Clculos en Reacciones Qumicas

Clculos en Reacciones Qumicas

CAPITULOVIIIUNIDADES QUMICAS DE MASA Y COMPOSICIN CENTESIMAL

CONTENIDO TEMTICO: Unidad de Masa Atmica (UMA) Determinacin de la masa atmica promedio de un elemento. Masa atmica promedio o peso atmico (P.A) de un elemento. Peso molecular () o Peso Frmula (P.F) Idea de mol tomo-gramo de un elemento Molcula-gramo (mol-g) Composicin centesimal Frmulas empricas y moleculares.

OBJETIVOS ESPECFICOS:Al finalizar el estudio del presente captulo el estudiante estar en capacidad de:1. Conocer y dominar los conceptos de tomo,-gramo, mol y mol-g.2. Determinar la composicin centesimal de una sustancia.3. Determinar frmulas empricas y moleculares.

INTRODUCCION:El tamao tan extremadamente pequeo de los tomos no nos permite verlos directamente y menos an pesarlos en la balanza ms sensible que haya podido desarrollar la tecnologa. Sin embargo, al trabajar con sustancias qumicas resulta til y necesario saber cuntos tomos, molculas u otras unidades de un elemento o compuesto tenemos en una determinada cantidad de masa.

La historia de la qumica nos dice que alrededor de 1896 se le pregunt al investigador Wilhelm Ostwald, Cuntos granos de arena hay en un puado de tierra? Y este al no poderlos contar respondi un montn palabra de origen latn que significa Moles o simplemente mol; hoy se define como la cantidad de sustancia que contiene tantos tomos, molculas, iones y otras unidades como tomos hay exactamente en 12g del Istopo Carbono 12.

El nmero de partculas en un mol se conoce actualmente como nmero de Avogadro (NA) en honor de Amadeo Avogadro, un fsico y abogado italiano que concibi la idea bsica pero que nunca determin su valor. La forma de expresar las cantidades de sustancia y las unidades que se utilizan para este fin es el tema que estudiaremos en el presente captulo.

UNIDAD DE MASA ATOMICA (UMA):Es la unidad utilizada para determinar la masa atmica promedio de los tomos de un elemento. Se define como la doceava parte de la masa del istopo C-12, que es el ms estable y abundante de los istopos del tomo de carbono.

1UMA = Masa C-12 1UMA = 1,66 x 10-27Kg = 1,66 x 10-24 g

MASA ATMICA PROMEDIO DE UN ELEMENTO O PESO ATMICO (P.A):Actualmente se sabe que todos los elementos qumicos presentan istopos de all que para calcular la masa atmica promedio hay que tener en cuenta la abundancia porcentual de cada istopo. Para ello se aplica:

P.A.(e) =

Donde: A,B,C,...: Masa atmica de cada istopo.a,b,c,... : Porcentaje de abundancia de cada istopo.

Teniendo en cuenta la proporcin de cada istopo la frmula toma la forma:

P.A.(e) =

Donde: A,B,C,...: Masa atmica de cada istopo.a,b,c,...: Proporcin de abundancia de cada istopo.

Ejemplo:El elemento Litio presenta en la naturaleza dos istopos de masas 6,015121 UMA y 7,016003 UMA y abundancia porcentual de 7,50% y 92,50% respectivamente, luego su masa atmica promedio es:

P.A(Li) = = 6,9409UMA

Ejercicio:El magnesio presente en la naturaleza tiene 3 Istopos: 24Mg (78.70%), 25Mg (10.13%) y 26Mg (11.17%), luego su masa atmica promedio es:

Los valores de los pesos atmicos de los elementos han sido determinados experimentalmente y se encuentran indicados en la tabla peridica actual estudiados en el captulo V.A continuacin recordaremos algunos pesos atmicos de los elementos ms comunes:ElementoHCNONaMgAlPSClCaFe

P.A(UMA)1121416232427313235.54056

MASA MOLECULAR () O PESO MOLECULAR (P.M)Es la masa promedio de la molcula de una sustancia, se determina sumando las masas atmicas de los elementos que forman la sustancia multiplicada por sus respectivas atomicidades.Ejemplos:

1. H2O : = 2x1+ 1x16 = 18 UMA

2. H3PO4: =3x1+ 1x31+ 4x16 = 98 UMA

3. C2H12O6: = 6x12 + 12x1+ 6x16 = 180 UMA

4. O2: = 2x16=32 UMA

5. N2: = 2x14 =28 UMACuando se trata de compuestos inicos se dice Peso Frmula (P.F).1. NaCl: P.F=1x23+1x35.5=58.5 UMA2. Al2(SO4)3: P.F= 2x27+3x32+3x4x16= 342 UMA3. CuSO45H2O: P.F= 1x63.5+1x32+4x16+5x18= 249.5 UMA

Ejercicio:Calcular el peso molecular o peso frmula de: CuSO4, H2SO4, Ca(NO3)2, NaNiCl3

MOL:Es una unidad qumica que indica la cantidad de sustancia que est contenida en 6,022x1023 partculas o unidades estructurales de dicha materia; esto es:

1mol = 6,022x1023 unidades = Nmero de Avogadro (NA)

Ejemplos: 1. 1mol de estrellas = 6,022x1023 estrellas = NA.2. 1mol de personas = 6,022x1023 personas = NA.3. 1mol de fotones = 6,022x1023 fotones = NA.4. 1mol de tomos = 6,022x1023 tomos = NA.5. 1mol de molculas = 6,022x1023 molculas = NA

TOMO - GRAMO (at-g):Es la masa de un mol de tomos de un elemento; numricamente es igual a la masa atmica del elemento expresado en gramos.

1at-g = P.A.(E) =1 mol de tomos (E) = 6,022x1023 tomos (E)

Ejemplos:1. 1at-g de C = 12g de C = 1mol de tomos C = 6,022x1023 tomos de C2. 1at-g de Na = 23g Na = 1mol de tomos Na = 6,022x1023 tomos Na.

Ejercicios: Indicar las equivalencias correspondientes para:1. Fe : _______________________________________________________2. S : ______________________________________________________

Problema:1. Cuntos tomos hay en 8 gramos de azufre?Solucin:32 g S _________________ 6x1023 tomos8 g S _________________ XX = 1,5 x 1023tomos

2. Cul es la masa de 150 tomos de oxgeno?Solucin:6x1023 tomos O _____________ 16g 150 tomos O _____________ X X = 4,00 x 10-21 g de O.

Ejercicios:1. Cuntos tomos hay en 8 gramos de Cr?2. Cul es la masa de 72 tomos de Cloro?

MASA EN GRAMOS DE UN SOLO ATOMO:

W(1tomo) =

NMERO DE ATOMOS-GRAMO DE UN ELEMENTO:

# atg (e) =

Ejemplos:1. Cul es la masa de 1 tomo de cobre?Respuesta:6x1023 molculas de Cu ____________ 63,55g 1 molcula Cu _____________ X X = 1,055 x 10-22 g

2. Cuntos tomos gramo hay en 160g de oxgeno?Respuesta:16 g O _____________ 1 atg de O160 g O X X = 10 atg de OEjercicios:1. Cul es la masa de 1 molcula de Plata?2. Cuntos tomo gramo hay en 480 g de azufre?

MOLCULA-GRAMO (mol-g):Es la masa de una mol de molculas de un compuesto; numricamente es igual al peso molecular o peso frmula de la sustancia, expresada en gramos.

1mol-g(x)=(x) = 1mol de molculas(x) = 6,022x1023 molculas(x)

Ejemplos:1. 1 mol-g (H2O) = 18g H2O = 1 mol de molculas H2O = 6,022x1023 molculas H2O2. 1 mol-g (H3PO4) = 98g H3PO4 = 1 mol de molculas H3PO4 = 6,022x1023 molculas H3PO4

Ejercicios:Indicar las equivalencias correspondientes para:1. KMnO4: ____________________________________________________2. CaCl2 : ____________________________________________________Problemas:1. Cuntas molculas hay en 3 gramos de H2O?Repuesta: 18g H2O ___________ 6x1023 molculas 3g H2O ___________ X X = 1,0037 x 10-23 molculas de H2O

2. Cul es la masa de 1010 molculas de cido sulfrico?Repuesta:6,022x1023 molculas _____________ 98g de H2SO4 1010 molculas _____________ X X = 1,627 x 10-12 g de H2SO4

Ejercicios:1. Cuntas molculas hay en 21,6 g de Plata?2. Cul es la masa de 1015 molculas de NaCl?

