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CICLO LETRA - CIENCIAS ACADEMIA ADC ACADEMIA “AMANTES DEL CONOCIMIENTO” CICLO LETRA - CIENCIAS Semana 4: Tema o tema: Estequiometria, concepto de mol, cálculos estequiométricos. Desde la época de Dalton, los químicos han reconocido la importancia de los números relativos de los átomos, como cuando se establece que dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno se combinan para formar una molécula de agua. Sin embargo, no podemos contar físicamente los átomos de una determinada muestra. Debemos recurrir a otras medidas, normalmente la masa. Esto significa que necesitamos una relación entre la masa medida de un elemento y algún número de átomos conocido, aunque no se pueda contar. Considere un ejemplo práctico de sustitución de la masa por un número determinado de artículos: si quiere colocar botones a varias chompas, necesita un cierto número de botones. Sin embargo, si tiene alguna idea de lo que pesan los botones, puede comprarlos por kilogramos. La magnitud SI que describe una cantidad de sustancia relacionándola con un número de partículas de esa sustancia se denomina mol. Un mol es una cantidad de sustancia que contiene el mismo número de entidades elementales que el número de átomos de carbono-12. El número de entidades elementales (átomos, moléculas,) en un mol es la constante de Avogadro, NA NA = 6,02214199x1023 mol-1 Con frecuencia redondeamos el valor de NA = 6,02x1023 mol-1. La unidad mol-1 significa que las entidades que se cuentan son las que están presentes en un mol. Si una sustancia contiene átomos de un solo isótopo, podemos escribir 1mol 𝐶6 12 = 6,02x1023 átomos 𝐶6 12 = 12,0000g 1mol 𝑂8 16 = 6,02x1023 átomos 𝑂8 16 = 15,9949g La mayor parte de los elementos contienen mezclas de dos o más isótopos. Los átomos que se cuentan para tener un mol no tienen todos la misma masa. Deben considerarse las proporciones en que se encuentran en la naturaleza. Así en 1 mol de carbono, la mayor parte de los átomos son de carbono-12, pero algunos son de carbono- 13. En un mol de oxígeno, la mayor parte de los átomos son de oxígeno – 16 pero algunos son de oxígeno- 17 y otros de oxígeno-18. Como resultado. 1mol de C = 6,02x1023 átomos de C = 12,011g 1mol de O = 6,02x1023 átomos de O = 15,9994g Podemos establecer la masa de un mol de átomos, llamada masa molar. CICLO LETRA - CIENCIAS ACADEMIA ADC Los conceptos de número de Avogadro y masa molar permiten efectuar conversiones entre masa y moles de átomos y entre moles y número de átomos. En estos cálculos se emplearán los siguientes factores de conversión: Donde x representa el símbolo del elemento. CICLO LETRA - CIENCIAS ACADEMIA ADC Masa atómica y masa molecular; masa molar Átomos, la teoría atómica fue propuesta por Dalton en 1805. Dalton creía que todos los átomos de un mismo elemento eran idénticos. En las décadas siguientes, los químicos se dieron a la tarea de determinar las masas relativas de los átomos de los distintos elementos, mediante análisis cuantitativos precisos. Mas de 100 años después de la propuesta de Dalton, las investigaciones con sustancias radiactivas demostraron que no todos los átomos de un mismo elemento eran idénticos. La tabla periódica reconoce las diferentes masas de los átomos y muestra la masa atómica promedio para cada uno de los elementos. Un elemento puede existir en varias formas isotópicas, en las que la cantidad de neutrones es distinta para cada isótopo; sin embargo, todos los átomos del mismo elemento tienen la misma cantidad de protones. Núcleos, todo átomo tiene un núcleo con carga eléctrica positiva, que contiene más de 99,9% de la masa total del átomo. En el núcleo se localiza una gran