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• Masa atómica, concepto de mol y masa molar • Número de átomos por cantidad de elemento • Composición porcentual • Fórmula empírica y molecular • Ecuaciones químicas, Balanceo de ecuaciones • Cálculos estequiométricos • Reactivos limitante UC 5. ESTEQUIOMETRÍA La materia no puede ser creada o destruida en ningún proceso físico o químico, simplemente transformada. Por definición: 1 átomo 12C “pesa” 12 uma On this scale 1H = 1.0079 uma 16O = 15.9993 uma 7Li = 6.9412 uma Masa atómica es la masa de un átomo en unidades de masa atómica (uma) Mundo Micro átomos y moléculas Mundo Macro gramos ¿moléculas? Punta de micropipeta (1.0 μL, or 1.0*10-6L) (contiene 1018 – 1019 moléculas) ESTEQUIOMETRÍA 1 Amstrom 10-8 metros Una unidad especial para describir una gran cantidad de átomos o moléculas MOL El mol es la cantidad de una sustancia que contiene tantas entidades elementales (átomos, moléculas u otras partículas) como átomos hay exactamente en 12 g del isótopo de carbono-12. 1 mol de átomos de 12C 6.022*1023 átomos La constante de Avogadro (Número de Avogadro, NA) es una unidad, igual a 6.022 x 1023 partículas (átomos, moléculas, ...). NA = 6.022*10 23 Amedeo Avogadro (1776 – 1856) Número de Avogadro 1 mol = NA = 6.022*10 23 partículas 1 mol = NA = 6.022*10 23 partículas 1 docena = 12 huevos 1 par= 2 zapatos 1 mol de átomos= 6.022 x 1023 átomos elementos átomos compound moléculas ion iones 1 mol partículas = NA = 6.022*10 23 partículas 1 mol de iones = 6.022 x 1023 iones 1 mol de moléculas = 6.022 x 1023 moléculas 1 mol = NA = 6.022*10 23 partículas = Masa molar La masa molar (M, PM), definida como la masa (en gramos o kilogramos) de 1 mol de unidades (como átomos o moléculas) de una sustancia. 12C Masa atómica: 12 uma Masa molar: 12 gramos Número de Avogadro y masa molar de un elemento Para cualquier elemento masa atómica (uma) = masa molar (gramos) 1 mol de átomos de 12C = 6.022*1023 átomos de 12C 1 mol de moléculas de H2O = 6.022*10 23 moléculas de H2O 1 mol de iones NO3 - = 6.022*1023 iones NO3 - 1 mol = NA = 6.022*10 23 partículas Masa Molecular La masa molecular de un compuesto se calcula a partir de los valores de masa atómica de sus elementos constitutivos, de acuerdo con la fórmula molecular. Formula molecular del agua: H2O H = 2 * (masa atómica del H) O = 1 *( masa atómica del H) H = 2 *1.0079 O = 1 *15.9994 18.0152 uma Por lo tanto, 1 mol de moléculas de H2O tienen una masa de 18.0152 g. Molécula de agua (H2O) 1 mol = NA = 6.02*10 23 partículas 1 mol = Masa Molar Las relaciones del número de Avogadro y la masa molar nos permiten realizar conversiones entre masa y moles de átomos y entre moles y número de átomos gramos átomosmol gramos moléculasmol átomos M NA PM NA FM Elementos Compuestos Interpretando Fórmulas Químicas 7 Coeficiente estequiométrico Subíndice FORMULACIÓN QUÍMICA H3PO4 Ca3(PO4)2 NaCl Fe(OH)3 Ejemplos: Determine el masa molecular para: a) H2S04 Formula molecular del agua: H2SO4 H = 2 * (masa molar del H) O = 4 *( masa molar del O) S = 1 *(masa molar del S) H = 2 *1.0079 = 2.016 O = 4* 15.9994 = 64.00 S = 1 *32.064 = 32,064 98.1 g/mol Por lo tanto, 1 mol de moléculas de H2SO4 tienen una masa de 98.1 g Ejemplos: Determine el masa molar para: a) C12H22O11 a) Formula molecular del agua: C12H22O11 C = 12 * (masa molar del C) H = 22 *( masa molar del H) S = 11 *(masa molar del O) C = 12 *12.01 = 144.12 H = 22* 1,00794 = 22.17 O = 11 *15.9994 = 175,99 342.0 g/mol Por lo tanto, 1 mol de moléculas de C12H22O11 tienen una masa de 342.0 g Ejemplos: 1 mol de He = 4.003 g He = 6,022 x 1023 átomos de He 6,46 g He X mol de He M (Tabla periódica) 1 mol de He 4.003 g He 4.003 g He 1mol He Ejemplos: 6,46 g He X mol de He 6,46 g He x 1 mol de He 4.003 g He = 1,61 moles de He Ejemplos: ¿Cuántos átomos hay en 16.3 g de S? 16,3 g S X átomos de S 32,07 g S = 1 mol de S = 6,022 x 1023 átomos de S 6,022 x 1023 átomos de S 1 mol S __1 mol S__ 32,07 g S 16,3 g S moles de S átomos de S 16,3 g S x 1 mol S __ x 6,022 x 1023 átomos de S 32,07 g S 1 mol S = 3,06 x 1023 at. S Ejemplos: ¿Cuántos átomos hay en 16.3 g de S? 16,3 g S X átomos de S 1 mol de S = 32,07 g S = 6,022 x 1023 átomos de S 6,022 x 1023 átomos de S 32,07 g S 32 g de S_______ 6,022 x 1023 átomos de S OTRA SOLUCIÓN Ejemplos: ¿Cuántos átomos hay en 16.3 g de S? 16,3 g S X átomos de S 16,3 g S x 6,022 x 1023 átomos de S 32,07 g S = 3,06 x 1023 átomos de S Ejemplos: Calcule el número de átomos de H que hay en 0.350 mol de C6H1206. 