W(1molcula) = MASA EN GRAMOS DE UNA MOLCULA:

NMERO DE MOL-GRAMO DE UNA SUSTANCIA:

# mol (sust) = n =

Ejemplo:1. Cuntos moles hay en 980 gramos de H3PO4? 98g H3PO4 ____________ 6x1023 molculas 980g H3PO4 ____________ X X = 10 moles de H3PO4Ejercicio.1. Cuntas moles hay en 567 gramos de cido ntrico?2. Cuntos gramos hay en 3x1025 molculas de dixido de carbono?

VOLUMEN MOLAR:Es el volumen ocupado por un mol de cualquier gas (elemento o compuesto) considerada ideal, que se encuentra a condiciones normales (C.N.) de temperatura y presin (273K y 1 atm) es de 22,4 litros.

1mol-g(gas) = 22,4L C.N = 6,022x1023 partculas = P.A

Ejemplos:1. Qu volumen ocupa a condiciones normales (C.N) 0,25 mol deO2? 1 mol de O2 _____________ 22,4 L a C.N 0,25 mol de O2 _____________ X X = 5,6 Litros 2. Cuntos tomos hay en 8 litros de argn que se encuentra en condiciones normales?22,4 L Ar ___________ 6x1023 tomos Ar 8 L Ar ___________ X X = 2,15 x 1023 tomos3. Qu masa de CO2 est contenida en 5 litros de gas a C.N?22,4 L C.N ___________ 44g 5 L C.N ___________ X gX = 9,82 Litros

Ejercicios:1. A C.N que volumen ocupan 2,5 moles de Cloro?2. En 10 Litros de HCl(g) a C.N el nmero de molculas es?3. Qu masa de Hidrgeno est contenida en 3 litros de gas a C.N?

COMPOSICIN CENTESIMAL:Nos expresa, en forma de porcentaje, la proporcin en masa en que se encuentra cada elemento que forma parte de una molcula heteronuclear o compuesto qumico.Para su determinacin se necesita conocer la frmula del compuesto y los pesos atmicos de cada uno de los elementos que integran dicha sustancia.

Ejemplo:Cul es la composicin centesimal del agua?1. Identificar su frmula: H2O2. Hallar su peso molecular: = 2x1+ 16x1 = 183. % E = x 100Aplicar:

%H = x 100 = 11,11 ; %O = x 100 = 88,89%Ejercicios:Determinar la composicin centesimal de:1. Carbonato de sodio: __________________________________________2. Nitrato de Plata: _____________________________________________

FORMULA EMPRICA (F.E):Es aquella que nos muestra la proporcin mnima en que se encuentran combinados los tomos que forman una molcula.

F.E = AaBbCc ...

Donde: A, B, C ...: elementos que forman la molcula.a, b, c, ...: subndices de elementos que forman la molcula.

FORMULA MOLECULAR (F.M):Aquella que nos indica la cantidad real de tomos que forman una molcula.

F.M = Ana, BnbCnc ...

n = Donde:

Observacin:Existen algunos compuestos en los cuales F.E = F.M

Para resolver los problemas de F.E y F.M siga en lo posible el siguiente procedimiento:1. Determinar la masa de cada elemento en el compuesto.2. Dividir entre P.A de cada elemento3. Dividir entre el menor nmero del paso anterior.4. Si valores obtenidos son nmeros enteros, entonces esa es la F.E. 5. Si valores obtenidos son decimales, multiplicar por un nmero adecuado para obtener nmeros enteros.

