quiímica básica de reacciones, Apuntes de Diseño. Escuela Superior de Diseño de Madrid - ESD
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quiímica básica de reacciones, Apuntes de Diseño. Escuela Superior de Diseño de Madrid - ESD

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Asignatura: HP ATA, Profesor: Javier Javier, Carrera: Diseño Industrial, Universidad: arte-diseño
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Cantidades químicas

Estequiometría 1/4

QUÍMICA Las sustancias se pueden transformar, recombinando sus átomos Las reacciones químicas y su estequiometría

Cualquier sistema que nos propongamos estudiar desde un punto de vista químico estará formado por materia y energía. El conocimiento de la estructura de la materia y de las transformaciones que esta puede experimentar son las dos grandes preocupaciones de la Química. Todas las sustancias son susceptibles de sufrir un cambio químico, de reaccionar químicamente. ¿Cuándo hablamos de cambio químico? ¿qué implica éste?...: hablamos de cambio químico, o reacción química, para referirnos a los procesos en los que se producen modificaciones en la composición de alguna sustancia, convirtiéndose en otra u otras sustancias diferentes: en cualquier reacción química se forma alguna sustancia nueva, con propiedades diferentes a las de las sustancias de partida. Estos cambios implican una reordenación de los átomos, y esta reordenación es el resultado de la ruptura de unos enlaces químicos y la formación de otros nuevos. Cuando analizamos una reacción química nos debemos fijar en dos aspectos fundamentales:

. por un lado, los balances en la energía del sistema, como resultado de todas estas rupturas y formaciones de nuevos enlaces (al fin y al cabo los enlaces son interacciones entre los átomos o iones que formas las sustancias originadas por distintos tipos de fuerzas que los mantienen “unidos”, dando esta combinación y disposición espacial concreta de los átomos un nivel energético concreto para ese sistema, que se verá alterado cuando este se transforme, los átomos se reordenen y recombinen) ,

. por otro lado, los balances en las cantidades de las sustancias implicadas. Ahora nos vamos a ocupar de manejar estos balances de las cantidades de sustancias implicadas en una reacción. Hemos de tener siempre en mente que los átomos se reordenan, pero en una reacción química ni desaparecen, ni aparecen átomos nuevos. Es decir, tanto el número de átomos, como el tipo de estos, permanece inalterados, y lo que cambia son las sustancias que estos forman. De todas estas relaciones entre cantidades de átomos y de sustancias en las reacciones químicas es de lo que nos ocupamos cuando hablamos de la estequiometría de las reacciones. En un cambio químico, los átomos de las sustancias que intervienen se recombinan, intercambiando o compartiendo sus electrones, dando lugar a otras sustancias. En las reacciones químicas, una o más sustancias iniciales, los reactivos, se transforman en una o más sustancias nuevas, los productos. Las reacciones químicas las representamos mediante ecuaciones químicas, en las que se especifican los reactivos a la derecha, los productos a la izquierda, mediante sus fórmulas químicas (ver ficha: Moléculas y otras posibilidades), incluyendo las proporciones, en número de moles, de cada uno de ellos. Estas proporciones se expresan mediante unos coeficientes que se escriben delante de la fórmula química de cada sustancia. Además se suele detallar la forma (estado físico) en la que tenemos cada una de las sustancias, esto es: sólido (s), líquido (l), gas (g) o disolución acuosa (aq), esta información es especialmente relevante en termoquímica (ver ficha: Termoquímica). Por ejemplo: la siguiente ecuación química que representa la combustión de un hidrocarburo:

2C8H18 (l) + 25 O2 (g) 16 CO2 + 18 H2O (l)

Estequiometría: relación masa-masa y mol-mol Para que una ecuación química sea cuantitativamente correcta, debe estar ajustada; es decir, cada lado de la ecuación debe tener el mismo número de átomos de cada elemento (los átomos se reordenan, pero ni desaparecen ni aparecen átomos nuevos). Por tanto, de lo primero que nos tenemos que preocupar cuando escribamos la ecuación de una reacción química es de analizar si esto se cumple: debemos ajustar los coeficientes incluidos delante de la fórmula de cada elemento o compuesto de forma que los moles de cada elemento sean los mismos a cada lado de la ecuación. Los coeficientes de una ecuación química nos indican la proporción en moles, pero no en gramos. Ahora bien, la conversión entre unidades de cantidad de masa y de cantidad de sustancia no implica ningún problema (ver ficha: Mol).