1 mol de moléculas C6H12O6 12 moles de átomos de H 0,350 mol de C6H12O6 número de átomos de H 0,350 mol C6H12O6 x 12 mol de H_ x 6,022 x 10 23 átomos H 1 mol C6H12O6 1 mol de H = 2,53 x 1024 átomos H 1 mol de átomos de H 6,022 x 1023 átomos de H Ejemplos: 3. Calcule el número de átomos de H que hay en 0.350 mol de C6H1206. 1 moléculas C6H12O6 12 átomos de H 0,350 mol de C6H12O6 número de átomos de H 0,350 mol C6H12O6 x 6,022 x 10 23 moléculas C6H12O6 _ x 12 átomos de H 1 mol C6H12O6 1 molécula C6H12O6 = 2,53 x 1024 átomos H OTRA SOLUCIÓN 1 mol de C6H12O6 6,022 x 10 23 moléculas de C6H12O6 Se tienen 3 mol de ferrocianuro de potasio, K4[Fe(CN) 6] Determine: a) ¿Cuántos mol de átomos de potasio hay en la muestra? b) ¿Cuántos átomos de hierro hay en la muestra? c) ¿Cuántos mol de átomos de nitrógeno hay en la muestra? d) ¿Cuántos mol de moléculas de nitrógeno se pueden formar si todo el nitrógeno se convierte en la forma molecular? Cuál de las siguientes cantidades tiene mayor masa: 2 átomos de plomo o 5,1 x 10-23 moles de helio? 2 átomos Pb x 1 mol de Pb x ___207,2 g Pb___ 6,022 x 1023 átomos Pb 1 mol de Pb = 6,88 x 10-22 g Pb 5,1 x 10-23 mol He x 4,003 g He__ 1 mol de He = 2,24 x 10-21 MASA de 2 átomos de Pb < MASA 5,1 x 10-23 moles de helio Se tienen 0,10 mol de nitrato de bario, calcula: a) El número de átomos de bario en la muestra. b) El número de mol de átomos de oxígeno en la muestra. c) El número de moléculas de oxígeno que se obtendría si todo el oxígeno fuese convertido a la forma molecular. d) La masa en gramos de nitrógeno en la muestra. • Masa atómica, concepto de mol y masa molar • Número de átomos por cantidad de elemento • Composición porcentual • Fórmula empírica y molecular • Ecuaciones químicas, Balanceo de ecuaciones • Cálculos estequiométricos • Reactivos limitante UC 5. ESTEQUIOMETRÍA La materia no puede ser creada o destruida en ningún proceso físico o químico, simplemente transformada. Composición porcentual de un elemento en un compuesto (% p/p) Consiste en calcular el porcentaje de masa (%) de cada elemento en un compuesto, de acuerdo a su formula empírica. %𝑍 = 𝑛 ∗ 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑚𝑜𝑙𝑎𝑟 𝑑𝑒 𝑒𝑙𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑚𝑎𝑠𝑎𝑚𝑜𝑙𝑎𝑟 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑢𝑒𝑠𝑡𝑜 ∗ 100 n es el número de moles del elemento en 1 mol del compuesto Ejemplo: Calcule la composición porcentual de H3PO4 3.086% + 31.61% + 65.31% = 100% Peso H3PO4 : H = 3 * 1.008 g = 3.024 g P = 1 * 30.97 g = 30.97 g O = 4 * 16.00 g = 64.00 g 97.99 g H: 1.008 g P: 30.97 g O: 16.00 g C2H6O %C = 2 x (12.01 g) 46.07 g x 100% = 52.14% %H = 6 x (1.008 g) 46.07 g x 100% = 13.13% %O = 1 x (16.00 g) 46.07 g x 100% = 34.73% 52.14% + 13.13% + 34.73% = 100.0% Calcule la composición porcentual del C2H6O Ejercicios: 1. Calcule la composición porcentual de C12H22O11 %C = 42.1 %H = 6.4 %O = 51.5 2. Calcule el porcentaje en masa de nitrógeno en Ca(NO3)2 %N = 17.1% • Todas las sustancias que aparecen a continuación se utilizan como fertilizantes que contribuyen a la nitrogenación del suelo. Cuál de ellas representa una mejor fuente de nitrogeno, de acuerdo con su composiciónporcentual en masa? a) Urea (NH2)2CO b) Nitrato de amonio, NH4NO3 c) Guanidina, HNC(NH2)2 d) Amoniaco, NH3 • El alcohol cinámico se utiliza principalmente en perfumería, en especial en jabones y cosméticos. Su fórmula molecular es C9H10O. a) Calcule la composición porcentual en masa de C, H y O del alcohol