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2 PRELIMINARES Esta publicación se terminó de imprimir durante el mes de diciembre de 2011. Diseñada en Dirección Académica del Colegio de Bachilleres del Estado de Sonora Blvd. Agustín de Vildósola; Sector Sur. Hermosillo, Sonora, México La edición consta de 11,241 ejemplares. COLEGIO DE BACHILLERES DEL ESTADO DE SONORA Director General Profr. Julio Alfonso Martínez Romero Director Académico Mtro. Víctor Manuel Gámez Blanco Director de Administración y Finanzas C.P. Jesús Urbano Limón Tapia Director de Planeación Mtro. Pedro Hernández Peña QUÍMICA 2 Módulo de Aprendizaje. Copyright ©, 2009 por Colegio de Bachilleres del Estado de Sonora todos los derechos reservados. Tercera edición 2012. Impreso en México. DIRECCIÓN ACADÉMICA Departamento de Desarrollo Curricular Blvd. Agustín de Vildósola, Sector Sur Hermosillo, Sonora. México. C.P. 83280 COMISIÓN ELABORADORA: Elaborador: Nydia Gabriela Estrella Revisión Disciplinaria: Ramón Marcos Peralta Barreras Corrección de Estilo: Antonia Sánchez Primero Supervisión Académica: Mtra. Luz María Grijalva Díaz Diseño: Joaquín Rivas Samaniego Edición: Ana Isabel Ramírez Vásquez Bernardino Huerta Valdez Francisco Peralta Varela Joaquín Rivas Samaniego Coordinación Técnica: Claudia Yolanda Lugo Peñuñuri Diana Irene Valenzuela López Coordinación General: Mtro. Víctor Manuel Gámez Blanco 3 PRELIMINARES Ubicación Curricular DATOS DEL ALUMNODATOS DEL ALUMNODATOS DEL ALUMNODATOS DEL ALUMNO Nombre: _______________________________________________________________ Plantel: __________________________________________________________________ Grupo: _________________ Turno: _____________ Teléfono:___________________ E-mail: _________________________________________________________________ Domicilio: ______________________________________________________________ _______________________________________________________________________ COMPONENTE: FORMACIÓN BÁSICA CAMPO DE CONOCIMIENTO: CIENCIAS EXPERIMENTALES HORAS SEMANALES: 05 CRÉDITOS: 10 4 PRELIMINARES 5 PRELIMINARES Presentación ..................................................................................................................................................... 7 Mapa de asignatura .......................................................................................................................................... 8 BLOQUE 1: APLICA LA NOCIÓN DE MOL EN LA CUANTIFICACIÓN DE PROCESOS QUÍMICOS ......................................................................................................................... 9 Secuencia didáctica 1Secuencia didáctica 1Secuencia didáctica 1Secuencia didáctica 1. Mediciones de la materia .............................................................................................10 • Medición ......................................................................................................................................................12 • Sistema internacional de medidas .............................................................................................................12 • Ecuaciones químicas y cálculos estequiométricos ...................................................................................21 • Composición porcentual y su relación con la fórmula mínima y molecular ..............................................31 Secuencia didáctica 2Secuencia didáctica 2Secuencia didáctica 2Secuencia didáctica 2. Estequiometria, economía y cuidado ambiental ..........................................................38 • Reactivo limitante ........................................................................................................................................39 • Rendimiento de una reacción .....................................................................................................................42 • Cálculos estequiométricos, economía e impacto ambiental .....................................................................47 BLOQUE 2: ACTÚA PARA DISMINUIR LA CONTAMINACIÓN DEL AIRE, DEL AGUA Y DEL SUELO .................................................................................................................... 53 Secuencia didáctica 1Secuencia didáctica 1Secuencia didáctica 1Secuencia didáctica 1. Contaminación: causas y efectos ................................................................................54 • Los recursos naturales de nuestro país .....................................................................................................55 • Contaminación ambiental ...........................................................................................................................58 • Contaminación del agua, aire y suelo ........................................................................................................62 • Contaminación en México ..........................................................................................................................72 SecSecSecSecuencia didáctica 2uencia didáctica 2uencia didáctica 2uencia didáctica 2. Prevención y reducción de la contaminación ..............................................................76 • Agresión química a la biósfera ...................................................................................................................77 • Problemas ambientales globales ...............................................................................................................78 • Prevención de la contaminación ................................................................................................................79 BLOQUE 3: COMPRENDE LA UTILIDAD DE LOS SISTEMAS DISPERSOS ....................................... 87 Secuencia didáctica Secuencia didáctica Secuencia didáctica Secuencia didáctica 1111. Mezclas homogéneas y heterogéneas ........................................................................88 • Elemento, compuesto y mezcla .................................................................................................................90 • Métodos de separación de mezclas ..........................................................................................................92 Secuencia didáctica 2Secuencia didáctica 2Secuencia didáctica 2Secuencia didáctica 2. Disolución, suspensión y coloide ................................................................................99 • Disoluciones o soluciones ........................................................................................................................100 • Clasificación de las disoluciones .............................................................................................................101 • Una visión molecular del proceso de disolución .....................................................................................102 • Factores que afectan la solubilidad .........................................................................................................103 • Concentración de las disoluciones en unidades físicas de concentración ............................................103 • Concentración de las disoluciones en unidades químicas .....................................................................108 • Suspensiones ...........................................................................................................................................115 • Coloides ....................................................................................................................................................115 • Clasificación de los coloides ....................................................................................................................116• Propiedades de los coloides ....................................................................................................................116 Secuencia didáctica 3.Secuencia didáctica 3.Secuencia didáctica 3.Secuencia didáctica 3. Ácidos y bases............................................................................................................121 • Características de ácidos y bases ............................................................................................................. ¿?¿?¿?¿? • ¿Ácido o básico? ........................................................................................................................................ ¿?¿?¿?¿? • Reacción de neutralización y titulación ....................................................................................................129 Índice 6 PRELIMINARES BLOQUE 4: VALORA LA IMPORTANCIA DE LOS COMPUESTOS DEL CARBONO EN SU ENTORNO ............................................................................................................ 