cantidad de partículas, pero los núcleos pueden describirse considerando sólo dos partículas. Esas partículas son el protón y el neutrón que, en forma general, se llaman nucleones. Estos dos nucleones tienen casi la misma masa (1 unidad de masa atómica, u, aunque comúnmente se usa uma). De esos dos nucleones sólo el protón tiene carga eléctrica, que es positiva. El tamaño de la carga del protón puede considerarse la unidad fundamental de carga para fenómenos atómicos y nucleares, porque no se ha descubierto carga menor que está en alguna partícula libre. A la carga del protón se le asigna el valor de +1 y todas las demás cargas se describen con relación a esa carga. Dado que el neutrón no tiene carga, la carga del núcleo de un átomo solo se debe a la cantidad de protones que tiene. Los átomos de todos los isótopos de cualquier elemento especifico tienen la misma cantidad de protones. A esa cantidad se le llama número atómico Z y es una característica del elemento. Los núcleos de distintos isótopos difieren en la cantidad de neutrones, que producen un número diferente de nucleones en los núcleos. Una forma de referirse a un isótopo especifico es indicando la cantidad total de nucleones, A, que se denomina número de masa. Los átomos de las diferentes formas isotópicas de un elemento, los núclidos, se diferencian usando el número de masa como superíndice a la izquierda del símbolo del elemento. Por ejemplo, el isótopo del nitrógeno que contiene 8 neutrones tiene un número de masa 15 y se representa como 15N (o N-15). CICLO LETRA - CIENCIAS ACADEMIA ADC Masas atómicas relativas Las masas de los átomos individuales son muy pequeñas. Hasta el átomo más pesado que se ha descubierto tiene una masa menor que 5x10-25kg. Conviene definir una unidad especial en la que las masas de los átomos se expresen sin tener que usar exponentes. Esa unidad se llama unidad de masa atómica y se representa con el símbolo u. Se define como exactamente igual a 1/12 de la masa de un átomo de 12C. La masa del átomo de 12C se define exactamente como 12u; la masa de 23Na es 22,9898u. Masas de algunos núclidos (u) 1H 1,00783u 12C 12,00000u 17O 16,99913 35Cℓ 34,96885 2H 2,01410u 13C 13,00335u 18O 17,99916 37Cℓ 36,96590 3H 3,01605 14C 14,00324 18F 18,00094 36Ar 35,96755 4He 4,00260 16C 16,01470 18Ne 18,00571 38Ar 37,96273 6He 6,01889 14N 14,00307 28Si 27, 97693 40Ar 39,96238 6Li 6,01512 15N 15,00011 29Si 28,97649 87Rb 86,90919 7Li 7,01600 16N 16,00610 30Si 29,97377 7Be 7,01693 16O 15.99491 32S 31, 97207 La mayor parte de las reacciones químicas discriminan poco entre los diversos isótopos. Por ejemplo, los porcentajes 54Fe, 56Fe, 57Fe y 58Fe son 5,8%; 91,8%; 2,1%; y 0,3%, respectivamente, en todos los minerales de hierro, meteoritos y compuestos de hierro obtenidos sintéticamente. Para fines químicos, también tiene interés conocer la masa promedio de un átomo de hierro en esta mezcla natural de isótopos. Estas masas promedio también se tabulan en términos de la unidad de masa u y se designan como Ar(E), donde E es el símbolo del elemento en particular. El termino masa atómica o masa atómica promedio, y la masa de núclido se utilizarán al indicar determinado isótopo de un elemento. El mol Todo experimento químico consiste en la reacción de enormes cantidades de átomos o moléculas. El termino mol se emplea para indicar un conjunto de un número grande y fijo de entidades químicas fundamentales, comparable con la cantidad que se manejaría en un experimento real. De hecho, en el SI se reconoce el mol como unidad de una de las cantidades dimensionalmente independientes, la cantidad de sustancia. La abreviatura de la unidad es mol. Un mol de átomos de cualquier elemento se