Ejemplos:1. La composicin centesimal de cierto compuesto indica: C(59,96%), H (13,42%) y el resto oxgeno. Determine sus frmulas emprica y molecular si = 60Respuesta:Tomando una base de 100g de sustancia, se tiene:

C = 59,96g 12 = 4,9967 1,6638 = 3,00 = 3

H = 13,42g 1 = 13,4200 1,6638 = 8,06 = 8

O = 26,62g 16 = 1,6638 1,6638 = 1,00 = 1

F.E = C3H8O F.E = 60g/mol-g

n = = 1; luego F.M = C3H8O

2. Un anlisis de la nicotina, un compuesto cancerigeno que se encuentra en el tabaco indica C(74.0%), H(8.65%) y N(17.35%) si su masa molar es 162g/mol. Indique su F.E y F.MRespuesta:Base : 100g de nicotina

C = 74,00g 12 = 6,17 1,24 = 4,97 = 5

H = 8,65g 1 = 8,65 1,24 = 6,97 = 7

O = 17,35g 14 = 1,24 1,24 = 1,00 = 1

F.E = C5H7N F.E = 81g/mol

n = = 2; luego F.M = C10H14N2

Ejercicios:1. El cacodilo tiene un olor parecido al ajo que resulta casi intolerable, su masa molar es 210g/mol, y tiene C (22,88%), H (5,76%) y As(71,36%). Determine su F.E y F.M.

2. Hay una numerosa familia de compuestos del Boro e Hidrgeno, todos tienen frmula BxHy. Un miembro de esta familia contiene 88,5% de B, entonces su F.E es:

CAPITULO IXESTEQUIOMETRIACONTENIDO TEMTICO: Ley de conservacin de la masa Relaciones Masa-Masa Relaciones Mol-Mol Relaciones Volumen-Volumen Relaciones Masa-Mol Relaciones Masa-Volumen Relaciones Mol-Volumen Reactivo limitante y en exceso Porcentaje de pureza de reactivos Rendimiento de una reaccin qumica.

OBJETIVOS ESPECFICOS:Al finalizar el estudio del presente captulo el estudiante estar en capacidad de:1. Entender el significado de una reaccin qumica balanceada.2. Realizar clculos estequiomtricos con la ecuacin balanceada.3. Aplicar los conceptos de reactivo limitante, % de pureza y eficiencia de una reaccin qumica en los clculos estequiomtricos.

INTRODUCCION:En la industria y en el laboratorio se requiere conocer la cantidad de sustancias empleadas y las cantidades de las sustancias que se obtienen. A travs de los clculos estequiomtricos, el analista puede determinar la pureza de los productos de una reaccin qumica, el qumico puede estimar la eficiencia de un nuevo proceso, el ingeniero puede planear un proceso econmico para la produccin en gran escala de nuevas sustancias.Los clculos estequiomtricos se basan en las relaciones fijas que hay entre las especies (tomos, iones, molculas) involucradas en las reacciones qumicas, que previamente han sido balanceadas.

CONCEPTO:La estequiometria es una parte de la qumica que trata del estudio de las relaciones cuantitativas entre las masas, el nmero de moles y los volmenes de las sustancias que participan en un determinado cambio qumico.

LEY DE LA CONSERVACIN DE LA MASA:Fue propuesta por el qumico francs A. Lavoisier (1743-1794) considerado el padre de la qumica moderna, nos dice: En toda reaccin qumica completa y balanceada la masa total de las sustancias reactantes es igual a la masa total de las sustancias productos. Esto es:A + BC + DSuma de las masas de reactantesSuma de las masas de productosEjemplo:2H2 + O22H2O2mol 1mol2mol2(2g) 1(32g)2(18g) 36g36g

RELACIONES ESTEQUIOMETRICAS:

1. Relacin Masa-Masa:Cuntos gramos de Hidrgeno se obtienen al hacer reaccionar 97.5g de Zinc con suficiente cantidad de HCl(ac) segn:Zn(s) + 2 HCl(ac)ZnCl2(ac) + H2(g)E: 65g ______________________________ 2gP: 97.5g _____________________________ xX = 3g de H2

Ejercicio: El Cromo metlico reacciona con el Cloro gaseoso para formar cloruro de Cromo (III), Cuntos gramos de Cloro se requieren para reaccionar completamente con 125g de Cromo.