133 Secuencia didáctica 1Secuencia didáctica 1Secuencia didáctica 1Secuencia didáctica 1. Estructura de los compuestos del carbono .............................................................. 134 • Antecedentes de química orgánica ......................................................................................................... 136 • Configuración electrónica y estructura .................................................................................................... 141 • Tipos de cadena ...................................................................................................................................... 147 • Isomería .................................................................................................................................................... 149 Secuencia didáctica 2Secuencia didáctica 2Secuencia didáctica 2Secuencia didáctica 2. Clasificación de los compuestos del carbono .......................................................... 153 • Hidrocarburos .......................................................................................................................................... 154 • Alcano ...................................................................................................................................................... 156 • Alqueno .................................................................................................................................................... 162 • Alquino ..................................................................................................................................................... 164 • Hidrocarburos aromáticos ....................................................................................................................... 166 • Concepto de grupo funcional .................................................................................................................. 171 • Alcohol ...................................................................................................................................................... 173 • Ácidos carboxílicos .................................................................................................................................. 176 • Ésteres ..................................................................................................................................................... 179 • Aldehídos y cetonas ................................................................................................................................. 180 • Aminas ..................................................................................................................................................... 184 • Amidas ..................................................................................................................................................... 185 BLOQUE 5: IDENTIFICA LA IMPORTANCIA DE LAS MACROMOLÉCULAS NATURALES Y SINTÉTICAS .............................................................................................................. 191 Secuencia didáctica 1Secuencia didáctica 1Secuencia didáctica 1Secuencia didáctica 1. Macromoléculas naturales ......................................................................................... 192 • Macromoléculas, monómeros y polímeros ............................................................................................. 193 • Composición química de los seres vivos ................................................................................................... ¿?¿?¿?¿? • Carbohidratos .......................................................................................................................................... 194 • Lípidos ...................................................................................................................................................... 202 • Proteínas .................................................................................................................................................. 208 Secuencia didáctica 2Secuencia didáctica 2Secuencia didáctica 2Secuencia didáctica 2. Macromoléculas sintéticas ........................................................................................ 216 • Clasificación de los polímeros según sus propiedades físicas .............................................................. 219 • Impacto del uso de polímeros ................................................................................................................. 221 Bibliografía........................................................................................................................................................ 223 Índice (continuación) 7 PRELIMINARES “Una competencia es la integración de habilidades, conocimientos y actitudes en un contexto específico”. “Una competencia es la integración de habilidades, conocimientos y actitudes en un contexto específico”. “Una competencia es la integración de habilidades, conocimientos y actitudes en un contexto específico”. “Una competencia es la integración de habilidades, conocimientos y actitudes en un contexto específico”. El enfoque en competencias considera que los conocimientos por sí mismos no son lo más importante, sino el uso que se hace de ellos en situaciones específicas de la vida personal, social y profesional. De este modo, las competencias requieren una base sólida de conocimientos y ciertas habilidades, los cuales se integran para un mismo propósito en un determinado contexto. El presente Módulo de Aprendizaje de la asignatura Química 2, es una herramienta de suma importancia, que propiciará tu desarrollo como persona visionaria, competente e innovadora, características que se establecen en los objetivos de la Reforma Integral de Educación Media Superior que actualmente se está implementando a nivel nacional. El Módulo de aprendizaje es uno de los apoyos didácticos que el Colegio de Bachilleres te ofrece con la intención de estar acorde a los nuevos tiempos, a las nuevas políticas educativas, además de lo que demandan los escenarios local, nacional e internacional; el módulo se encuentra organizado a través de bloques de aprendizaje y secuencias didácticas. Una secuencia didáctica es un conjunto de actividades, organizadas en tres momentos: Inicio, desarrollo y cierre. En el inicio desarrollarás actividades que te permitirán identificar y recuperar las experiencias, los saberes, las preconcepciones y los conocimientos que ya has adquirido a través de tu formación, mismos que te ayudarán a abordar con facilidad el tema que se presenta en el desarrollo, donde realizarás actividades que introducen nuevos conocimientos dándote la oportunidad de contextualizarlos en situaciones de la vida cotidiana, con la finalidad de que tu aprendizaje sea significativo.Posteriormente se encuentra el momento de cierre de la secuencia didáctica, donde integrarás todos los saberes que realizaste en las actividades de inicio y desarrollo. En todas las actividades de los tres momentos se consideran los saberes conceptuales, procedimentales y actitudinales. De acuerdo a las características y del propósito de las actividades, éstas se desarrollan de forma individual, binas o equipos. Para el desarrollo del trabajo deberás utilizar diversos recursos, desde material bibliográfico, videos, investigación de campo, etc. La retroalimentación de tus conocimientos es de suma importancia, de ahí que se te invita a participar de forma activa, de esta forma aclararás dudas o bien fortalecerás lo aprendido; además en este momento, el docente podrá tener una visión general del logro de los aprendizajes del grupo. Recuerda que la evaluación en el enfoque en competencias es un proceso continuo, que permite recabar evidencias a través de tu trabajo, donde se tomarán en cuenta los tres saberes: el conceptual, procedimental y actitudinal con el propósito de que apoyado por tu maestro mejores el aprendizaje. Es necesario que realices la autoevaluación, este ejercicio permite que valores tu actuación y reconozcas tus posibilidades, limitaciones y cambios necesarios para mejorar tu aprendizaje. Así también, es recomendable la coevaluación, proceso donde de manera conjunta valoran su actuación, con la finalidad de fomentar la participación, reflexión y crítica ante situaciones de sus aprendizajes, promoviendo las actitudes de responsabilidad e integración del grupo. Nuestra sociedad necesita