define como la cantidad de sustancia que contiene la misma cantidad de átomos como hay átomos de carbono exactamente en 12g de 12C puro. A este número se le llama número de Avogadro o constante de Avogadro, NA. El valor de esta cantidad se puederelacionar con el valor de u, de la siguiente manera. CICLO LETRA - CIENCIAS ACADEMIA ADC Masa de 1 mol de átomos de 12C = NA x (masa de un átomo de 12C) 12g/mol = NA x 12u ESTEQUIOMETRÍA Parte de la química que trata de las relaciones cuantitativas entre las masas, los volúmenes y el número de moles de las sustancias como tal y su participación en una determinada reacción. Unidades químicas de cantidad, masa y volumen de las sustancias Unidad química de cantidad de sustancia El mol, cantidad de sustancia cuya masa en gramos es numéricamente igual al peso fórmula de la sustancia y que contiene el número de Avogadro de unidades (átomos, moléculas u otras partículas) siendo NA = número de Avogadro = 6,02x1023. Las fórmulas químicas muestran los átomos presentes en las moléculas de un compuesto covalente. En los compuestos iónicos, los cuales no forman moléculas, la fórmula química representa el número relativo de iones de cada elemento en ese compuesto. La cantidad mínima de un compuesto iónico que representa una fórmula química es una unidad fórmula. Así tenemos que en 1 mol de H2O hay 6,02x1023 moléculas de H2O 1 mol de NaCℓ (compuesto iónico) hay 6,02x1023 unidades fórmulas de NaCℓ, donde cada unidad fórmula está constituida por un ion Na+ y un ion Cℓ- Peso o masa atómicos Es el promedio de los pesos o masas de los isótopos de un elemento. Para los pesos de estos isótopos se usa una escala relativa en pesos y esto se hace tomando como base 1/12 de la masa del 𝐶6 12 Peso o masa atómica del H = 1,00 uma Peso o masa atómica del O = 16,00 uma Peso o masa atómica del C = 12,00 uma Peso o masa atómica del N = 14,00 uma CICLO LETRA - CIENCIAS ACADEMIA ADC Fórmula y peso fórmula La fórmula describe la composición atómica de los compuestos; así, la fórmula del agua es H2O lo cual indica que hay 2 átomos de hidrógeno por cada átomo de oxígeno en el compuesto. Fórmula mínima o empírica, muestra los tipos de elementos y la relación mínima entre ellos. Fórmula molecular, muestra el número, exacto de átomos de cada elemento en una molécula. Ejemplo para la glucosa la fórmula molecular es C6H12O6 y la fórmula mínima es CH2O Peso fórmula, el peso fórmula de una sustancia es la suma de los pesos atómicos de los elementos que participan en la fórmula tomados tantas veces como se indica en ella Ejemplo H2SO4 Peso fórmula = 2(1) + 1(32) + 4(16) = 98 CaSO4 Peso fórmula = 1(40) +1(32) + 4(16) = 136 NaOH Peso fórmula = 1(23) + 1(16) + 1(1) = 40 CaCO3 Peso fórmula = 1(40) + 1(12) + 3(16) = 100 Ca (OH)2 Peso fórmula = 1(40) + (16+1) x2 = 74 Fe (OH)3 PF = 56 + (16+1) x3 = 107 Fe2(SO4)3 PF = 56x2 + (32 + 16x4) x3 = 400 Número de moles (n) El número de moles de una cantidad de sustancia se puede determinar a través de una regla de tres simple o con la fórmula: 𝑛 = 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑚𝑜𝑙𝑎𝑟 para compuestos 𝑛 = 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑚𝑜𝑙𝑎𝑟 para elementos CICLO LETRA - CIENCIAS ACADEMIA ADC Composición porcentual de los compuestos La composición en porcentaje de un compuesto se calcula a partir de la fórmula del compuesto. La composición porcentual en masa es el porcentaje en masa de cada elemento obtenido a partir de sus pesos atómicos y de sus proporciones atómicas en el compuesto. Ejemplo El porcentaje de Na y H en el NaH es Peso fórmula: 23g es de Na + 1g es de H2 = 24g de NaH % de Na: 24g de NaH ---------------100% 23g de Na --------------- x x = 95,83% % de