cinámico. b) Cuántas moléculas de alcohol cinamico están presentes en una muestra de 0.469 g? Ejercicios: Calculo de la Formula Empírica a partir de su composición porcentual Ejemplo: ácido ascórbico (vitamina C) contiene Masa molar 40.92% C (12.001 g/mol) 4.58% H (1.008 g/mol) 54.50% O (15.994 g/mol) Determine su formula empírica Moles de cada elemento Masa(g) Formula empírica Relación de moles Porcentaje de masa Divida entre el número de moles menor Masa molar Suponga 100 g de muestra Cambiar a subindices enteros C H O 40.92% 4.58% 54.50% 40.92g 4.5g 54.50g 40.92𝑔 𝐶 1 𝑚𝑜𝑙 𝐶 12.001 g C 4.58𝑔 𝐻 1 𝑚𝑜𝑙 𝐻 1.008 g 𝐻 54.50𝑔 𝑂 1 𝑚𝑜𝑙 𝑂 15.994 g O = 3.4097 moles C = 4.544 moles C = 3.407 moles O 3.4097 3.407 = 1.0 4.544 3.407 = 1.33 3.407 3.407 = 1.0 1.0∗3 3 1.0∗3 1.33∗3 43 C3H4O3CxHyOz C1H1.33O1X La fórmula empírica se define como la relación molar mínima que involucra números enteros (para el ácido ascórbico es C3H4O3). Fórmula molecular considera todos los átomos que constituyen una molécula particular (para el ácido ascórbico es C6H8O6). Las fórmulas empíricas y moleculares no son siempre las mismas (por ejemplo, el ácido ascórbico). Ácido ascórbico (C6H8O6) Formula Empírica Formula Molecular C3H4O3 C6H8O6 Determinación de la Formula Molecular La fórmula calculada a partir de la composición porcentual es siempre la fórmula empírica. Para calcular la fórmula molecular, debemos conocer la masa molar aproximada del compuesto, además de su fórmula empírica. H2OH2O molecular empirical CH2O C6H6 CH N2H4 NH2 C2H2 CH C6H12O6 𝑛 = 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑚𝑜𝑙𝑎𝑟 (𝑚𝑜𝑙𝑒𝑐𝑢𝑙𝑎𝑟 𝑓𝑜𝑟𝑚𝑢𝑙𝑎) 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑚𝑜𝑙𝑎𝑟 (𝑒𝑚𝑝𝑖𝑟𝑖𝑐𝑎𝑙 𝑓𝑜𝑟𝑚𝑢𝑙𝑎) Determinación de la Formula Molecular 𝑛 = 𝑚𝑜𝑙𝑎𝑟 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑐𝑢𝑙𝑎𝑟 𝑓𝑜𝑟𝑚𝑢𝑙𝑎 𝑚𝑜𝑙𝑎𝑟 𝑚𝑎𝑠𝑎 (𝑒𝑚𝑝𝑖𝑟𝑖𝑐𝑎𝑙 𝑓𝑜𝑟𝑚𝑢𝑙𝑎) = 176.12 𝑔/𝑚𝑜𝑙 88.1 𝑔/𝑚𝑜𝑙 = 2 Ácido ascórbico (C6H8O6) Formula Empírica Formula Molecular C3H4O3 C6H8O6 Ejemplo: El mesitileno, un hidrocarburo que está presente en pequeñas cantidades en el petróleo crudo, tiene la fórmula empírica C3H4. El peso molecular de esta sustancia, determinado experimentalmente, es de 121 g/mol. Determine la fórmula molecular del mesitileno. 3(12.0 g/mol) + 4(1.0 g/mol) = 40.0 g/mol peso de la fórmula empírica, C3H4: 𝑛 = 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑚𝑜𝑙𝑎𝑟𝐹𝑚𝑜𝑙 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑚𝑜𝑙𝑎𝑟𝐹𝑒𝑚𝑝 = 121 40.0 = 3.02 𝐶3𝐻4 𝑛 𝐶3𝐻4 3 = 𝐶9𝐻12 Ejercicio: Una muestra de un compuesto contiene 1.52 g de nitrógeno (N) y 3.47 g de oxígeno (O). Se sabe que la masa molar de este compuesto está entre 90 g y 95 g. Determine la fórmula molecular y la masa molar del compuesto. formula empírica = NO2 masa molar empírica = 14.01 g + 2(16.00 g) = 46.01g 𝑛 = 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑚𝑜𝑙𝑎𝑟𝐹𝑚𝑜𝑙 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑚𝑜𝑙𝑎𝑟𝐹𝑒𝑚𝑝 = 90 46.1 ≈ 2 𝑁𝑂2 2 = 𝑁2𝑂4 92.0 g/mol /0,108 = 1 /0,108 = 2 Análisis por Combustión Determinación experimental de Formulas Empíricas Los compuestos que contienen C, H y O se analizan rutinariamente mediante combustión en una cámara como esta. – %C es determinada a partir de la masa de CO2 producida – %H es determinada a partir de la masa H2O producida – %O es determinado por diferencia después que las masas de C e H han sido determinadas. CnHnOn + O2 nCO2 + 1/2nH2O Análisis por Combustión Determinación experimental de Formulas Empíricas 1. El análisis químico nos dice la cantidad de gramos de cada elemento presentes en una cantidad dada de un compuesto. 2. Convertimos para cada elemento los gramos en moles. 3. Encontramos la fórmula empírica del compuesto. g CO2 mol CO2 mol C g C g H2O mol H2O mol H g H g de O = g de muestra – (g de C + g de H) 11.5 g Ejemplo: CnHnOn + O2 nCO2 + 1/2nH2O Análisis por Combustión 22.0 g 13.5 g Ejemplo: Suponga que en un experimento la combustión de 11.5 g de muestra producen 22.0 g de CO2 y 13.5 g de H2O. 1. Se calcula la masa de carbono y de hidrógeno en la muestra inicial de 11.5g de etanol: 2. 