individuos a nivel medio superior con conocimientos, habilidades, actitudes y valores, que les permitan integrarse y desarrollarse de manera satisfactoria en el mundo social, profesional y laboral o en su preparación profesional. Para que contribuyas en ello, es indispensable que asumas una nueva visión y actitud en cuanto a tu rol, es decir, de ser receptor de contenidos, ahora construirás tu propio conocimiento a través de la problematización y contextualización de los mismos, situación que te permitirá: Aprender a conocer, aprender a hacer, aprender a ser y aprender a vivir juntos. Presentación Química 2 Bloque 1 Aplica la noción de mol en la cuantificación de procesos químicos. Secuencia didáctica 1. Mediciones de la materia. Secuencia didáctica 2. Estequiometria, economía y cuidado ambiental. Bloque 2 Actúa para disminuir la contaminación del aire, del agua y del suelo. Secuencia didáctica 1. Contaminación: causas y efectos. Secuencia didáctica 2. Prevención y reducción de la contaminación. Bloque 3 Comprende la utilidad de los sistemas dispersos. Secuencia didáctica 1. Mezclas homogéneas y heterogéneas. Secuencia didáctica 2. Disolución, suspensión y coloide. Secuencia didáctica 3. Ácidos y bases. Bloque 4 Valora la importancia de los compuestos del carbono en su entorno. Secuencia didáctica 1. Estructura de los compuestos del carbono. Secuencia didáctica 2. Clasificación de los compuestos del carbono. Bloque 5 Identifica la importancia de las macromoléculas naturales y sintéticas. Secuencia didáctica 1. Macromoléculas naturales Secuencia didáctica 2. Macromoléculas sintéticas. Aplica la noción de mol en la cuantificación de procesos químicos. Unidad de competencia: Reconoce a la Química como parte de su vida cotidiana, tras conocer el progreso que ha tenido esta a través del tiempo y la forma en que ha empleado el método científico para resolver problemas del mundo que nos rodea, así como su relación con otras ciencias, que conjuntamente han contribuido al desarrollo de la humanidad. Atributos a desarrollar en el bloque: Durante el presente bloque se busca desarrollar los siguientes atributos de las competencias genéricas: 3.2 Toma decisiones a partir de la valoración de las consecuencias de distintos hábitos de consumo y conductas de riesgo. 4.1 Expresa ideas y conceptos mediante representaciones lingüísticas, Matemáticas o gráficas. 5.1 Sigue instrucciones y procedimientos de manera reflexiva, comprendiendo cómo cada uno de sus pasos contribuye al alcance de un objetivo. 5.2 Ordena información de acuerdo a categorías, jerarquías y relaciones. 5.3 Identifica los sistemas y reglas o principios medulares que subyacen a una serie de fenómenos. 5.4 Construye hipótesis y Diseña y aplica modelos para probar su validez. 5.6 Utiliza las tecnologías de la información y comunicación para procesar e interpretar información. 6.1 Elige las fuentes de información más relevantes para un propósito específico y discrimina entre ellas de acuerdo a su relevancia y confiabilidad. 6.3 Reconoce los propios prejuicios, modifica sus propios puntos de vista al conocer nuevas evidencias, e integra nuevos conocimientos y perspectivas al acervo con el que cuenta. 7.1 Define metas y da seguimiento a sus procesos de construcción de conocimientos. 8.1 Propone manera de solucionar un problema y desarrolla un proyecto en equipo, definiendo un curso de acción con pasos específicos. 8.2 Aporta puntos de vista con apertura y considera los de otras personas de manera reflexiva. 8.3 Asume una actitud constructiva, congruente con los conocimientos y habilidades con los que cuenta dentro de distintos equipos de trabajo. Tiempo asignado: 20 horas. 10 APLICA LA NOCIÓN DE MOL EN LA CUANTIFICACIÓN DE PROCESOS QUÍMICOS. Secuencia didáctica 1. Mediciones de la materia. Inicio Resuelve los siguientes cuestionamientos. Escribe frases que muestren el nivel de comprensión que tienes sobre lo siguiente: Símbolo:__________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ Elemento. __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ Fórmula: __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ Compuesto: __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ Molécula: __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ Ecuación: __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ Actividad: 1 11 BLOQUE 1 Evaluación Actividad: 1 Producto: Cuestionario. Puntaje: Saberes Conceptual Procedimental Actitudinal Identifica la terminología del lenguaje químico. Redacta definiciones. Realiza cálculos sencillos. Asume la importancia de los conocimientos previos de Química y de Matemáticas. Autoevaluación C MC NC Calificación otorgada por el docente Actividad: 1 (continuación) Para preparar un pastel, en las instrucciones de la caja se indica que se agregue leche a la harina: 235 mililitros de leche por cada caja de harina. Si se requiere preparar3.5 cajas de harina. ¿Qué cantidad de leche se debe utilizar? __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ Menciona tres propiedades que puedas medir de la materia, por ejemplo; volumen: __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________ ¿Cuántos átomos de fósforo, calcio y oxígeno hay en la siguiente expresión?: 3Ca 3 (PO 4 ) 2 Ca _________________P _______________O ___________________. 12 APLICA LA NOCIÓN DE MOL EN LA CUANTIFICACIÓN DE PROCESOS QUÍMICOS. Desarrollo Medición. La observación de los fenómenos de cualquier tipo, es en general incompleta, a menos que se cuente con información cuantitativa. La finalidad de la observación, comúnmente, es obtener una medida cuantitativa de los fenómenos; es decir, una relación que indique la magnitud del suceso que se está observando. Para obtener dicha información, se requiere la medición de las propiedades de la materia. Así, la medición constituye una parte importante de la rutina diaria del químico experimental. La medición es la técnica por medio de la cual se le asigna un valor numérico a una propiedad de los materiales, como resultado de una comparación de dicha propiedad con otra similar tomada como patrón, la cual se ha adoptado como unidad. El patrón que permite realizar las mediciones se conoce como unidad de medida y debe cumplir con tres condiciones básicas: ser inalterable (no puede cambiar con el tiempo ni en función de quién realice la medida), ser universal (puede ser utilizado en todos los países) y ser fácilmente reproducible. El resultado de medir es conocido como medida y al proceso de medir como medición. Al realizar una medición, se debe tener cuidado para no alterar el sistema que se observa. De todas formas, hay que considerar que siempre las medidas se obtienen con algún tipo de error, ya sea por las imperfecciones del instrumental o los errores experimentales, así como aquellos de carácter humano. Cuando una medición se concreta a través de un instrumento de medida, se habla de una medición directa. En cambio, en los casos en que no existe el instrumento adecuado porque el valor a medir es muy grande o muy pequeño, por ejemplo la distancia entre galaxias o el número de moléculas contenidas en un litro de agua, la medición se realiza a través de una variable que permite calcular otra distinta. En estos casos, se dice que la medición es indirecta. Sistema internacional de medidas. A cada momento. en las actividades cotidianas, se presenta la necesidad de cuantificar magnitudes, volumen de agua, cantidad de harina para preparar 50 tortillas, nivel de azúcar en sangre, presión arterial, energía que aporta un alimento, etcétera. En cada caso se ha establecido una unidad diferente para medir. Desde siempre, el hombre ha establecido distintas formas de medir. Por ejemplo, en la antigua Escocia se determinó como unidad de medida la pulgada, que correspondía al ancho de un dedo pulgar e incluso un rey llegó a definirla como el promedio del ancho de tres pulgares: un gordo, uno mediano y uno delgado. Hoy una pulgada equivale a 2.54 cm. Por otra parte, en Inglaterra la pulgada se definió en algunas ocasiones como la longitud de cuatro granos de cebada y como tres en otra. La unidad de longitud llamada pie estaba relacionada con el tamaño del pie de un hombre, pero en lugares diferentes esta unidad de medida equivalía a 10, 12, 13 e inclusive a 17 pulgadas modernas. Luego se acordó su equivalencia con 30.5 cm. Esta imprecisión y variedad de unidades generó la necesidad de unificar las medidas, ya que cada lugar tenía su propia forma de hacerlo. ¿Qué sucedía cuando había intercambios comerciales entre lugares con diferentes unidades de medida? ¿Cuál unidad era la que debería usarse? Glosario: Medir es contar, comparar una unidad con otra, dar una valoración numérica, asignar un valor, asignar números a todos los objetos. 