H: 24g de NaH ---------------100% 1g de H2 --------------- x x = 4,17% Fórmula empírica a partir de la composición La fórmula empírica es la fórmula de un compuesto expresada en la relación mínima que se puede calcular. Con frecuencia se debe analizar una sustancia para reunir información que permita identificarla. Para determinar la composición de una muestra se pueden usar varios métodos, y una forma eficaz de expresar estos datos es por peso. Los pesos se pueden convertir en moles y, el siguiente paso lógico, es expresarlos en una fórmula. La fórmula empírica no siempre es la fórmula molecular real; sin embargo, si contiene información importante. Por ejemplo, en el análisis de un compuesto se encontró 17,09% de magnesio, 37,93% de aluminio y 44,98% de oxígeno. (Los porcentajes son en peso, es decir, la cantidad de gramos del elemento por 100g del compuesto) (1) Elemento E (2) Masa de E por cantidad fija del compuesto (en este caso 100g), m(E) (3) Masa atómica de E, Ar(E) (4) Cantidad de E en moles de átomos, n(E) = 𝑚(𝐸) 𝐴𝑟(𝐸) (5) 𝑛(𝐸) 𝑀𝑒𝑛𝑜𝑟 𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑛(𝐸) Mg 17,09g 24,31g/mol 0,703 mol 1,00 Aℓ 37,93g 26,98g/mol 1,406 mol 2,00 O 44,98g 16,00g/mol 2,812 mol 4,00 CICLO LETRA - CIENCIAS ACADEMIA ADC Los números en la columna (4) representan la cantidad de moles de átomos de cada uno de los componentes de la sustancia que hay en 100g de la muestra. Estos tres números indican la relación de los componentes sustancia: 0,703; 1,406; 2,812. Se podría escribir la fórmula del compuesto como Mg0,703 Aℓ1,406 O2.812, pero, claro está, los números que se usen deben ser enteros. Si se divide las tres cantidades de moles entre el número mas pequeño (5) se conserva la relación, ya que los tres se dividen entre el mismo número y el resultado de la división si es una relación de números enteros. Esta relación final se puede usar para escribir correctamente la fórmula empírica MgAℓ2O4 Volumen molar El volumen de un mol de cualquier gas considerado ideal, que se encuentra a 273K de temperatura y 1 atmósfera de presión (condiciones normales = CN) es de 22,4 litros. Cálculos estequiométricos en reacciones químicas Para realizar cálculos estequiométricos debemos seguir los siguientes pasos: 1. Obtener una ecuación química balanceada. 2. Colocar debajo de la ecuación los datos (en moles, g, L, etc.) que se puedan obtener de la ecuación balanceada. 3. Colocar los datos y preguntas del problema con sus respectivas unidades debajo de las sustancias correspondientes en la ecuación. 4. Realizar las operaciones correspondientes. Reactivo limitante Es aquel reactante que está en menor proporción estequiométrica, y los otros son los reactivos en exceso. Los cálculos se realizan, por lo tanto, con el reactivo limitante. Reactivo limitante Sucede frecuentemente que, en los experimentos reales, las cantidades de reactantes presentes pueden diferir de aquellas cantidades relativas exigidas por la ecuación química balanceada. De este modo la reacción se detendrá tan pronto como uno de los reactivos se haya consumido en su totalidad. El reactivo que se consume totalmente y detiene la reacción química se denomina reactivo limitante porque es el que limita o determina la cantidad máxima de producto que se puede obtener. CICLO LETRA - CIENCIAS ACADEMIA ADC Reactivo limitante Se sabe por las leyes de la química que: H2(g) + Cℓ2(g) → 2HCℓ(g) 1 mol H2 reacciona 1 mol Cℓ2 → 2 mol HCℓ ¿Qué pasaría si en el sistema reaccionante se coloca 1,5moles de cloro? Veamos: H2(g) + Cℓ2(g) → 2HCℓ(g) Si mezclo: 1 mol H2 con 1,5 mol Cℓ2 → sigue dando 2 mol HCℓ Por lo tanto, como la estequiometria nos dice que la relación hidrógeno/cloro es 1:1 sobra 