2. Relacin Mol-Mol:En la combinacin completa del etanol, cuntos moles de agua se produce a partir de 18 moles del combustible.

C2H5OH() + 3O2(g)2CO2(g) + 3H2O(v)E: 1 mol _____________________________ 3 molP: 18 mol ____________________________ x molX = 54 mol de H2O(v)

Ejercicio: En la reaccin: As2O3(s) + H2(g) As(s) + H2O() Cuntos moles de As se produce a partir de 10 moles de As2O3?3. Relacin Volumen-Volumen:Cul es el volumen de CO2 que se produce durante la combustin completa de 15 litros de gas propano (C3H8) a condiciones Normales?Ecuacin Balanceada:C3H8(g) + 5O2(g) 3CO2(g) + 4H2O()E: 2,4 L _____________________ 3x22,4 LP: 15 L _______________________ XX = 45 L de CO2

Ejercicio: En la combustin completa del C8H18, un componente de la gasolina, Cuntos litros de C8H18 se necesitan para producir 1 litro de H2O?

4. Relacin Masa-Mol:Podemos producir Cloro en el laboratorio mediante la reaccin: HCl(ac) + MnO2(s) Cl2(g) + H2O + MnCl2(ac)Cuntos gramos de MnO2 se requieren para formar 12 moles de Cl2?

4HCl(ac) + MnO2(s) Cl2(g) + 2H2O() + MnCl2(ac)E: 87g ________ 1 molP: X ________ 12 molX = 1,044 g de MnO2

Ejercicio: En la reaccin: Na(s) + H2O() NaOH(ac) + H2(g). Cuntos moles de NaOH se forman a partir de 90g de agua?

5. Relacin Masa-Volumen:Cuntos litros de oxgeno se producen al calentar 300 g de cloruro de potasio en C.N, segn la reaccin?2KClO3(s) + calor 2KCl(s) + 3O2(g)E: 244 g ___________________________ 3x22,4 LP: 300 g ____________________________ XX = 82,6 L de O2

Ejercicio: Cuntos gramos de Calcio se necesitan para producir 224 litros de Hidrgeno en C.N segn: Ca(s) + H2O() Ca(OH)2(ac) + H2(g)?6. Relacin Mol-Volumen:Cuntos moles de Hierro se producirn a partir de 112 litros de Hidrgeno en C.N de acuerdo a?4H2(g) + Fe3O4(s)3Fe(s) + 4H2O()E: 4x22,4 L __________________ 3 molP: 112 L __________________ XX = 3,75 mol de Fe

Ejercicio: Cuntos litros de BF3 se producirn a partir de 4 mol de B2O3, segn: B2O3(s) + HF() BF3(g) + H2O()

REACTIVO LIMITANTE Y REACTIVO EN EXCESO:Es frecuente que en las reacciones qumicas, los reactantes no se encuentran en las cantidades estequiomtricas exactas, ya que al realizarse una sntesis real, generalmente los reactivos ms econmicos se usan en exceso para asegurar que el reactivo ms costoso se convierta totalmente en producto.

REACTIVO LIMITANTE (R.L):Es el reactivo que interviene en menor proporcin que la estequiomtrica; por lo tanto, se consume totalmente y limita la cantidad de productos formados.

REACTIVO EN EXCESO (R.E):Es aquel reactivo que interviene en mayor proporcin que la estequiomtrica; por lo tanto hay en exceso cuando termina la reaccin qumica.

PARA DETERMINAR EL R.L:a. Si las relaciones entre reactantes son de masa-masa, mol-mol y volumen-volumen, se divide la cantidad dada (P) entre la estequiomtrica (E), y en el reactivo que se obtenga el menor cociente se tendr el R.L.