13 BLOQUE 1 Para medir una magnitud pueden utilizarse muchas unidades. Por ejemplo, para medir masas se pueden utilizar miligramos, kilogramos, toneladas, etc. Cada país antiguamente, media en una unidad diferente, así que para unificar las unidades de medida de todos los países del mundo se creó el Sistema Internacional de medidas (S.I.). A partir de 1790, la Asamblea Nacional Francesa, hizo un encargo a la Academia Francesa de Ciencias para el desarrollo de un sistema único de unidades. El establecimiento internacional del Sistema Métrico Decimal comenzó en 1875 mediante el tratado denominado la Convención del Metro. En 1960 la 11ª Conferencia General de Pesas y Medidas estableció definitivamente el S.I., basado en 6 unidades fundamentales: metro, kilogramo, segundo, ampere, Kelvin y candela. En 1971 se agregó la séptima unidad fundamental: el mol, que hace referencia a la cantidad de sustancia. Unidades químicas. El mol se usa cuando se habla sobre números de átomos, moléculas o iones. Los átomos, iones y las moléculas son cosas muy pequeñas. Una gota de agua del tamaño del punto al final de esta oración contendría 10 trillones de moléculas de agua. En vez de hablar de trillones de partículas, es mucho más simple usar el mol como una unidad que agrupe a esta cantidad de unidades más pequeñas. En forma cotidiana se utilizan unidades parecidas al mol y como ejemplo tenemos a la unidad docena, la cual usamos para expresar una agrupación de 12 unidades, o las unidades trío, centena, millar, etc. Mol se define como la cantidad de sustancia que contiene tantas partículas como átomos hay en exactamente 12 gramos de isótopo de carbono 12 (que son los átomos de carbono más abundantes en la Naturaleza). Pero, ¿Cuántos átomos están contenidos en 12 gramos de esos átomos de carbono? Determinado experimentalmente, la respuesta es verdaderamente asombrosa: existen 6.022 x 10 23 átomos, o sea ¡602 200 000 000 000 000 000 000! átomos, es decir, ¡seiscientos dos mil doscientos trillones de átomos! De esta manera se dice que la cantidad de una sustancia que contiene 6.022 x 10 23 partículas (átomos, moléculas, iones, electrones, etc.) es un mol de partículas de dicha sustancia. Este número es conocido como Número de Avogadro en honor al científico italiano Amadeo Avogadro (1776-1856). Su símbolo: N A = 6.022 x 10 23 y representa a una constante física. 1 mol de cualquier sustancia o cosa, contiene 6.022 x 10 23 partículas (átomos, moléculas, iones) o lo que sea a lo que se refiera. 1 mol=6.022 x 10 23 partículas De esta manera, un mol de aluminio (Al) estará formado por 6.022 x 10 23 átomos de aluminio; en tanto que un mol de agua (H 2 O) contiene 6.022 x 10 23 moléculas de agua o un mol de iones Ca ++ , tiene 6.022 x 10 23 iones de Ca, pero a su vez se puede decir que en esa mol de Ca ++ , hay dos moles de carga positiva o bien, 2 x 6.022 x 10 23 cargas positivas. La unidad de mol se refiere a un número fijo de “unidades” cuya identidad se debe especificar, indicando si se refiere a un mol de átomos,de moléculas o de otras partículas. Así: Unidades básicas del sistema internacional de unidades. Magnitud Nombre Símbolo Longitud Metro M Masa Kilogramo Kg Tiempo Segundo S Intensidad de corriente eléctrica Ampere A Temperatura Kelvin K Cantidad de sustancia Mol Mol Intensidad luminosa Candela Cd Antiguas unidades. Amadeo Avogadro. 14 APLICA LA NOCIÓN DE MOL EN LA CUANTIFICACIÓN DE PROCESOS QUÍMICOS. El helio es monoatómico: 1 mol de He = 6,022 x 1023 átomos de He El hidrógeno es diatómico: 1 mol de H 2 = 6,022 × 10 23 moléculas de H 2 o 2 x 6.022 x 10 23 átomos de hidrógeno. El sulfato de amonio es poliatómico: 1 mol (NH 4 ) 2 SO 4 = 6,022 × 10 23 moléculas de (NH 4 ) 2 SO 4 . El ion sodio Na+1: 1 mol de ion Na+1 = 6,022 × 1023 iones de sodio. No existen instrumentos para cuantificar directamente moles de sustancia (no podemos contar una a una tantas partículas); pero sí para medir la masa. Debido a esto, lo que se cuantifica es la masa de fracciones, uno o varios moles. En la actualidad, los valores de las masas atómicas, se determinan por medio de un espectrómetro de masa o espectrógrafo de masas, el cual fue inventado por Francis William Aston en 1920. En el espectrómetro de masas las partículas cargadas (ionizadas) inciden en un área en la que existe un campo magnético que las desvía hacia el área de detectores. El radio de curvatura depende del cociente entre carga y masa de cada partícula. La masa de la mayoría de los objetos se mide tomando como unidad el kilogramo. Así, las cantidades que resultan de esta medición son manejables; es decir, no son muy grandes ni muy pequeñas. Pero ¿Cómo utilizar el kilogramo para pesar cosas tan minúsculas como los átomos? Se obtendrían cifras extraordinariamente pequeñas. Cuando en la tabla periódica se lee masa atómica, se habla de una masa atómica relativa de los elementos, ya que se obtiene en base a una comparación con una unidad de referencia. No se puede pesar la masa del átomo individualmente; lo que se puede hacer es calcular la abundancia relativa de cada isótopo. Todos los elementos de la tabla periódica se derivan de sus isótopos que se forman en la naturaleza. Para determinar las masas atómicas de los elementos se toma como base el carbono 12 (el isótopo más abundante del carbono), al que se le asigna un valor exacto de 12. Esto quiere decir que la unidad a utilizar corresponde a la doceava parte de la masa del átomo de dicho isótopo. La unidad de referencia se llama; uma, que quiere decir unidad de masa atómica. Equivale a una doceava parte de la masa del núcleo del átomo del isótopo más abundante del carbono: el 12 C. Esta unidad de masa atómica corresponde aproximadamente con la masa de un protón (o un átomo de hidrógeno) y se considera también, equivalente a la masa de un neutrón. Masa del protón =1.6726 × 10 -27 Kg Masa del neutrón =1.675 X 10 -27 Kg Notación exponencial Cuando hay que manejar cifras muy grandes o muy pequeñas, con gran cantidad de ceros, es habitual emplear la notación exponencial o, lo que es lo mismo, en vez de escribir todos los ceros se expresa el número como una base elevada a un exponente. Pueden existir dos situaciones: •Cuando el exponente es positivo (10 +n ), la cifra equivale a escribir 1 seguido de n ceros. Por ejemplo, 10 2 es lo mismo que 100. •Cuando el exponente es negativo (10 -n ), n indica el número de ceros que anteceden al 1, considerándose como entero el primer cero y poniéndose la coma a continuación de éste. Por ejemplo 10 -2 es lo mismo que 0,01. 15 BLOQUE 1 1 uma = 1.67 x 10 -27 kg 1 g = 6.022 x 10 23 uma = 1 mol de protones = 1 mol de neutrones En el átomo de carbono se tiene una masa atómica = 12 uma, por lo que: 1mol de átomos de carbono = 6.022 x 10 23 átomos de carbono = 12 x 6.022 x 10 23 umas = 12 x 1g = 12g. Relación entre la masa, número de moles y átomos de un elemento. Este resultado se puede utilizar para determinar la relación entre unidades de masa atómica y gramos. Debido a que la masa de cada átomo de C 12 es exactamente 12 uma, el número de gramos equivalente a 1 uma es: En consecuencia: 1 uma= 1.661 x 10 -24 g por lo que g = 6.022 x10 23 uma Este ejemplo demuestra que el número de Avogadro se puede utilizar para convertir unidades de masa atómica a masa en gramos, y viceversa. Los conceptos de número de Avogadro y masa molar, permiten efectuar conversiones entre masa y moles de átomos, entre número de átomos y masa, así como para calcular la masa de un solo átomo. Para estos cálculos se emplearán los siguientes factores multiplicadores unitarios: Donde X representa el símbolo de un elemento. Masa fórmula: es la suma de las masas atómicas expresada en unidades de masa atómica (uma) de los elementos indicados en la fórmula química. La fórmula H 2 O, por ejemplo, indica que una molécula de agua está compuesta exactamente por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno. Su masa fórmula es la suma de la masa del átomo de hidrógeno (1.00794 uma) multiplicado por el número de veces que aparece en la fórmula (subíndice 2) más la masa de un átomo de oxígeno (15.999 uma), por tanto, la masa fórmula del H 2 O es 18.01528 uma. Generalmente se expresa el valor en número entero (redondeo); así la masa fórmula del agua es 18 uma, de hecho el redondeo se puede implementar desde el dato numérico de la masa del átomo. Para calcular la masa molar de un elemento es necesario conocer su masa atómica, y para ello se utiliza la tabla periódica de los elementos. Como