proust o proporciones definidas… (g)O3KCl(s)2(s)2KClO 23  moles2 moles2 moles3 Esta relación de moléculas/moles se cumple siempre en esta reacción Segundo paso.- El problema nos indica que partimos de 300g de trioxidoclorato de potasio (KClO3 ). En la ecuación comprobamos que está en estado sólido…Utilizamos la Masa molecular para obtener el número de moles. Recordemos que en la reacción entran moles ysalen moles… (O)M3(Cl)M(K)MMm atatatKClO3  mol g122,5516,00335,4539,10Mm 3KClO  Datos a partir de la tabla periódica
  23. 23. Reacción Química (g)O3KCl(s)2(s)2KClO 23  moles2 A partir de la masa atómica, calculamos el número de moles. 3 KClO KClO KClO KClOdemoles2,45 mol g122,55 300g Mm m n 3 3 3  Conociendo la relación molar (Ley de Proust) podemos calcular la cantidad molar de los productos. Comenzamos por el cloruro de potasio. moles2 KCldemolesXKClOdemoles2,45 KCldemoles2KClOdemoles2 3 3   KCldemoles2,45 KClOdemoles2 KCldemoles2KClOdemoles2,45 X 3 3    Moles obtenidos de cloruro potásico a partir de los 300 g de trioxidoclorato de potasio
  24. 24. Reacción Química (g)O3KCl(s)2(s)2KClO 23  moles2 Ahora calculamos los moles de oxígeno obtenido.... moles3 23 23 OdemolesXKClOdemoles2,45 Odemoles3KClOdemoles2   2 3 23 Odemoles68,3 KClOdemoles2 Odemoles3KClOdemoles2,45 X    Moles obtenidos de oxígeno a partir de los 300 g de trioxidoclorato de potasio Como la reacción la entendemos completa a partir de 300 g de trioxidoclorato de potasio, y partiendo de la relación estequiométrica, tenemos que… (g)O3KCl(s)2(s)2KClO 23  moles2 moles2 moles3 moles2,45 moles3,68moles2,45 Teóricos Reacción
  25. 25. Reacción Química Tercer paso.- Una vez obtenida la relación de moles que reaccionan y se producen en la reacción, corresponde calcular las cantidades de los productos (en este caso) dependiendo del estado de agregación en el que se encuentren… En el caso del cloruro de potasio, se encuentra en estado sólido y procederemos a calcular la masa mediante la masa molecular. (Cl)M(K)MMm atatKCl  mol g,554735,4539,10MmKCl  KCldeg182,65m mol g74,55KCldemoles2,45Mmnm KCl KClKClKCl  
  26. 26. Reacción Química El caso del oxígeno es distinto ya que se encuentra en estado gaseoso. Aquí deberemos aplicar la Ley de los Gases Ideales para obtener el volumen de gas en las condiciones indicadas. l.38,28 1atm. 273K Kmol latm 0,0823,68moles V 273KC0ºT atm.1P moles3,68n 2 2 2 2 O 273 O O O                  l.38,28V 2O  Problema Resuelto    atm1 C0º normalesscondicione
  27. 27. Reacción Química Resolución de un problema de química II O(l)H(g)CO(s)CaClHCl(aq)(s)CaCO 2223  Al verter ácido clorhídrico sobre marmol (CaCO3) se forma cloruro de calcio (CaCl2) y se desprende dióxido de carbono (CO2) según la siguiente reacción.. Primer paso.- Debemos comprobar que la ecuación cumple la ley de proporción de masas, es decir, está ajustada y por lo tanto existe el mismo número de átomos en los reactivos que en los productos El problema nos pide calcular la cantidad de trioxidocarbonato de calcio (carbonato de calcio) que reacciona con 0,5 l ácido clorhídrico (0,3 M) para que y las cantidades de los reactivos obtenidos. El dióxido de carbono a 0,8 atm. y 30ºC. O(l)H(g)CO(s)CaClHCl(aq)2(s)CaCO 2223  Colocando un 2 delante del ácido clorhidrico queda la reacción ajustada. El resto de los coeficientes es uno.
  28. 28. Reacción Química Una vez ajustada comprobamos que la cantidad de átomos de potasio, cloro y oxígeno en los reactivos es la misma que en los productos. Los coeficientes estequiométricos nos indican la cantidad de moléculas que participan en la reacción cumpliendo la ley de masas. Extrapolando por el número de Avogadro obtenemos la cantidad de moles que de dichas moléculas (cantidad útil a la hora de operar con estas). moles2mol1 mol1 O(l)H(g)CO(s)CaClHCl(aq)2(s)CaCO 2223  mol1 mol1 En esta reacción, 1 mol de trioxidocarbonato de calcio (CaCO3) reacciona con 2 moles de ácido clorhídrico para formar 1 mol de cloruro de calcio (CaCl2) y 1 mol de dióxido de carbono (CO2 ) y 1 mol de agua.