11.5 g de etanol contienen 6.00 g de carbon y 1.51 g de hidrógeno. Lo que sobra es oxígeno: 3. Ya con los datos de los pesos de cada elemento se puede determinar la Empirical formula C H O 6.00 g 1.51 g 4.00 g 6.00𝑔 𝐶 1 𝑚𝑜𝑙 𝐶 12.001 g C 1.51𝑔 𝐻 1 𝑚𝑜𝑙 𝐻 1.008 g 𝐻 4.00𝑔 𝑂 1 𝑚𝑜𝑙 𝑂 15.994 g O = 0.500 moles C = 1.50 moles H = 0.25 moles O 0.500 0.25 = 2.0 1.50 0.25 = 6.0 0.25 0.25 = 1.0 2 6 1 C2H6O Masa(g) Formula empírica Relación de moles Porcentaje de masa Divida entre el número de moles menor Masa molar Suponga 100 g de muestra Cambiar a subindices enteros Moles de cada elemento C: H : O 2.98: 7.98: 1 3 : 8 : 1 C3H8O Ejercicio: El alcohol isopropílico, una sustancia que se vende como alcohol para fricciones, se compone de C, H y O. La combustión de 0.255 g de alcohol isopropílico produce 0.561 g de CO2 y 0.306 g de H2O. Determine la fórmula empírica del alcohol isopropílico. /0,0043 Ejercicios * Cuando se realiza la combustión de un compuesto orgánico que contiene exclusivamente carbono, hidrógeno y nitrógeno se obtienen como productos 1.32 g de CO2 , 0.81 g de H2O y 0.46g de NO2. Determina: a) Su fórmula empírica. * Al quemar completamente 3,70 g de un compuesto puro que contiene únicamente carbono, hidrógeno y oxígeno, se producen 6,60 g de dióxido de carbono y 2,70 g de agua. Se sabe además, que 14,8 g del compuesto corresponden a 0,1 mol. Determina la fórmula empírica y la fórmula molecular del compuesto. • Una muestra de 3.87 mg de ácido ascórbico (vitamina C) por combustión genera 5.80 mg de CO2 y 1.58 mg de H2O. ¿Cuál es la composición en porciento de este compuesto (el porcentaje de masa de cada elemento)?. El ácido ascórbico contiene solamente C, H y O. • La composición en porciento del acetaldehído es 54.5% de C, 9.2% de H y 36.3 de O, y su masa molar es 44 g/mol. Determina la fórmula molecular del acetaldehído. • La cafeína, es un estimulante presente en el café que contiene 49.5% en masa de C, 5.15% de H, 28.9 de N y 16.5% de O; tiene una masa molar alrededor de 195 g/mol. • Al quemar una muestra de un hidrocarburo que contiene carbono e hidrógeno se producen 12.28 g de CO2 y 5.86 g de agua. a) ¿Cuántos gramos de muestra se quemaron? b) ¿Cuál es la composición porcentual de cada elemento en el compuesto? c) ¿Cuál es la fórmula empírica del compuesto orgánico? Ejercicios: Ejercicios: 1. El análisis de un compuesto dio la siguiente composición: K: 26,57% Cr: 35,36% O: 38,07%. Calcular la fórmula empírica del compuesto R/ K2Cr2O7 2. Un compuesto fue analizado y se encontró que contiene 13.5 g Ca, 10.8 g O, and 0.675 g H. ¿Cuál es al formula empírica del compuesto? R/ Ca(OH)2 Una reacción química un proceso en el que una sustancia (o sustancias) cambia para formar una o más sustancias nuevas. Una ecuación química usa los símbolos químicos para mostrar lo que sucede durante una reacción química Reacciones Químicas y Ecuaciones Químicas Ecuación Química Interpretación Molecular Interpretación en Moles Ag+ (aq) + NO3 - (aq) + Na+ (aq) + Cl- (aq) AgCl (s) + Na+ (aq) + NO3 - (aq) 2 CO (g) + O2 (g) 2 CO2 (g) HgO (s) Hg (l) + O2 (g) AgNO3 (aq) + NaCl (aq) AgCl (s) + NaNO3 (aq) NaCl (s) NaCl (aq) H2O Información adicional Balance de ecuaciones químicas: Método Visual Empiece balanceando esos elementos que aparecen sólo en un reactivo y un producto. C2H6 + O2 CO2 + H2O empiece con C o H pero no O 2 carbonos en la izquierda 1 carbono en la derecha multiplicar CO2 por 2 C2H6 + O2 2CO2 + H2O 6 hidrógenos en la izquierda 2 hidrógenos en la derecha multiplicar H2O por3 C2H6 + O2 2CO2 + 3H2O Balancee esos elementos que aparecen en dos o más reactivos o productos. 2 oxígenos en la izquierda 4 oxígenos (2x2) C2H6 + O2 2CO2 + 3H2O + 3 oxígenos (3x1) multiplicar O2 por 7 2 = 7 oxígenos en la derecha C2H6 + O2 2CO2 + 3H2O 7 2 quite la fracción multiplique ambos lados por 2 2C2H6 + 7O2 4CO2 + 6H2O Balance de ecuaciones químicas: Método Visual 5. Verifique para asegurarse de que tiene el mismo número de cada tipo de átomo en ambos lados de la ecuación. 