las masas atómicas son números fraccionarios, para facilitar su manejo se redondea el valor obtenido de la tabla periódica, al entero más próximo. Si el número está 0.0, 0.1, 0.2, 0.3 se redondea al entero inmediato inferior, si es 0.4 o 0.5 se deja como 0.5 y si es 0.6, 0.7, 0.8, 0.9 se redondea al entero inmediato superior. Por ejemplo, el silicio (Si) tiene una masa atómica de 28.09 uma, por lo que se aproxima a 28 uma. 16 APLICA LA NOCIÓN DE MOL EN LA CUANTIFICACIÓN DE PROCESOS QUÍMICOS. Fórmula Elemento Peso o masa atómica Peso o masa atómica aproximada Número de átomos Pesos totales de cada elemento Masa fórmula NaOH Na O H 22.9897 15.9994 1.00794 23 uma 16 uma 1 uma 1 1 1 23 16 1 40 uma Al 2 (Cr 2 O 7 ) 3 Al Cr O 26.9815 51.9961 15.9994 27 uma 52 uma 16 uma 2 6 21 54 312 336 702 uma Masa molar: es la masa en gramos de un mol de átomos, moléculas o partículas de una sustancia; se representa con las unidades de gramos sobre mol (g/mol). Para todos los elementos (excepto los que se presentan en la naturaleza como moléculas diatómicas, como H 2 , Cl 2 ) la masa molar es la masa en gramos numéricamente igual al peso atómico del elemento en unidades de masa atómica. Por ejemplo, el peso atómico del Ca es 40 uma, por lo que su masa molar es 40 g/mol. Elemento Masa atómica (uma) Masa atómica (aproximada) Masa molar (gramos) Cantidad de átomos Ni 58.6934 59 59.00 6.022 x 10 23 C 12.0107 12 12.00 6.022 x 10 23 Fe 55.845 56 56.00 6 .022 x 10 23 Cl 35.453 35.5 35.50 6.022 x 10 23 O 15.9994 16 16.00 6.022 x 10 23 Para obtener la masa molar en los elementos de moléculas diatómicas se debe considerar que las partículas en un mol de ese elemento están constituidas por átomos. Por ejemplo, un mol de hidrógeno (H 2 ) es una molécula formada por dos átomos de hidrógeno, así un mol de moléculas de H 2 contiene 2 moles de átomos de hidrógeno. Por lo tanto, la masa molar de la molécula de H 2 es el doble de la masa molar del átomo dehidrógeno; es decir 2 x 1 g = 2 g. Elemento Masa atómica (uma) Masa molar (gramos) Cantidad de moléculas H 2 1 (1 x 2)= 2 6.022 x 10 23 Cl 2 35.5 (35.5 x 2)= 71.0 6.022 x 10 23 1 mol = 6.022 x 10 23 partículas = masa molar (gramos) 17 BLOQUE 1 Para determinar el número de moles (n) de una sustancia se tiene entonces la siguiente formula: n = m/PM Donde: n= número de moles m= masa del elemento o compuesto en gramos PM= peso o masa del mol de átomos o de moléculas en gr/mol Con los datos conocidos hasta ahora se pueden realizar algunos cálculos, por ejemplo: a) ¿Cuántos átomos de hierro (Fe) hay en 170 gramos de hierro? Datos: Masa atómica del hierro = 56 uma Masa de 1 mol de hierro= 56.00 g/mol 56.00 gramos de hierro 6.022 x 10 23 átomos de hierro 170 gramos de hierro x Despejando X: X = 6.022 x 10 23 átomos x 170 gramos de hierro 56.00 gramos de hierro X= 1.828107 x10 24 átomos de hierro existen en 170 gramos de hierro. b) El zinc (Zn) es un metal plateado que se utiliza para obtener el latón (con cobre) y para recubrir el hierro con objeto de prevenir su corrosión. ¿Cuántos gramos de Zn hay en 0.356 moles de Zn? Debido a que la masa molar (peso atómico) del Zn en de 65 g, la masa (m) del zinc en gramos está dada por: 1 mol de Zn 65 gramos de Zn 0.356 moles de Zn X X = 0.356 mol de Zn x 65.00 gramos de Zn 1 mol de Zn X= 23.14 gramos de Zn Por fórmula m=nPM Donde m= (0.356 mol) (65 gr/mol) Un factor de conversión es una relación que se deduce de la igualdad entre las unidades. Se usa de la siguiente manera: Unidad y datos conocidos conocidosdatosdeunidad deseadasUnidades = Respuesta en unidades deseadas Mineral de hierro (Magnetita) Piezas de latón 18 APLICA LA NOCIÓN DE MOL EN LA CUANTIFICACIÓN DE PROCESOS QUÍMICOS. c) ¿Cuántas moles de hierro representan 25.0 g de hierro (Fe)? Masa atómica de Fe= 56 uma, Masa molar de Fe= 56.00 gramos Se utiliza el factor de conversión apropiado para obtener moles. 25 g Fe Feg56.00 Femol1 = 0.446 moles de Fe Aplicando la fórmula: n=m/PM entonces, Femol/g. Feg n 0056 25 dando como resultado, n= 0.446 moles de Fe Volumen molar: al referirse a sustancias gaseosas resulta conveniente utilizar un término llamado volumen molar: “un mol de cualquier gas tendría el mismo volumen que un mol de otro gas en condiciones normales de temperatura y presión, también llamadas condiciones estándar TPN (0°C y 1 atm). El volumen de un gas que se comporta de manera ideal es directamente proporcional al número de partículas de gas presentes, si la temperatura y la presión se mantienen constantes. Esta relación es conocida como la Ley de Avogadro. La determinación experimental señala que bajo estas condiciones se tiene un volumen de 22.4 litros por mol de gas (22.4 l/mol). En la siguiente figura se muestra el ejemplo de un mol de argón (Ar), 1 mol de oxígeno (O 2 ) y un mol de nitrógeno (N 2 ). Cantidad: 1 mol 1mol 1 mol Masa: 40 g 32 g 28 g Número de 6.022x10 23 6.022x10 23 6.022x10 23 partículas Volumen: 22.4 l 22.4l 22.4l Presión: 1 atm 1 atm 1 atm Temperatura: 0°C 0°C 0°C Volumen molar Volumen que ocupa un mol de una sustancia. En el caso de sólidos y líquidos, este volumen depende de su densidad. En cambio, el volumen molar es el mismo para cualquier gas si las condiciones de presión y temperatura son las mismas; en condiciones normales,(1 atm y 0°C) el volumen molar de un gas es de 22.4 litros. 19 BLOQUE 1 Actividad: 2 En equipo, realicen los cálculos indicados en cada cuestionamiento. 1. Calcula la masa fórmula de cada uno de los siguientes compuestos: a) Dióxido de azufre (SO 2 ), uno de los responsables de la lluvia ácida b) Ácido ascórbico o vitamina C (C 6 H 8 O 6 ) 2. ¿Cuál es la masa molar del mercurio (Hg) y del ozono (O 3 )? Hg O 3 3. ¿Qué volumen ocupan 43 moles de CO 2 en condiciones normales o estándar? 20 APLICA LA NOCIÓN DE MOL EN LA CUANTIFICACIÓN DE PROCESOS QUÍMICOS. Evaluación Actividad: 2 Producto: Ejercicios. Puntaje: Saberes Conceptual Procedimental Actitudinal Distingue los conceptos de mol, masa fórmula, masa molar y volumen molar, así como la notación exponencial. Utiliza, en cálculos, los conceptos de mol, masa fórmula, masa molar, volumen molar a través de notación exponencial. Valora la importancia del mol para realizar cálculos químicos. Coevaluación C MC NC Calificación otorgada por el docente Actividad: 2 (continuación) 4. ¿Cuál es la masa en gramos de un solo átomo de cada uno de los siguientes elementos: As y Ni? 5. ¿Cuál de las siguientes cantidades contiene más átomos, 1.10 gramos de átomos de hidrógeno (H) o 14.7 gramos de cromo (Cr)) 6. Las feromonas son un tipo especial de compuestos secretados por las hembras de muchas especies de insectos con el fin de atraer a los machos para aparearse. Una de tantas feromonas tiene la fórmula molecular C 9 H 38 O. Normalmente, la cantidad de esta feromona secretada por un insecto hembra es alrededor de 1.0 x 10 -12 g . ¿Cuántas moléculas de feromona hay en esta cantidad? 21 BLOQUE 1 Ecuaciones químicas y cálculos estequiométricos. Las ecuaciones químicas brindan información cualitativa (tipo de átomos) y cuantitativa (cantidades de reactivos y productos). Cada símbolo y cada fórmula representan una cantidad específica de elementos y de compuestos. La determinación de las cantidades de sustancia que participan en una reacción química se lleva a cabo mediante un análisis cuantitativo, haciendo uso de la estequiometría. Se llama así a la rama de la Química que estudia la medición de las cantidades de reactivos y de productos en una reacción química. Este cálculo es indispensable porque no es suficiente saber cuáles son los componentes (análisis cualitativo) de una sustancia, ya sea reactivo o producto, sino que es importante determinar en qué cantidad se les puede producir. Por ejemplo, la producción de refrescos y de la mayoría de los cosméticos debe prepararse en las cantidades exactas (cuantitativo), ya que pequeñas alteraciones en esas cantidades pueden ocasionar grandes pérdidas o demandas legales contra las empresas fabricantes por los daños ocasionados. Por ello, conocer la composición de las sustancias y calcular sus reacciones, es una tarea fundamental de los químicos. Los cálculos estequiométricos se refieren a las relaciones cuantitativas que se establecen a partir de la información que brinda una ecuación química balanceada. Estas relaciones vinculan el número de moles de reactivos y de productos a través de los coeficientes de la ecuación química (relaciones estequiométricas). En una ecuación química balanceada los coeficientes se pueden interpretar tanto como los números relativos de moléculas (átomos) o como los números de moles. Por ejemplo, en la ecuación química balanceada para la obtención del agua: 2H 2 + O 2 2H 2 O Los coeficientes indican que 2 moléculas de hidrógeno reaccionan con 1 molécula de oxígeno para formar 2 moléculas de agua. Los números de moles son idénticos a los números relativosde moléculas, por lo que la ecuación balanceada proporciona suficiente información para realizar cálculos estequiométricos. También proporciona la siguiente información: Estas relaciones se pueden usar como factor de conversión para relacionar cantidades de reactivos de productos en una reacción química. 