  29. 29. Reacción Química Esta relación de moléculas/moles se cumple siempre en esta reacción Segundo paso.- El problema nos indica que partimos de 0,5 litros de ácido clorhídrico (0,3 M). En la ecuación comprobamos que está en disolución acuosa…Deberemos utilizar la molaridad para obtener el número de moles… moles2mol1 mol1 O(l)H(g)CO(s)CaClHCl(aq)2(s)CaCO 2223  mol1 mol1  HClmoles0,150,50,3VMn 0,5l.ón)V(disoluci 0,3MMolaridad HClHClmoles HCl HCl      
  30. 30. Reacción Química Conociendo la relación molar (Ley de Proust) podemos calcular la cantidad molar de los reactivos y productos restantes . Comenzamos por el trioxidocarbonato de calcio (CaCO3) 3 3 CaCOdemolesXHCldemoles0,15 CaCOdemol1HCldemoles2   3 3 CaCOdemoles075,0 HCldemoles2 CaCOdemoles1HCldemoles0,15 X    Moles necesarios de Trioxidocarbonato de calcio para que reaccionen con los moles de ácido clorhídrico moles2mol1 mol1 O(l)H(g)CO(s)CaClHCl(aq)2(s)CaCO 2223  mol1 mol1
  31. 31. Reacción Química Ahora calculamos los moles de cloruro de calcio (CaCl2) obtenidos que se obtienen… 2 2 CaCldemolesXHCldemoles0,15 CaCldemol1HCldemoles2   2 2 CaCldemoles075,0 HCldemoles2 CaCldemoles1HCldemoles0,15 X    moles2mol1 mol1 O(l)H(g)CO(s)CaClHCl(aq)2(s)CaCO 2223  mol1 mol1
  32. 32. Reacción Química Ahora calculamos los moles de dióxido de carbono (CO2) y agua obtenidos que se obtienen… 2 2 COdemolesXHCldemoles0,15 COdemol1HCldemoles2   2 2 COdemoles075,0 HCldemoles2 COdemoles1HCldemoles0,15 X    moles2mol1 mol1 O(l)H(g)CO(s)CaClHCl(aq)2(s)CaCO 2223  mol1 mol1 OHdemolesXHCldemoles0,15 OHdemol1HCldemoles2 2 2   OHdemoles075,0 HCldemoles2 OHdemoles1HCldemoles0,15 X 2 2   
  33. 33. Reacción Química Una vez obtenidas las cantidades molares de cada una de las sustancias presentes en la reacción a partir de medio litro de ácido clorhídrico 0,3 M, El resultado es el siguiente… mol1 moles0,075 Teóricos Reacción O(l)H(g)CO(s)CaClHCl(aq)2(s)CaCO 2223  moles2 mol1 mol1 mol1 moles0,075 moles0,075 moles0,075moles0,15 Las cantidades de oles en reactivos y productos han de cumplir la Ley de masa de Lavoisier y la Ley de proporciones definidas de Proust (imagen de la izquierda)
  34. 34. Reacción Química Tercer paso.- Una vez obtenida la relación de moles que reaccionan y se producen en la reacción, corresponde calcular las cantidades de reactivos y productos dependiendo del estado de agregación en el que se encuentren… En el caso del trióxidocarbonato de calcio, se encuentra en estado sólido y procederemos a calcular la masa mediante la masa molecular. (O)M3(C)M(Ca)MMm atatatCaCO3  mol g09,10000,16301,2108,04Mm 3CaCO  3KCl 3KClKClKCl CaCOdeg51,7m mol g09,001CaCOdemoles075,0Mmnm  
  35. 35. Reacción Química En el caso del cloruro de calcio, se encuentra también en estado sólido y procederemos igual que el anterior a calcular la masa mediante la masa molecular. (Cl)M2(Ca)MMm atatCaCl2  mol g98,11045,35208,04Mm 2CaCl  3CaCl 3CaClCaClCaCl CaCOdeg32,8m mol g98,011CaCOdemoles075,0Mmnm 2 222  
  36. 36. Reacción Química En el caso del agua, se encuentra también en estado líquido y procederemos igual que el anterior a calcular la masa mediante la masa molecular. La diferencia es que, a continuación, se tendrá que utilizar la densidad para pasar a líquido. (O)M(H)M2Mm atatOH2  mol g02,1800,1601,12Mm OH2  OHdeg35,1m mol g01,18OHdemoles075,0Mmnm 2OH 2OHOHOH 2 222   3 3 2 OH OH OH OH OH OH OH cm1,35 cm g1 OHdeg1,35 V d m V V m d 2 2 2 2 2 2 2 
  37. 37. Reacción Química El caso del oxígeno es distinto ya que se encuentra en estado gaseoso. Aquí deberemos aplicar la Ley de los Gases Ideales para obtener el volumen de gas en las condiciones indicadas.    atm0,8 C30º scondicione l.33,2 0,8atm. 3K03 Kmol latm 0,0820,075moles V 303KCº03T atm.8,0P moles3,68n 2 2 2 2 CO 273 CO CO CO                  l.2,33V 2CO  Problema Resuelto
  38. 38. Fin de Tema Busca enlaces a otras páginas relacionadas con el tema en… www.juansanmartin.net Reacción Química

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