3.7 2C2H6 + 7O2 4CO2 + 6H2O Reactivos Productos 4 C 12 H 14 O 4 C 12 H 14 O 4 C (2 x 2) 4 C 12 H (2 x 6) 12 H (6 x 2) 14 O (7 x 2) 14 O (4 x 2 + 6) Balance de ecuaciones químicas: Método Visual 1. Asigne letras a cada reactante y productos (a, b, …): a Cu + b HNO3 c Cu(NO3)2 + d H2O + e NO2 Cu + HNO3 Cu(NO3)2 + H2O + NO2 2. Haga una lista de los elementos y proponga ecuaciones dependiendo del número de átomos en cada compuesto Cu: equation 1 a = c H : equation 2 b = 2d N : equation 3 b = 2c + e O : equation 4 3b = 6c + d + 2e Balance de ecuaciones químicas: Método Algebraíco 3. Resuelva el sistema de ecuaciones. Asigne un valor arbitrario a la letra que aparezca en más ecuaciones Balance de ecuaciones químicas: Método Algebraíco a = c (1) b = 2d (2) b = 2c + e (3) 3b = 6c + d + 2e (4) a=1 c=1 Igualando (2) y (3) , sustituyendo c=1 y reordenando 2d – e = 2 *(-2) (5) Sustituyendo c=1 en (4) y reordenando: 5d – 2e = 6 (6) Suma algebraica ecuaciones (5) y (6): 2d – e = 2 (5) 5d – 2e = 6 (6) -4d +2 e = -4 (5) 5d – 2e = 6 (6) d = 2 3. Resuelva el sistema de ecuaciones. Asigne un valor arbitrario a la letra que aparezca en más ecuaciones a = 1 ; b = 4; c = 1 ; d = 2; e = 2 Cu + 4 HNO3 Cu(NO3)2 + 2 H2O + 2 NO2 Balance de ecuaciones químicas: Método Algebraíco a = c (1) b = 2d (2) b = 2c + e (3) 3b = 6c + d + 2e (4) Sustituyendo d=2 en (2) : b = 2*(2) b=4 Sustituyendo b=4 y c=1 en (3) : b = 2c + e e = b-2c e = 4-2*(1) e=2 Ejercicios: Balancear las siguientes ecuaciones: • Al + S8 Al2S3 • CO + O2 CO2 • C2H4 + O2 CO2 + H2O • Pb(NO3)2 + NaC l PbCl2 + NaNO3 • Mg2C3 + H2O Mg(OH)2 + C3H4 • Ca(OH)2 + HBr CaBr2 + H2O Ejercicios: Balancear las siguientes ecuaciones: • Al + S8 Al2S3 • CO + O2 CO2 • C2H4 + O2 CO2 + H2O • Pb(NO3)2 + NaC l PbCl2 + NaNO3 • Mg2C3 + H2O Mg(OH)2 + C3H4 • Ca(OH)2 + HBr CaBr2 + H2O • 16 Al + 3 S8 8 Al2S3 • 2 CO + O2 2 CO2 • C2H4 + 3 O2 2 CO2 + 2 H2O • Pb(NO3)2 + 2 NaCl PbCl2 + 2 NaNO3 • Mg2C3 + 4 H2O 2 Mg(OH)2 + C3H4 • Ca(OH)2 + 2 HBr CaBr2 + 2 H2O Tipos de Reacciones Químicas Clasificación de acuerdo a los cambios energéticos -Exotérmica -Endotérmica Clasificación de acuerdo a la reorganización de reactivos y productos -Síntesis o Combinación -Descomposición -Desplazamiento simple -Desplazamiento doble Tipos de Reacciones Químicas Clasificación de acuerdo al comportamiento químico o clasificación analítica Metátesis (Desplazamiento doble) -Precipitación -Ácido-base (Neutralización) Óxido-Reducción o Redox - Síntesis - Desplazamiento simple: metales o Hidrógeno - Desplazamiento simple: Desproporción (Dismutación) - Descomposición - Combustión Energía y Reacciones • Todas las reacciones químicas envuelven un cambio de energía. • La transferencia de energía, usualmente calor, entra o sale de la mezcla de reacción. • Cambio de energía: H (Entalpía) Algunas reacciones causan un aumento de la temperatura de la mezcla de reacción. Este tipo de reacción es llamada exotérmica. La mezcla de reacción proporciona energía térmica, por lo que el entorno aumenta de temperatura. Cambios Temperatura Algunas reacciones causan una disminución de la temperatura de la mezcla de reacción. Este tipo de reacción se llama endotérmica. La mezcla de reacción capta la energía térmica, por lo tanto, el entorno disminuye su temperatura Exotérmica vs. Endotérmica Reacciones endotérmicas y exotérmicas Energía debe ser suministrada al sistema para romper enlaces Energía es desprendida cuando se forman nuevos enlaces. Endotérmica Exotérmica Entalpía de la reacción es mayor a cero; ∆𝑯 > 𝟎 𝟐𝑪𝑶 𝒈 + 𝑶𝟐 → 𝑪𝑶𝟐 𝒈 ∆𝑯 = −𝟓𝟔𝟔 𝒌𝑱/𝒎𝒐𝒍 𝑪𝑶𝟐 𝒈 → 𝑪𝑶 𝒈 + 𝟏 𝟐 𝑶𝟐 ∆𝑯 = 𝟐𝟖𝟑 𝒌𝑱/𝒎𝒐𝒍 Entalpía de la reacción es menor a cero; ∆𝑯 < 𝟎 Síntesis o Reacciones de Combinación Ejemplos: N2 (g) + 3 H2(g) 2 NH3(g) C3H6 (g) + Br2 (l) C3H6Br2(l) 2 SO2(g) + O2(g) 2 SO3(g) 2 Mg (s) O2 (g) 2 MgO (s) + REDOX Reacción de Desplazamiento. Desplazamiento de Hidrógeno 2 Li(s) + 2H2O(l) 2 LiOH(ac) + H2(g) Zn(s) + 2HCl(ac) ZnCl2(ac) + H2(g) REDOX Zn (s) + CuSO4 (ac) ZnSO4 (ac) + Cu (s) Reacción de Desplazamiento. Desplazamiento de metal REDOX Reacción de Desplazamiento. Desplazamiento de metal Cu (s) + 2AgNO3 (ac) Cu(NO3)2 (ac) + 2Ag (s) REDOX Reacciones de Descomposición 2 H2O(l) 2 H2(g) + O2(g) CaCO3(s) CO2(g) + CaO(s) REDOX 2 HgO(s) 2 Hg(l) + O2(s) REDOX no-REDOX Reacciones de Combustión C2H6O(l) + 3 O2(g) 2 CO2(g) + 3 H2O(l) C5H12(g) + 8O2(g) 5CO2(g) + 6H2O(g) 2H2(g) + O2(g) 2H2O(l) 2Mg(s) + O2(g) 2MgO(s) (g) (g)(g)(g) REDOX Reacciones de precipitación Precipitado: sólido insoluble que se separa de la disolución 2 KI(ac) + Pb(NO3)2(ac) PbI2(s) + 2KNO3(ac) Reacciones Ácido-Base H2SO4(ac) + Mg(OH)2(ac) MgSO4(ac) + H2O(l) KOH(ac) + H2S(ac) K2S(ac) + H2O(l) HCl(ac) + NaOH(ac) NaCl(ac) + H2O(l) HCl(ac) + KOH(ac) CaCl2(ac) + H2O(l) Zn(s) + 2HCl(ac) ZnCl2(ac) + H2(g) Ca(s) + F2(g) CaF2(s) Precipitación, doble desplazamiento Ácido-Base, doble desplazamiento Redox, desplazamiento de H2 Redox, combinación Clasifique las reacciones siguientes: H2S(g) + O2(g) H2SO4; ∆H = - 184.6 kJ/mol Exotérmica, síntesis, redox BaCl2(ac) + Na2SO4(ac) BaSO4(s) + 2NaCl(ac) • Masa atómica, concepto de mol y masa molar • Número de átomos por cantidad de elemento • Composición porcentual • Fórmula empírica y molecular • Ecuaciones químicas, Balanceo de ecuaciones • Cálculos estequiométricos • Reactivos limitante UC 5. ESTEQUIOMETRÍA La materia no puede ser creada o destruida en ningún proceso físico o químico, simplemente transformada. Cantidad de Reactantes y Productos aA bB A y B 𝒂𝒎𝒐𝒍 𝑨 𝒃𝒎𝒐𝒍 𝑩 ; 𝒃𝒎𝒐𝒍 𝑩 𝒂𝒎𝒐𝒍 𝑨 molar ratios Método del Mol ESTEQUIOMETRÍA aA bB A y B 𝒂𝒎𝒐𝒍 𝑨 𝒃𝒎𝒐𝒍 𝑩 ; 𝒃𝒎𝒐𝒍 𝑩 𝒂𝒎𝒐𝒍 𝑨 Cantidad de Reactivos y Productos aA + bB cC + dD Mass A Atoms Molecules A Mol A Mol B Mass B Atoms Molecules B Relación Mol a Mol usando los Coeficientes de la ecuación química balanceada Relación molar ESTEQUIOMETRÍA Método del Mol ESTEQUIOMETRÍA Método del Mol ESTEQUIOMETRÍA Método del Mol ESTEQUIOMETRÍA Ejemplo: Considerar la combustión completa de butano, C4H10, el combustible de los encendedores desechables: a) Escribe la reacción del proceso y balancearla: b) Escribe las relaciones molares existentes 2 : 13 : 8 : 10 2 𝑚𝑜𝑙 𝐶4𝐻10 13 𝑚𝑜𝑙 𝑂2 ; 2 𝑚𝑜𝑙 𝐶4𝐻10 8 𝑚𝑜𝑙 𝐶𝑂2 ; 10 𝑚𝑜𝑙 𝐻2𝑂 13 𝑚𝑜𝑙 𝑂2 … Método del Mol ESTEQUIOMETRÍA Método del Mol ESTEQUIOMETRÍA Es recomendable calcular las masas moleculares de los compuestos involucrados en la reacción química: C4H10 C: 4 x 12 = 48 H: 10 x 1 = 10 58 g/mol MH= 1 g/mol - MC= 12 g/mol - MO= 16 g/mol Tabla Periódica CO2 C: 1 x 12 = 12 O: 2 x 16 = 32 44 g/mol H2O H: 2 x 1 = 2 O: 1 x 16 = 16 18 g/mol O2 O: 2 x 16 = 32 g/mol c) Calcule la masa de CO2 que se produce al quemar 1.00 g de C4H10 Método del Mol ESTEQUIOMETRÍA gramos de C4H10 → moles de C4H10 → moles de CO2 → gramos de CO2 2 moles de C4H10 8 moles de CO2 8 moles de CO2 2 moles de C4H10 d) Calculela masa de O2 que se necesita al quemar 1.00 g de C4H10 Método del Mol ESTEQUIOMETRÍA gramos de C4H10 → moles de C4H10 → moles de O2 → gramos de O2 2 moles de C4H10 13 moles de O2 13 moles de O2 2 moles de C4H10 Método del Mol 209 g CH3OH 1 mol CH3OH 32.0 g CH3OH x 4 mol H2O 2 mol CH3OH x 18.0 g H2O 1 mol H2O x = 235 g H2O gramos CH3OH moles CH3OH moles H2O gramos H2O masa molar CH3OH coeficientes de la ecuación química masa molar H2O ESTEQUIOMETRÍA ESTEQUIOMETRÍA Considere la combustion del monóxido de carbono (CO) en oxígeno gaseoso: 2CO(g) + O2(g) → 2CO2(g) Si la reacción se inicia con 3.60 moles de CO, calcule el número de moles de CO2 que se producen si hay suficiente oxígeno para reaccionar con todo el CO. Cual de las expresiones es correcta para la ecuación siguiente? 