Reacción química:

Proceso en el que se produce la transformación de algunas sustancia debido a la reordenación de los átomos que la constituyen. Esta reordenación es consecuencia de la ruptura y formación de enlaces entre los átomos que están en juego.

Reactivos: Sustancias que constituyen el estado inicial de una reacción química.

Productos:

Resultado de la conversión de los reactivos mediante una reacción química.

Ecuación química:

Representación de una reacción químicas que incluye las fórmulas químicas de los reactivos y los productos, así como información sobre el estado físico en el que se encuentran y la relación de moles que existe entre ellos.

Estequiometría: Relaciones cuantitativas de las reacciones químicas.

Autora: Mercedes de la Fuente Rubio UNIVERSIDAD NACIONAL DE EDUCACIÓN A DISTANCIA

Estequiometría 2/4

QUÍMICA Las sustancias se pueden transformar, recombinando sus átomos Las reacciones químicas y su estequiometría

Reactivos en exceso y reactivos limitantes

Como hemos visto, la estequiometría de una reacción química determina las proporciones correctas entre los diferentes reactivos que participan en ella. Así, imaginemos dos reactivos, A y B que reaccionan de forma que 1 mol de A y 2 moles de B dan un mol de un determinado producto (P). Si ponemos en un medio de reacción cantidades tales que existan 3 moles de B por cada mol de A, habrá parte del reactivo B que no podrá reaccionar: decimos que este reactivo está en exceso. Al otro reactivo, que es el que limita la cantidad de producto que se puede obtener es al que denominamos reactivo limitante.

¿Porqué el producto obtenido no es igual al producto esperado en teoría?

Existen diversos factores, como pueden ser la presencia de impurezas en los reactivos, las pérdidas de producto, existencia de reacciones laterales, etc. que hacen que la cantidad de producto que realmente obtenemos a través de una reacción química, en muchos casos, sea menor de la esperada de acuerdo con la estequiometría de la reacción. Para dar cuenta de esto hablamos del rendimiento de la reacción, expresando así la relación entre el producto obtenido y el esperado, expresado en tanto por ciento:

100 esperado producto de cantidad obtenida producto de cantidadorendimient % ×=

A + 2B P

Reactivo en exceso:

Reactivo que sobra en el medio de reacción, ante la existencia de un reactivo que limita la reacción química.

Reactivo limitante:

Reactivo que limita la cantidad de producto producido en una reacción química.

Rendimiento de una reacción

Da cuenta de la eficacia de una reacción, indicando el tanto por ciento de producto obtenido frente al esperado según la estequiometría de la reacción.

Otros conceptos relacionados que conviene recordar/consultar Fórmulas químicas. Ver ficha:Moléculas y otras posibilidades

Termoquímica.ver ficha:Termoquímica Conversión entre unidades de cantidad de masa y de cantidad de sustancia. Ver ficha: Mol

Autora: Mercedes de la Fuente Rubio UNIVERSIDAD NACIONAL DE EDUCACIÓN A DISTANCIA

Estequiometría 3/4

QUÍMICA Las sustancias se pueden transformar, recombinando sus átomos Las reacciones químicas y su estequiometría

Autora: Mercedes de la Fuente Rubio UNIVERSIDAD NACIONAL DE EDUCACIÓN A DISTANCIA

Por ejemplo…

Podemos obtener en el laboratorio ácido clorhídrico (HCl) mediante la adicción de ácido sulfúrico(H2SO4) a sal común (NaCl):

a) ¿Cuál es la ecuación química que representa a esta reacción? b) Disponemos de 100 mL de una disolución de H2SO4 al 70%, cuya densidad es de

1,61 gr/mL, si se lo añadimos a una disolución acuosa que contiene 117 gramos de NaCl ¿cuánto ácido clorhídrico podremos obtener?

c) Si con estas cantidades de reactivos obtenemos, en realidad, 50 gramos de HCl ¿cuál es el rendimiento de la reacción?

d) Y si optimizamos las condiciones, de forma que conseguimos que el rendimiento de nuestra reacción sea al 80 % ¿Qué cantidad, en gramos, de HCl obtendremos? ¿y de sulfato de sodio?