0,5 moles de cloro: reactivo en exceso El hidrógeno sería el reactivo que limita la reacción, es decir, no permite que reaccionen 1,5 moles de Cℓ2, sino solo 1mol (por la estequiometria). Reactivo limitante (dentro de una reacción química) Es aquel que no permite que el otro reactivo (reactivo en exceso) reaccione completamente, debido a que se encuentra en menorcantidad (se consume totalmente en la reacción) y determina la cantidad de producto que se forma. En el ejemplo anterior: Hidrógeno (H2): Reactivo limitante Cloro (Cℓ2): reactivo en exceso Para reconocer fácilmente cual es el reactivo limitante es recomendable tener en cuenta la relación estequiométrica en moles (no en pesos) Ejemplo: en un recipiente se hace reaccionar 19,6g de ácido sulfúrico con 80g de zinc. ¿qué sustancia es el reactivo limitante? ¿Cuántos gramos queda sin reaccionar de la sustancia que se encuentra en exceso? CICLO LETRA - CIENCIAS ACADEMIA ADC Solución; Escribir la ecuación balanceada y la relación estequiométrica H2SO4(ac) + Zn(s) → ZnSO4(ac) + H2(g) 1mol H2SO4 1 mol Zn 98g H2SO4 65g Zn - Determinar el número de moles para ambos reactivos: N° de moles de H2SO4 = 19,6g / 98g.mol-1 = 0,2mol N° de moles de Zn = 80g / 65g.mol-1 = 1,23 mol - Determinar el reactivo limitante (según la estequiometria de la reacción) 1mol H2SO4 reacciona con 1 mol Zn 0,2 mol H2SO4 reacciona con 0,2mol Zn Reactivo limitante: H2SO4 (se encuentra en menor cantidad) - Cantidad de reactivo en exceso: Sólo reacciona 0,2 moles de Zn; por lo tanto, las moles no reaccionan = 1,23 – 0,2 = 1,03 Luego la masa de Zn que no reacciona será: 1,03mol Zn x 65𝑔 𝑍𝑛 1𝑚𝑜𝑙 𝑍𝑛 = 67g Zn que no reacciona = 67g Reactivo limitante Cuando se indica la masa de uno de los reactivos, por lo general se supone que los otros reactivos se encuentran en cantidad suficiente para reaccionar, o que están en exceso. ¿Qué sucede si se indican las cantidades de más de un reactivo? Se tiene, entonces, la necesidad de determinar si hay escasez de uno o más reactivos, porque la reacción se detiene cuando se ha agotado ese reactivo. El reactivo en menor cantidad se llama reactivo limitante, y tomándolo como base se realizan los cálculos que muestran la cantidad esperada de productos. Todos los reactivos que no representan el reactivo limitante son reactivos en exceso. CICLO LETRA - CIENCIAS ACADEMIA ADC Pureza de reactivo En este caso debemos calcular el contenido real de reactante que va a reaccionar y que está en una muestra impura. Pureza de reactivos En toda relación estequiométrica solo se utilizan reactantes puros (sin mezcla con sustancias extrañas) Así, por ejemplo: 1kg de carbonato de calcio (CaCO3) impuro tendrá. Impurezas (esto no se incluye en la reacción química) CaCO3 puro (participa solo en la reacción química) Para los cálculos estequiométricos sólo se debe trabajar con el reactivo puro. Ejemplo: al descomponer por calentamiento 1kg de piedra caliza (CaCO3) que contiene 20% de impurezas en CO2 gas y CaO (s) ¿Qué peso de CO2(g) se producirá? Solución Se encuentra la cantidad de reactivo puro (sin impurezas) 100g CaCO3 impuro ____________100% X g de impurezas _______________20% Por consiguiente: x = 200g Impurezas Por lo tanto: 1000g – 200g = 800g de CaCO3 puro Luego se produce con el balance estequiométrico (masa – masa) CaCO3(s) → CaO(s) + CO2(g) 1mol CaCO3 produce 1mol CO2 100g CaCO3 produce 44g CO2 800g CaCO3 produce xg CO2 X = 800g CaCO3 x 44𝑔 𝐶𝑂2 100𝑔 𝐶𝑎𝐶𝑂3 X = 352g CO2 CICLO LETRA - CIENCIAS ACADEMIA ADC Rendimiento de la reacción Cuando se obtiene toda la cantidad posible de un producto de interés en una reacción se dice que el rendimiento de esta es el 100%. Si el producto es menor es conveniente definir