Ejemplo:Para preparar Aspirina (cido acetilsaliclico), la receta nos dice que hay que mezclar 200 g de cido Saliclico y 300g de Anhdrido Actico. Cul es el R.L y cuntos moles de Aspirina se produce?2C7H6O3(s) + C4H6O3() 2C9H8O4(s) + H2O()P: 200g300g XE: 138g102g2 molR.L =P/E: 1,452,94El R.L es el cido saliclico, luego:

X = 2,90 mol de C9H8O4138g _____________ 2 mol200 g _____________ X

Ejercicio: El disulfuro de carbono reacciona con el Oxgeno segn CS2() + O2(g) CO2(g) + SO2(g). Si se hacen reaccionar 3,5g de CS2 con 1,75g de O2, quin es el R.L y cuntos litros de SO2 se formarn?

b. Cuando las relaciones entre los reactantes son masa-mol, masa-volumen, mol-volumen, se multiplica la cantidad dada (P) por la estequiomtrica (E) en forma de aspa hacia arriba, ser el R.L en donde se obtiene el menor producto.

Ejemplo:Cuntas moles de Amonaco se obtiene cuando reaccionan 5 moles de Hidrgeno con 25g de Nitrgeno?N2(g) + 3H2(g)2NH3(g)P: 25g 5 mol xE: 28g 3 mol 2 molR.L: 75140El R.L es el Nitrgeno, luego:28g N2_____________ 2 mol NH325g N2 _____________ xx= 1,79 mol de NH3

Ejercicio: La reaccin del agua con el metano es una forma de preparar Hidrgeno, segn: CH4(g) + H2O(g) CO2(g) + H2(g). Cuando reaccionan 140 moles de agua con 45 litros de metano. Cuntos gramos de Hidrgeno se formarn?

PORCENTAJE DE PUREZA DE REACTIVOS:En algunas reacciones qumicas unas o ms de las sustancias que intervienen se encuentran impuras; pero, de ellas slo debe reaccionar estequiomtricamente la cantidad pura, por lo tanto, las impurezas quedan sin reaccionar. El porcentaje de pureza de una sustancia se determina mediante la siguiente relacin:

Ejemplo:

Se tiene 1Kg de CaCO3(s)(=100) con una pureza del 80%. Qu cantidad en gramos de CaO se obtiene al descomponerse el CaCO3, segn:CaCO3(s) + calorCaO(s) + CO2(g)E: 100g ______________________ 56gP: 1000x0.8g __________________ xX = 448g de CaO

Ejercicio: El carburo de Silicio (SiC) es un abrasivo industrial importante que se obtiene segn: SiO2(s) + 3C(s) SiC(s) + 2CO(g). Si la pureza del carbono es del 75%. Qu cantidad de carborundo (SiC) se podrn preparara partir de 150g de Carbono.

RENDIMIENTO DE UNA REACCIN QUMICA:Hasta ahora en todas las reacciones se ha considerado que tiene una eficiencia del 100%; esta cantidad mxima posible de producto que se forma cuando todos los reactivos se convierten en productos se denomina Rendimiento Terico. Sin embargo en la prctica no es posible llegar a este rendimiento, debido a factores como:1. Reacciones colaterales no deseadas.2. Deficiencia durante la purificacin del producto deseado, etc.Que nos llevan a obtener una cantidad menor que la estequiomtrica, llamada rendimiento real. La eficiencia o rendimiento de una reaccin o proceso qumico se evala mediante:

%n= x 100

Ejemplo:El Amonaco gaseoso se puede preparar mediante la reaccin CaO(s) + NH4Cl(s)2NH3(g) + H2O(g) + CaCl2(s). Si se aslan exactamente 100g de Amoniaco, cuando se combinan 190g de CaO con suficiente cloruro de Amonio, el rendimiento de la reaccin es?CaO(s) + 2NH4Cl(s) 2NH3(g) + H2O(g) + CaCl2(s).P : 56g _____________________ 34gE : 190g _____________________ X

X = 115,36 %n = x 100 = 86,69%Ejercicio: Se calienta 2,5 g de cobre con un exceso de azufre y se sintetiza 2,53g de Sulfuro cuproso segn: Cu(s) +S8(s) CuS(s). Cul es el rendimiento del proceso?Ing Karina L. Lozada Castillo MSc.Pgina 15