2H 2 (g) + O 2 (g) 2H 2 O(g) 2 moléculas de hidrógeno + 1 molécula de oxígeno 2 moléculas de agua 2 mol de hidrógeno + 1 mol de oxígeno 2 mol de agua 4 gramos de hidrógeno + 32 gramos de oxígeno 36 gramos de agua 2 (6.022x10 23 moléculas) de H 2 + 6.022x10 23 moléculas de O 2 2 (6.022x10 23 moléculas) de agua 2 (22.4 litros) de hidrógeno + 22.4 litros de oxígeno 2 (22.4 litros) de agua La masa molar de un elemento es numéricamente igual a su peso atómico expresado en gramos. Glosario: Estequiometría. Esta palabra deriva de los vocablos griegos stoichéon (elemento) y métron (medida). Por lo tanto, el significado etimológico del término es “medida de los elementos”. 22 APLICA LA NOCIÓN DE MOL EN LA CUANTIFICACIÓN DE PROCESOS QUÍMICOS. Leyes estequiométricas. La estequiometría tiene sus bases en cuatro leyes conocidas como leyes ponderales, y son: Ley de conservación de masa (Lavoisier) Ley de las proporciones definidas o constantes (Proust) Ley de las proporciones múltiples (Dalton) Ley de las proporciones recíprocas (Richter) Por medio de ellas se puede determinar los pesos y volúmenes de las sustancias que intervienen en una reacción química. Ley de conservación de masas: propuesta por Antoine Lauren Lavoisier; en ella se establece que la materia no se crea ni se destruye, es decir, en una reacción química la masa de los reactivos debe ser igual a la masa de los productos. En los cambios en sistemas aislados, varían las masas de las sustancias, pero no las de los elementos. La suma de las masas de los reactivos es igual a la suma de las masas de los productos. C + O 2 → CO 2 12g + 32 g → 44 g Ley de las proporciones definidas o constantes: se atribuye a Joseph Proust, quien realizó numerosos análisis para demostrar la composición constante de las sustancias químicas. Analizó muestras de carbonatos de cobre provenientes de diversas fuentes naturales y de la síntesis de laboratorio, y encontró que todas ellas tienen la misma composición. Observó que esto sucedía con otras sustancias. La Ley de Proust, como también se le conoce, establece que “los elementos que se combinan para formar un compuesto siempre lo hacen en proporciones de masa definida y en relaciones sencillas”. Por ejemplo, 1 gramo de agua pura, sea cual sea su procedencia, siempre estará compuesta por 0.11 g de hidrógeno y 0.89 g de oxígeno. En 100 gramos de agua 89 g son de oxígeno y 11 g de hidrógeno; de aquí que se puede hablar de la composición porcentual o centesimal del agua de un 89% de oxígeno y un 11% de hidrógeno, de igual forma se puede calcular la composición centesimal de los compuestos a partir de la fórmula química de los mismos. La relación en masa de los elementos que forman la molécula de agua (H 2 O) es: 4 gramos de hidrógeno y 32 g de oxígeno, es decir, una relación de 1:8 (por cada gramo de hidrógeno existen 8 de oxígeno). 2H 2 + O 2 2H 2 O 4 g + 32 g 36 g 4 átomos de H + 2 átomos de O 4 átomos de H y 2 átomos de O Ponderable Raiz del latín Susceptible de ser medido. Pesar con la balanza Ponderabilis 23 BLOQUE 1 Ley de las proporciones múltiples o Ley de Dalton.“Cuando dos o mas elementos se unen para formar una serie de compuestos, las cantidades de un mismo elemento se combinan con una cantidad fija de otro. Guardan entre sí una relación que corresponde a números enteros sencillos”. Por ejemplo, el carbono y el oxígeno se combinan para formar monóxido (CO) y bióxido de carbono (CO 2 ). En el CO la relación en masa es de 12 g de carbono por 16 de oxígeno; mientras que en el CO 2 la relación es de 12 g de carbono y 32 de oxígeno. Ley de las proporciones recíprocas. Jeremías Benjamín Richter en su trabajo con los ácidos y las bases, observó que si se mezclaban disoluciones de ácidos y bases, éstas se neutralizan, es decir, la mezcla no mostraba propiedades de ácido ni de base. Al estudiar este fenómeno midió la cantidad exacta de diferentes ácidos que se necesitaba para neutralizar una cantidad determinada de una base particular y viceversa. Mediante mediciones cuidadosas encontró que se requerían cantidades fijas y exactas. La generalización de este hecho a otros ejemplos ha llevado a enunciar la ley de las proporciones recíprocas o Ley de Richter o de los pesos equivalentes de la siguiente manera: las masas de los elementos que se combinan con una masa de un tercero, guardan la misma proporción que las masas de los dos cuando se combinan entre sí. Por ejemplo, 2 g de hidrógeno se combinan con 16 g de oxígeno para dar agua (H 2 O). Por otro lado 6 g de carbono reaccionan con 16 g de oxígeno para producir dióxido de carbono (CO 2 ). Hidrógeno (2 g) + Oxígeno (16 g) → Agua Carbono (6 g) + Oxígeno (16 g) → Dióxido de carbono De ello se podría deducir que, si el carbono y el hidrógeno se combinan entre sí, sus masas deben estar en la relación o bien decir que 2 g de hidrógeno reaccionan en forma equivalente con 6 g de carbono: masa de carbono/masa de hidrógeno = 6 / 2 Pues bien, existe un compuesto de carbono e hidrógeno, el metano, CH 4 , en el que las masas de carbono e hidrógeno están en dicha proporción. Carbono (6 g) + Hidrógeno (2 g) → Metano = 12g C + 4g H = 16 g CH 4 Compuesto Relación en masa Cl 2 O 70 a 16 Cl 2 O 3 70 a 48 Cl 2 O 5 70 a 80 Cl 2 O 7 70 a 112 Representación de la Ley de las proporciones múltiples. Mientras que la masa del cloro permanece constante, la masa del oxígeno aumenta en una relación sencilla de 1, 3, 5 y 7. Observa y analiza la figura: ¿Qué observaciones puedes hacer en el primer caso? ¿Qué interpretación l e das a los resultados en la 2da ecuación? ¿Qué conclusiones puedes obtener a partir del 3er experimento? ¿Cuál es la predicción en la reacción número 4? 24 APLICA LA NOCIÓN DE MOL EN LA CUANTIFICACIÓN DE PROCESOS QUÍMICOS. Resuelve lo que a continuación se te indica. Las relaciones ponderales se refieren a las relaciones de peso, masa, volumen y número de átomos que forman parte de los compuestos. Explica a qué se refiere cada una de éstas: Ley de Lavoisier o de conservación de la materia _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ Ley de Proust o de las proporciones constantes. _________________________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ Ley de las proporciones recíprocas. _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ Identifica la ley ponderal que aplica a cada una de las siguientes observaciones y explica brevemente tu razonamiento. a) Una muestra de cloruro de sodio proveniente de Baja California Sur contiene el mismo porcentaje en masa de sodio que otra muestra de cloruro de sodio proveniente de Sonora. _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ Actividad: 3 25 BLOQUE 1 Evaluación Actividad: 3 Producto: Descripción. Puntaje: Saberes Conceptual Procedimental Actitudinal Describe el significado de las leyes ponderales. Aplica las leyes ponderales. Aprecia la interpretación práctica de las leyes estequiométricas Autoevaluación C MC NC Calificación otorgada por el docente Actividad: 3 (continuación) b) La masa sumada de magnesio y oxígeno antes de ser usado el flash de una cámara fotográfica, es igual a la masa de óxido de magnesio encontrado después de usarlo o accionarlo. _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________ c) Al reaccionar, el arsénico y el oxígeno pueden formar dos sustancias: una en la que hay 65.2% de arsénico, y otra en la que el porcentaje en masa de arsénico es de 75.8%. _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________________ 26 APLICA LA NOCIÓN DE MOL EN LA CUANTIFICACIÓN DE PROCESOS QUÍMICOS. Relaciones estequiométricas. Las relaciones de una ecuación química pueden expresarse como relaciones de moléculas, de moles y de masas, así como de volúmenes si están implicados gases. El siguiente ejemplo ilustra la clase de información que puede deducirse de una ecuación química: 2 SO 2 (g) + O 2 (g) → 2 SO 3 (g) Cada Pueden relacionarse con Para dar 2 molé culas de SO 2 1 molécula de O 2 2 moléculas de SO 3 2 moles de SO 2 1 mol de O 2 2 moles de SO 3 128 g de SO 2 32 g de O 2 160 g de SO 2 44.8 litros de SO 2 22.4 litros de O 2 44.8 litros