4NH3(g) + 5O2(g) → 4NO(g) + 6H2O(g) a) Se producen 6 g de H2O para cada 4 g de NH3 que ha reaccionado. b) Se produce 1 mol de NO por mol de NH3 que ha reaccionado. c) Se producen 2 moles de NO por cada 3 moles de O2 que ha reaccionado. Revisión de conceptos ESTEQUIOMETRÍA 6 verdes agotados 6 rojas sobre la izquierda Reactivos limitantes 3.9 Antes del inicio de la reacción Después de completada la reacción Reactivo limitante Reactivo en exceso Ecuación: C3H8 + 5 O2 3 CO2 + 4 H2O x 80.0 g O2 1.0 mol C3H8 44.0 g C3H8 22.0 g C3H8 x x = 5.0 mol O2 1.0 mol C3H8 32.0 g O2 1.0 mol O2 Ejemplo. En un recipiente de reacción, 22.0 g de propano (C3H8) se mezcla con 19.0 g de oxígeno molecular (O2) y reaccionan. a) Escriba una ecuación química balanceada para esta reacción b) Encuentre el reactivo limite. Hay 19.0 g O2 y se necesitarían 80.0 g O2 para poder reaccionar con todos los 22.0 g C3H8, como falta oxígeno, el oxígeno es el reactivo limitante. 22.0 g 19.0 g ¿Qué cantidad de oxígeno se requiere para que reaccione con todo el propano? ESTEQUIOMETRÍA Ecuación: C3H8 + 5 O2 3 CO2 + 4 H2O 22.0 g 19.0 g x 5.225 g C3H8 1.0 mol O2 32.0 g O2 19.0 g O2 x x = 1.0 mol C3H8 5.0 mol O2 44.0 g C3H8 1.0 mol C3H8 c) Cuanto sobra del reactivo en exceso? (22.0 – 5.225) = 16.775 g C3H8 sobran ¿Qué cantidad de propano se requiere para que reaccione con todo el oxígeno? Hay 22.0 g C3H8 y se necesitarían 5.225 g C3H8 para poder reaccionar con todos los 19.0 g O2, como sobra propano, el propano es el reactivo en exceso. ESTEQUIOMETRÍA c) Calcule la cantidad en gramos de CO2 que se produciría (se utiliza el RL) x 15.675 g CO2 1.0 mol O2 32.0 g O2 19.0 g O2 x x = 3.0 mol CO2 5.0 mol O2 44.0 g CO2 1.0 mol CO2 x 8.55 g H2O 1.0 mol O2 32.0 g O2 19.0 g O2 x x = 4.0 mol H2O 5.0 mol O2 18.0 g H2O 1.0 mol H2O d) Calcule la cantidad en gramos de H2O que se produciría (se utiliza el RL) ESTEQUIOMETRÍA ESTEQUIOMETRÍA En un proceso, 124 g de Al reaccionan con 601 g de Fe2O3 2Al + Fe2O3 Al2O3 + 2Fe Calcular la masa de Al2O3 formada. g Al mol Al mol Fe2O3 g Fe2O3 g Fe2O3 mol Fe2O3 mol Al g Al ¿Qué cantidad de óxido férrico se requiere para que reaccione con todo el aluminio? ¿Qué cantidad de aluminio se requiere para que reaccione con todo el óxido férrico ? ESTEQUIOMETRÍA 2Al + Fe2O3 Al2O3 + 2Fe 124 g Al 1 mol Al 27.0 g Al x 1 mol Fe2O3 2 mol Al x 160. g Fe2O3 1 mol Fe2O3 x = 367 g Fe2O3 124 g Al Requieren 367 g Fe2O3 Por lo tanto, Al será el reactivo limitante, reaccionarán 124 g de Al con 367 g Fe2O3 y quedarán sin reaccionar (601 g-367g)= 234 g de Fe2O3 cantidad de óxido férrico se requiere para que reaccione con todo el aluminio Esto significa que 124 g de Al requieren de 367 g de Fe2O3 para reaccionar completamente. 124 g 601 g ESTEQUIOMETRÍA g Al mol Al mol Al2O3 g Al2O3 124 g Al 1 mol Al 27.0 g Al x 1 mol Al2O3 2 mol Al x 102. g Al2O3 1 mol Al2O3 x = 234 g Al2O3 Calcular la masa de Al2O3 formada. (Se recomienda utilizar el R. L) 2Al + Fe2O3 Al2O3 + 2Fe 124 g 367 g + 234 g de Fe2O3 sin reaccionar ESTEQUIOMETRÍA 367 g Fe2O3 1 mol Fe2O3 159,7 g Fe2O3 x 1 mol Al2O3 1 mol Fe2O3 x 102. g Al2O3 1 mol Al2O3 x = 234 g Al2O3 2Al + Fe2O3 Al2O3 + 2Fe 124 g 367 g + 234 g de Fe2O3 sin reaccionar g Fe2O3 mol Fe2O3 mol Al2O3 g Al2O3 que reaccionaron 367 g Para los calculos de cantidad de producto formado, también se puede utilizar el reactivo que sobra, siempre que los calculos se hagan con la cantidad de reactivo que reaccionó. La urea [(NH2)2CO] se prepara por la reaccion del amoniaco con dioxido de carbono: 2NH3(g) + CO2(g) → (NH2)2CO(ac) + H2O(l) En un proceso se hacen reaccionar 637.2 g de NH3 con 1 142 g de CO2. a) .Cual de los dos reactivos es el reactivo limitante? b) Calcule la masa de (NH2)2CO que se formara. c) .Cuanto del reactivo en exceso (en gramos) quedara sin reaccionar al finalizar la reaccion? Rendimiento de reacción Rendimiento Teórico: Es la cantidad máxima de producto que podrá ser formada si reacciona todo el reactivo limitante. Se calcula a partir de la ecuación química balanceada. Rendimiento Real: La cantidad de producto realmente formado o recuperado cuando la reacción se lleva a cabo en el laboratorio. El rendimiento real es casi siempre menor que (y nunca puede ser mayor que) el rendimiento teórico. El rendimiento porcentual de una reacción es la relación de los rendimientos real y teórico, según: ESTEQUIOMETRÍA Ejemplo: Si