rendimiento como: % de rendimiento = 𝑟𝑒𝑛𝑑𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑟𝑒𝑎𝑙 𝑟𝑒𝑛𝑑𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑡𝑒𝑜𝑟𝑖𝑐𝑜 x100 Porcentaje de rendimiento En las reacciones de laboratorio sucede frecuentemente que no siempre se puede obtener la cantidad máxima de producto que se considera teóricamente posible. La cantidad de producto que experimentalmente se obtiene se denomina producción real (o rendimiento real). La comparación entre el rendimiento real y el teórico de una reacción química nos proporciona una medida de la eficiencia del mismo. Esta comparación se expresa normalmente como porcentaje de rendimiento: Porcentaje de rendimiento = 𝑐𝑎𝑛𝑡𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑟𝑒𝑎𝑙 𝑐𝑎𝑛𝑡𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑡𝑒𝑜𝑟𝑖𝑐𝑎 x100% Rendimiento porcentual Antes de determinar el porcentaje del rendimiento se debe determinar el rendimiento teórico y el rendimiento real o practico. Rendimiento teórico Es la cantidad de producto que se obtendrá si el reactivo limitante se consume completamente en la reacción. Rendimiento real o practico El rendimiento real en una reacción es siempre menor que el teórico esto sucede por varias razones: - La reacción puede no llevarse a cabo en su totalidad porque no toda la cantidad de reactivo limitante se consume o reacciona. - Pueden ocurrir reacciones secundarias que también consuman el reactivo limitante. - También que el producto deseado, se pierda durante los procesos de separación y purificación que son etapas posteriores a la reacción. Por lo tanto, la reacción para formar un producto deseado tendrá un rendimiento porcentual expresado como: CICLO LETRA - CIENCIAS ACADEMIA ADC Rendimiento porcentual = 𝑟𝑒𝑛𝑑𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑟𝑒𝑎𝑙 𝑟𝑒𝑛𝑑𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜 x 100 Rendimiento de reacción La cantidad de reactivo limitante presente al inicio de una reacción determina el rendimiento teórico de la reacción, es decir, la cantidad de producto que se obtendrá si reacciona todo el reactivo limitante. Por lo tanto, el rendimiento teórico es el rendimiento máximo que se puede obtener, y se calcula partir de la ecuación balanceada. En la práctica, el rendimiento real, es decir, la cantidad de producto que se obtiene en una reacción casi siempre es menor que el rendimiento teórico. Existen muchas razones para explicar la diferencia entre el rendimiento real y teórico. Por ejemplo, muchas reacciones son reversibles, por lo que no proceden en 100% de izquierda a derecha. Aun cuando la reacción se complete en 100%, resulta difícil recuperar todo el producto del medio de reacción (por ejemplo, de una solución acuosa). Algunas reacciones son complicadas en el sentido de que los productos formados pueden seguir reaccionando entre si o con los reactivos, para formar aun otros productos. Estas reacciones adicionales reducen el rendimiento de la primera reacción. Para determinar la eficiencia de una reacción especifica, los químicos utilizan el termino porcentaje de rendimiento, que describe la proporción del rendimiento real con respecto al rendimiento teórico. % de rendimiento = 𝑟𝑒𝑛𝑑𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑟𝑒𝑎𝑙 𝑟𝑒𝑛𝑑𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜 x 100% El intervalo del porcentaje del rendimiento puede fluctuar desde 1 hasta 100%. Los químicos siempre buscan aumentar el porcentaje de rendimiento de las reacciones. Entre los factores que pueden afectar el porcentaje del rendimiento se encuentran la temperatura y la presión. CICLO LETRA - CIENCIAS ACADEMIA ADC
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