de SO 3 Relaciones estequiométricas. Para realizar un análisis estequiométrico a una reacción química, la ecuación química que representa la transformación debe escribirse correctamente; es decir, que los símbolos de los elementos y las fórmulas de los compuestos participantes, ya sea como reactivos o como productos, deben ser los correctos. Una vez que se ha escrito correctamente, el siguiente paso es balancear la ecuación química. Los cálculos que se pueden realizar a partir de esta ecuación química balanceada incluyen relaciones mol-mol, masa-masa, volumen-volumen o una combinación de algunos de ellos como mol-volumen, masa-mol o masa- volumen. Los cálculos que se realizan para buscar los moles que toman parte en una reacción se llaman problemas mol-mol. Por ejemplo: El amoniaco (NH 3 ) que se usa para producir fertilizantes se obtiene haciendo reaccionar hidrógeno y nitrógeno gaseosos a alta temperatura y presión. ¿Cuántos moles de nitrógeno se combinan con 23 moles de hidrógeno? La ecuación química sin balancear para la reacción es: N 2 + H 2 NH 3 1) Como primer paso balancear la ecuación química: N 2 + 3H 2 2NH 3 2) Una vez balanceada la ecuación química se interpreta en las unidades requeridas, en este caso el mol: N 2 + 3H 2 2NH 3 1 mol de N 2 + 3 mol de H 2 2 mol de NH 3 3) Identificar la relación y resolver el cálculo planteando una regla de tres simple: 1 mol de N 2 → 3 moles de H 2 X mol de N 2 → 23 moles de H 2 X mol de N 2 = (23 moles de H 2 ) (1 mol de N 2 ) 3 moles de H 2 X mol de N 2 = 7.666 moles de N 2 se combinan con 23 moles de H 2 27 BLOQUE 1 En 1897 Félix Hoffman, un químico de los laboratorios Bayer, en Alemania, preparó un compuesto del ácido acetilsalicílico que apareció en el mercado con el nombre de aspirina. Fue uno de los primeros fármacos comercializado en forma de comprimido. Las operaciones estequiométricas que buscan las masas de las sustancias que toman parte en una reacción se les conoce como problemas o relaciones masa-masa. Un ejemplo: El butano (C 4 H 10 ) es un gas combustible de uso común que se utiliza para cocinar y en la calefacción de los hogares. ¿Qué masa de dióxido de carbono se produce en la combustión de 450 gramos de butano? Solución: 1) Escribe la ecuación química balanceada: 2 C 4 H 10 + 13 O 2 → 8 CO 2 + 10 H 2 O 2) Establece la relación mol-mol, determina la masa molar de las sustancias mencionadas en el problema, multiplica la masa molar por el coeficiente estequiométrico correspondiente: Sustancia Pesos atómicos (uma) Operaciones Masa molar Multiplicado por el coeficiente de la ecuación C 4 H 10 C= 12 H= 1 C=12 X 4= 48 H= 1 X 10= 10 58 g/mol 2 C 4 H 10 2(58) = 116 g CO 2 C= 12 O=16 C= 12 x1= 12 O=16 x 2=32 44 g/mol 8 CO 2 8(44)= 352 g 2 moles de C 4 H 10 → 8 moles de CO 2 116 g de C 4 H 10 → 352 g de CO 2 450 g de C 4 H 10 → X g de CO 2 X g de CO 2 = (450 g de C 4 H 10 ) (352 g de CO 2 ) 116 g de C 4 H 10 X g de CO 2 =1365.517 g de CO 2 Conocido el volumen de una de las sustancias gaseosas participantes en condiciones determinadas, se puede encontrar el volumen de otras especies gaseosas que se encuentren en las mismas condiciones de temperatura y presión. Es decir, relación volumen-volumen. Por ejemplo: En la reacción de combustión del butano (C 4 H 10 ): 2 C 4 H 10 + 13 O 2 → 8 CO 2 + 10 H 2 O ¿Qué volumen de oxígeno se requiere para la combustión de 40 litros de butano? 1) Establece la relación mol-mol y a litros las especies involucradas en el problema, partiendo del volumen molar 1 mol de cualquier gas en condiciones normales ocupaun volumen de 22.4 litros. 1 mol de oxígeno ocupa 22.4 litros por lo tanto 8 moles ocuparán 104 litros. 1 mol de butano ocupa 22.4 litros los 2 moles de butano en la ecuación ocupan 44.8 litros Soplete especialmente diseñado para aquellos trabajos en cocina y pastelería que requieren un cierto grado de precisión. Depósito recargable para gas butano. Temperatura 1500º C. 28 APLICA LA NOCIÓN DE MOL EN LA CUANTIFICACIÓN DE PROCESOS QUÍMICOS. El número de moles está determinado por los coeficientes en la ecuación balanceada. Si no aparece el coeficiente, se sobreentiende que su valor es igual a uno 2) Ahora plantea la solución del problema: 2 moles de C 4 H 10 → 13 moles de O 2 44.8 litros de C 4 H 10 → 104 litros de O 2 40 litros de C 4 H 10 → X volumen de O 2 X volumen de O 2 = (104 litros de O 2 )(40 litros de C 4 H 10 ) 44.8 litros de C 4 H 10 X volumen de O 2 = 92.857 litros de oxígeno son necesarios para reaccionar con 40 litros de butano. Relaciones masa-mol-volumen. La aspirina, o ácido acetilsalicílico (C 9 H 8 O 4 ) es uno de los analgésicos más conocidos. Un método de laboratorio para su preparación es hacer reaccionar ácido salicílico (C 7 H 6 O 3 ) con anhídrido acético (C 4 H 6 O 3 ). La ecuación química de la reacción es: 2C 7 H 6 O 3 + C 4 H 6 O 3 2C 9 H 8 O 4 + H 2 O Si se quieren obtener 345 gramos de aspirina (C 9 H 8 O 4 ) ¿Cuántos moles de ácido salicílico (C 7 H 6 O 3 ) se requieren? Solución: Identificar en la ecuación las sustancias involucradas en el problema planteado y establecer la relación mol-mol y convertirlas en las unidades requeridas. Plantear la regla de tres simple por la que se resolverá el problema; la primera parte de la regla de tres se obtiene del enunciado del problema y la segunda se obtiene de la ecuación química balanceada: 2C 7 H 6 O 3 + C 4 H 6 O 3 2C 9 H 8 O 4 + H 2 O 2 moles deC 7 H 6 O 3 → 2 moles deC 9 H 8 O 4 Primera parte X moles C 7 H 6 O 3 → 345 gramos C 9 H 8 O 4 Segunda parte 2 moles C 7 H 6 O 3 → 360 gramos C 9 H 8 O 4 *Al convertir alguna sustancia presente en la ecuación, a moles litros o gramos; se debe utilizar el coeficiente estequiométrico para determinar este cálculo. C 9 H 8 O 4 C= 12 x 9= 108 H= 1 x 8= 8 O= 16 x 4= 64 180 gr/mol por lo que 360 gramos por dos moles X moles C 7 H 6 O 3 → 345 gramos C 9 H 8 O 4 2 moles C 7 H 6 O 3 → 360 gramos C 9 H 8 O 4 X moles C 7 H 6 O 3 = 2 moles C 7 H 6 O 3 x 345 gramos C 9 H 8 O 4 360 gramos C 9 H 8 O 4 29 BLOQUE 1 Resultado: 1.91 moles de ácido salicílico se requieren para la obtención de 345 gramos de aspirina C 9 H 8 O Un trozo de carbón pesa 57 gramos ¿Qué volumen de monóxido de carbono se produce al quemar esta cantidad de carbón? La ecuación química para esta reacción es: 2C(s) + O 2 (g) → 2CO(g) 2moles de C(s) → 2 moles de CO(g) Planteamiento: 56 gramos de carbón → 44.8 litros de CO 57 gramos de carbón → X litros de CO Resultado: 45.6 litros de monóxido de carbono se producen a partir de los 57 gramos de carbón. Actividad: 4 Realiza los siguientes cálculos estequiométricos. Un automóvil consume 5 litros de gasolina (C 8 H 18 ) por día. ¿Cuál es el volumen de dióxido de carbono (CO 2 ) que se acumula en la atmósfera por la combustión de esta cantidad de gasolina. La ecuación correspondiente es: 2C 8 H 18 + 25O 2 → 16CO 2 + 18H 2 O La disminución del ozono (O 3 ) en la estratosfera ha sido tema de gran preocupación entre los científicos en los últimos años. Se cree que el ozono puede reaccionar con el óxido nítrico (NO) que proviene de las emisiones de los aviones de propulsión, a alturas elevadas. La reacción es: 3O 3 + NO → 4O 2 + NO 2 Calcula el número de moles de ozono que se descomponen al reaccionar con 1234 gramos de óxido nítrico: 30 APLICA LA NOCIÓN DE MOL EN LA CUANTIFICACIÓN DE PROCESOS QUÍMICOS. Evaluación Actividad: 4 Producto: Cálculos estequiométricos. Puntaje: Saberes Conceptual Procedimental Actitudinal Comprende los cálculos estequiométricos. Resuelve ejercicios sobre cálculos estequiométricos que involucran relaciones mol-masa- volumen. Valora la importancia del mol para realizar cálculos estequiométricos. Autoevaluación C MC NC Calificación otorgada por el docente Actividad: 4 (continuación) Calcula el número de moles de ozono que se descomponen al reaccionar con 1234 gramos de óxido nítrico: El fertilizante sulfato de amonio (NH 4 ) 2 SO 4 se prepara mediante la reacción entre el amoniaco NH 3 y ácido sulfúrico H 2 SO 4 : 2NH 3(g) + H 2 SO 4(ac) → (NH 4 ) 2 SO 4(ac) ¿Cuántos litros de amoniaco se necesitan para producir 150 kilogramos de de sulfato de amonio? 