se obtienen 14.981 g CO2, de la reacción de 22 g de propano con 19.0 g de oxígeno, cuál es el porcentaje de rendimiento de la reacción? ¿Qué cantidad teórica de CO2 se obtiene en la reacción? Este valor se obtiene teniendo en cuenta el reactivo limitante!!! ¿Qué cantidad real o experimental se obtiene de CO2? Este valor es el obtenido en el laboratorio!!! ESTEQUIOMETRÍA C3H8 + 5 O2 3 CO2 + 4 H2O ¿Qué cantidad teórica de CO2 se obtiene en la reacción? Primero debo determinar quien es el reactivo limitantes, para luego poder calcular la cantidad de dióxido de carbono que teóricamente debería formarse ESTEQUIOMETRÍA 22 g 19g C3H8 + 5 O2 3 CO2 + 4 H2O 22 g C3H8 1 mol C3H8 44.0 g C3H8 x 5 mol O2 1 mol C3H8 x 32. g O2 1 mol O2 x = 80 g O2 cantidad de oxígeno que se requiere para que reaccione con todo el propano cantidad de propano que se requiere para que reaccione con todo el propano 19 g O2 1 mol O2 32.0 g O2 x 1 mol C3H8 5 mol O2 x 44. g C3H8 1 mol C3H8 x =5,23 g C3H8 El reactivo limite es el oxígeno x 15.675 g CO2 1.0 mol O2 32.0 g O2 19.0 g O2 x x = 3.0 mol CO2 5.0 mol O2 44.0 g CO2 1.0 mol CO2 %𝑅 = 𝑟𝑒𝑛𝑑𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑟𝑒𝑎𝑙 𝑟𝑒𝑛𝑑𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜 ∗ 100 ¿Qué cantidad teórica de CO2 se obtiene en la reacción? Rendimiento teórico Rendimiento experimental: lo proporciona el problema 14.981 g CO2 Rendimiento real = 14.981 15.675 ∗ 100 = 95.6% ESTEQUIOMETRÍA 5,23 g 19g C3H8 + 5 O2 3 CO2 + 4 H2O Reaccionan: Sobran: Inicial: 22 g 19g 16,77 g Porcentaje de pureza Porcentaje de pureza es el porcentaje de masa de una sustancia respecto a la masa impura de la sustancia. %𝑃𝑢𝑟𝑖𝑡𝑦 = 𝑚𝑎𝑠𝑠 𝑜𝑓 𝑝𝑢𝑟𝑒 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑜𝑢𝑛𝑑 𝑒𝑛 𝑡ℎ𝑒 𝑖𝑚𝑝𝑢𝑟𝑒 𝑠𝑎𝑚𝑝𝑙𝑒 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑚𝑎𝑠𝑠 𝑜𝑓 𝑖𝑚𝑝𝑢𝑟𝑒 𝑠𝑎𝑚𝑝𝑙𝑒 ∗ 100% • Si una muestra impura es usada en una reacción química , el porcentaje de pureza debe ser usado en los calculos estequiométricos. • El porcentaje de pureza también puede ser determinado, en teoría, por medio de la cantidad de producto obtenido de la reacción, asumiendo que el rendimiento es del 100%. %𝑃 = 𝑚𝑎𝑠𝑠 𝑜𝑓 𝑝𝑢𝑟𝑒 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑜𝑢𝑛𝑑 𝑚𝑎𝑠𝑠 𝑜𝑓 𝑖𝑚𝑝𝑢𝑟𝑒 𝑠𝑎𝑚𝑝𝑙𝑒 ∗ 100% Ejercicios: 1. Calcule la masa de NaCl 97% presentes en 10 g de muestra. 97% = 𝑋 10 ∗ 100% 2. Considere la reacción de hidróxido de magnesio con ácido fosfórico 92.5% = 𝑋 15.0 ∗ 100% X = 9.7 𝑔 𝑁𝑎𝐶𝑙 𝑀𝑔(𝑂𝐻)2+𝐻3𝑃𝑂4 → 𝑀𝑔3(𝑃𝑂4)2 + 𝐻2𝑂 %𝑃 = 𝑚𝑎𝑠𝑠 𝑜𝑓 𝑝𝑢𝑟𝑒 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑜𝑢𝑛𝑑 𝑚𝑎𝑠𝑠 𝑜𝑓 𝑖𝑚𝑝𝑢𝑟𝑒 𝑠𝑎𝑚𝑝𝑙𝑒 ∗ 100% a) Calcule la masa de Mg3(PO4)2 que se debería formar (asumir rendimiento 100%) desde la reacción de 15.0g de Mg(OH)2 92.5% con un exceso de H3PO4. 13.875𝑔 𝑀𝑔(𝑂𝐻)2∗ 1 𝑚𝑜𝑙 𝑀𝑔 𝑂𝐻 2 58.3𝑔 𝑀𝑔 𝑂𝐻 2 ∗ 1 𝑚𝑜𝑙 𝑀𝑔3 𝑃𝑂4 2 3 𝑚𝑜𝑙 𝑀𝑔 𝑂𝐻 2 ∗ 262.9𝑔 𝑀𝑔3 𝑃𝑂4 2 1 𝑚𝑜𝑙𝑀𝑔3 𝑃𝑂4 2 𝑋 = 13.875𝑔 𝑑𝑒 𝑀𝑔 𝑂𝐻 2 3 𝑀𝑔(𝑂𝐻)2+ 2 𝐻3𝑃𝑂4 → 𝑀𝑔3(𝑃𝑂4)2 + 6𝐻2𝑂 = 20.9𝑔 𝑀𝑔3(𝑃𝑂4)2 88.5% = 84.49 𝑋 ∗ 100% %𝑃 = 𝑚𝑎𝑠𝑠 𝑜𝑓 𝑝𝑢𝑟𝑒 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑜𝑢𝑛𝑑 𝑚𝑎𝑠𝑠 𝑜𝑓 𝑖𝑚𝑝𝑢𝑟𝑒 𝑠𝑎𝑚𝑝𝑙𝑒 ∗ 100% b) Calcule la masa de Mg(OH)2 88.5% que se necesitaría para formar 127.0 g de Mg3(PO4)2 (asumir rendimiento 100%) 127.0 𝑔 𝑀𝑔3 𝑃𝑂4 2 ∗ 1 𝑚𝑜𝑙𝑀𝑔3 𝑃𝑂4 2 262.9𝑔 𝑀𝑔3 𝑃𝑂4 2 ∗ 3 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝑀𝑔(𝑂𝐻)2 1 𝑚𝑜𝑙𝑀𝑔3 𝑃𝑂4 2 ∗ 58.3𝑔 𝑀𝑔(𝑂𝐻)2 1 𝑚𝑜𝑙𝑀𝑔(𝑂𝐻)2 𝑋 = 95.47𝑔 𝑀𝑔 𝑂𝐻 2 3 𝑀𝑔(𝑂𝐻)2+ 2 𝐻3𝑃𝑂4 → 𝑀𝑔3(𝑃𝑂4)2 + 6𝐻2𝑂 = 84.49𝑔 𝑀𝑔(𝑂𝐻)2 3. Una muestra de 0.5273g de sulfato de plata impura fue tratada con un exceso de una solución de cloruro de sodio. Se obtuvieron 0.3572g de cloruro de plata. Calcular el porcentaje de pureza de la muestra de sulfato de plata. %𝑃 = 0.3885 0.5273 ∗ 100% = 73.68% 0.3572𝑔 𝐴𝑔𝐶𝑙 ∗ 1 𝑚𝑜𝑙 𝐴𝑔𝐶𝑙 143.3𝑔 𝐴𝑔𝐶𝑙 ∗ 1 𝑚𝑜𝑙 𝐴𝑔2𝑆𝑂4 2 𝑚𝑜𝑙 𝐴𝑔𝐶𝑙 ∗ 311.736𝑔𝐴𝑔2𝑆𝑂4 1 𝑚𝑜𝑙 𝐴𝑔2𝑆𝑂4 = 0.3885𝑔 𝐴𝑔2𝑆𝑂4 𝐴𝑔2𝑆𝑂4 + 𝑁𝑎𝐶𝑙 → 𝐴𝑔𝐶𝑙 + 𝑁𝑎2𝑆𝑂4 𝐴𝑔2𝑆𝑂4 + 2𝑁𝑎𝐶𝑙 → 2𝐴𝑔𝐶𝑙 + 𝑁𝑎2𝑆𝑂4 %𝑃 = 𝑚𝑎𝑠𝑠 𝑜𝑓 𝑝𝑢𝑟𝑒 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑜𝑢𝑛𝑑 𝑚𝑎𝑠𝑠 𝑜𝑓 𝑖𝑚𝑝𝑢𝑟𝑒 𝑠𝑎𝑚𝑝𝑙𝑒 ∗ 100%
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