31 BLOQUE 1 Composición porcentual y su relación con la fórmula mínima y molecular. Es común en nuestro entorno escuchar el término porcentaje o por ciento, al igual que observar su representación %; ejemplos cotidianos son el descuento en los centros comerciales, los datos sobre la composición de la población porcentaje de mujeres y hombres, la probabilidad de ganar algo en una rifa. Pero ¿Cómo se calcula, por ejemplo, el porcentaje de alumnos de un grupo que practican alguna actividad deportiva si el total de alumnos del grupo son 46, de estos 32 practican deporte y 14 no realizan ninguna actividad deportiva? ¿Cuál fue el porcentaje de alumnos que realizan actividades deportivas?: Total de alumnos: 32 + 14 = 46 Practican actividades deportivas= 32 No realizan actividades deportivas = 14 % Deportistas= Deportistas X 100 Total alumnos % Deportistas = 32 X 100 46 % Deportistas= 69.56 el resto 30.44 es el porcentaje de alumnos que no realizan actividades deportivas. Cuando los químicos realizan el análisis cuantitativo de una muestra, indican su composición en términos de porcentaje en masa o porcentaje en peso. El porcentaje en masa de un elemento presente en un compuesto en particular equivale al número de gramos del elemento presente en 100 gramos de compuesto. Cuando se conoce la fórmula del compuesto que se analiza, la masa de cada elemento presente en la sustancia se puede expresar en términos de porcentaje. En el caso inverso, si se conocen los elementos que constituyen un compuesto y el porcentaje en que están presentes, se puede determinar la fórmula del compuesto. Para calcular el porcentaje en masa de un elemento que forma parte de un compuesto partiendo de la fórmula, se requiere: Determinar la masa de un mol de la sustancia (masa molar) Dividir la masa del elemento presente en un mol de la sustancia entre la masa molar de la sustancia Multiplicar el cociente obtenido por 100 La expresión matemática es: 100 ciatansuslademolarMasa ciatansusdemol1enpresenteelementodelMasa elementodelmasaen% ¿Cómo calcularías el porcentaje de hidrógeno y de oxígeno presentes en la molécula de agua? 32 APLICA LA NOCIÓN DE MOL EN LA CUANTIFICACIÓN DE PROCESOS QUÍMICOS. Para calcular los porcentajes enmasa de hidrógeno y oxígeno presentes en la molécula de agua se debe determinar la masa de 1 mol de agua (H 2 O). Su fórmula indica que 1 molécula de agua está compuesta por dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno. Si la masa molar de un elemento es su masa atómica expresada en g/mol, entonces, a partir de esta información calcula la masa molar del agua: Hidrógeno: 2 mol (1 g/mol) = 2 g Oxígeno: 1 mol (16 g/mol) = 16 g Masa de 1 mol de H 2 O = 18 g Dividir la masa de cada elemento entre la masa molar del agua y multiplicar por 100. Porcentaje en masa del hidrógeno: Hde%. g g. 111100 18 2 Porcentaje en masa del oxígeno: Ode%. g g 888100 18 16 La determinación del porcentaje en masa de cada elemento en el carbonato de calcio (CaCO 3 ) se obtiene mediante los siguientes cálculos: CaCO 3 Masa molar = Ca= 40 x 1= 40 C=12 x 1 = 12 O= 16 x 3 =48 100g/mol 100 100 40 gramos gramos CadePorcentaje Porcentaje de Ca = 40 % 100 100 12 gramos gramos CdePorcentaje Porcentaje de C= 12 % 100 100 48 gramos gramos OdePorcentaje Porcentaje de O=48% La formula mínima o empírica. Proporciona la mínima relación de números enteros de los átomos de cada elemento presente en una molécula. Se obtiene con base en la composición porcentual, la cual se determina en forma experimental a partir del análisis del compuesto e indica sólo la proporción de los átomos presentes, expresada con los números enteros más pequeños posibles. Por su parte, la fórmula molecular, generalmente, es un múltiplo de números enteros de la fórmula mínima. La fórmula molecular. Proporciona el número real de átomos de cada elemento presente en una molécula. La formula real de un compuesto en algunos casos puede ser la fórmula mínima y en otros casos un múltiplo entero de ella. A la pirita de hierro, FeS 2 se le conoce como el oro de los tontos, pues se parece mucho al oro, y por ello engañó a los inocentes. La composición de la masa de la pirita es de 46.5% de hierro y 53.5% de azufre. Estas proporciones son las mismas en todas las muestras de pirita, es decir, son independientes del origen o cantidad de la sustancia. Trozo de pirita 46 % 54 % Composicion de la pirita de hierro. Azufre Fierro 33 BLOQUE 1 Para determinar la fórmula molecular (real) de un compuesto es necesario conocer, en primer lugar, la fórmula mínima y la masa molecular de dicho compuesto. Ahora bien, para obtener la fórmula mínima debemos saber la composición porcentual del compuesto y las masas atómicas de sus elementos. Para entender estos dos tipos de fórmula imagina que en tu salón de clases la proporción mínima de hombres y mujeres es de 2: 1 (fórmula mínima); pero, la cantidad real de mujeres y hombres es de 30:15 (fórmula molecular). ¿Cómo se puede determinar la fórmula mínima de un compuesto? Se puede determinar de la siguiente manera: 1. Se requiere la composición porcentual. 2. Dividir el % en peso de cada elemento entre su peso atómico para obtener la fracción proporcional del elemento. 3. Dividir los valores obtenidos entre el menor de ellos. 4. Si se obtienen fracciones, multiplicar los valores fraccionarios obtenidos por el mínimo común múltiplo. El glicerol, sustancia química presente en las lociones para manos, contienen 39.10% de carbono, 8.77% de hidrógeno y 52.13% de oxígeno. Determinar su fórmula su fórmula mínima. Solución: Carbono= 263 12 1039 . . Hidrógeno= 778 1 778 . . Oxígeno= 253 16 1352 . . Dividir los valores anteriores entre el menor valor obtenido (3.25). Carbono= 1 253 263 . . Hidrógeno= 692 253 778 . . . Oxígeno= 1 253 253 . . Se observa que uno de los valores obtenidos (2.67) no es un número entero. Para eliminar los decimales y obtener un número entero, debes multiplicar todos los valores por un número con el que se obtengan valores enteros. En este caso se multiplicará por 3: Carbono: 1.00 x 3= 3.00 Hidrógeno: 2.67 x 3= 8.01 se aproxima a 8 Oxígeno: 1.00 x 3= 3:00 34 APLICA LA NOCIÓN DE MOL EN LA CUANTIFICACIÓN DE PROCESOS QUÍMICOS. El conjunto de números enteros calculados se escribe como subíndice del elemento correspondiente: La fórmula mínima del glicerol: C 3 H 8 O 3 La fórmula molecular es un múltiplo de la fórmula mínima o empírica, se le suele llamar fórmula condensada o fórmula verdadera y nos indica el número total de átomos de cada elemento que se encuentra presente en una molécula de un compuesto. Para determinar la fórmula molecular: 1. Calcular el “peso fórmula” de la fórmula mínima, sumando los pesos atómicos de los elementos que le forman. 2. Establecer la relación del peso molecular con respecto al peso fórmula (fórmula mínima). Factor = Peso molecular/ Peso fórmula 3. Multiplicar el factor anterior, aproximado a un número entero, por los índices de la fórmula mínima, para obtener los índices de la fórmula molecular. Fórmula molecular = Factor (Fórmula mínima). Ejemplo: a) La fórmula mínima de un compuesto es CHO 2 , y su peso molecular es de 90, ¿Cuál es su fórmula molecular? Datos: Fórmula mínima = CHO 2 Peso molecular = 90 uma Peso fórmula = 12 + 1 + 32 = 45 Factor = 90 / 45 = 2 Fórmula molecular: Factor (fórmula mínima) Fórmula molecular: 2 (CHO 2 ) = C 2 H 2 O 4 35 BLOQUE 1 Cierre Actividad: 5 En equipo, resuelvan los siguientes problemas. ¿Cuál de las siguientes sustancias contiene la mayor masa de cloro? a) 5.0 gramos de Cl 2 b) 60.0 gramos de NaClO 3 c) 11.2 litros de Cl 2 d) 0.10 mol de KCl La reacción entre el óxido nítrico (NO) y el oxígeno para formar dióxido de nitrógeno (NO 2 ) es un paso determinante para la formación del smog fotoquímico: 2NO (g) + O 2(g) → 2NO 2(g) ¿Cuántos moles de oxígeno se consumen para formar 32 litros de NO 2 ? 36 APLICA LA NOCIÓN DE MOL EN LA CUANTIFICACIÓN DE PROCESOS QUÍMICOS. Las sustancias que aparecen enlistadas a continuación se utilizan como fertilizantes que contribuyen a la nitrogenación del suelo. ¿Cuál de ellas representa la mejor fuente de nitrógeno, basándose en su composición porcentual en masa? a) Urea (NH 2 ) 2 CO b) Nitrato de amonio NH 4 NO 3 c) Amoniaco NH 3 Calcula la composición porcentual de cada uno de los elementos del fosfato de calcio Ca 3 (PO 4 ) 2 , principal constituyente de los huesos. Actividad: 5 (continuación) 37 BLOQUE 1 Evaluación Actividad: 5 Producto: Ejercicios. Puntaje: Saberes Conceptual Procedimental Actitudinal Distingue los conceptos: mol, masa fórmula, masa molar, composición porcentual, fórmula mínima y fórmula molecular. Aplica los conceptos en la resolución de cálculos. Resuelve ejercicios en los que aplica conceptos Muestra una actitud positiva durante el trabajo en equipo. Valora la oportunidad de aprender de sus compañeros. Autoevaluación C MC NC Calificación otorgada por el docente Actividad: 5 (continuación) Determina la fórmula mínima del fosfato de calcio Ca3(PO4)2 La alicina es el compuesto responsable del olor característico del ajo. Un análisis de dicho compuesto muestra la
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