Masas atómicas: H=1; O = 16; Na= 23; S = 32; Cl = 35,5 Solución:a) ¿Cuál es la ecuación química que representa a esta reacción?

Atendiendo a los productos y reactivos la ecuación será: NaCl + H2SO4 → Na2SO4 + HCl que tendremos que ajustar estequiométricamente, por tanto quedará como:

2 NaCl + H2SO4 → Na2SO4 + 2 HCl

b) Disponemos de 100 mL de una disolución de H2SO4 al 70%, cuya densidad es de 1,61 gr/mL,

si se lo añadimos a una disolución acuosa que contiene 117 gramos de NaCl ¿cuánto ácido clorhídrico podremos obtener?

En 100 mL de una disolución de H2SO4 cuya densidad es de 1,61 gr/mL tendremos 161 gramos de masa, de la cual, el 70% es de H2SO4, luego: Masa de H2SO4 = 161 g x 70 /100 = 112,7 gramos de H2SO4 (ver ficha: Disoluciones)

Como la masa molar del H2SO4 es de 98 g (ver ficha: Moléculas y otras posibilidades); en ese volumen tendramos 1,15 moles de H2SO4 Por otra parte, la masa molar del NaCl es de 58,5 gramos. Como disponemos de 117 g, tendremos 2 moles de NaCl. Vemos que la estequiometría de la reaccion es:

2 moles NaCl:1 mol de H2SO4 Y nosotros tenemos

2 moles de NaCl:1,15 moles de H2SO4 Luego, claramente, tenemos moles de ac. sulfúricoen exceso, o lo que es lo mismo, en este caso el NaCl será el reactivo limitante. Es decir, como máximo podremos obtener la cantidad de HCl que determina la cantidad de NaCl que tenemos, y quedará en el medio de reacción parte del H2SO4 sin reaccionar. Suponemos por tanto que todo el NaCl se convierte en HCl, entonces tendremos que:

por 2 moles de NaCl, podremos obtener 2 moles de HCl o lo que es lo mismo:

por cada 117 gramos de NaCl podremos obtener 73 gramos de HCl

Estequiometría 4/4

QUÍMICA Las sustancias se pueden transformar, recombinando sus átomos Las reacciones químicas y su estequiometría

c) Si con estas cantidades de reactivos obtenemos, en realidad, 50 gramos de HCl ¿cuál es el rendimiento de la reacción?

El rendimiento será la relación entra la cantidad real de producto obtenido y la la cantidad que esperaríamos obtener si se cumple la estequiometría de la reacción, expresado en tanto por ciento, luego:

cantidad de producto obtenida 50 g% rendimiento 100= 100 = 68,5% cantidad de producto esperado 73 g = × ×

d) Y si optimizamos las condiciones, de forma que conseguimos que el rendimiento de nuestra

reacción sea al 80 % ¿Qué cantidad, en gramos, de HCl obtendremos? ¿y de sulfato de sodio?

Como hemos visto:

por cada 2 moles de NaCl, podremos obtener 2 moles de HCl, o lo que es lo mismo, por cada 117 gramos de NaCl podremos obtener 73 gramos de HCl.

Es decir, lo máximo que podremos obtener de HCl (100%) serán 73 g. Si obtenemos en realidad el 80%, esto será:

80Cantidad obtenida de HCl 7 x = 58,4 g 100

=

Estos gramos de HCl (58,4 g) equivalen a 1,6 moles de HCl (58,4 g/36,5 g mol-1). De acuerdo con la estequiometría de la reacción, la relación entre los productos obtenidos es:

1 mol de Na2SO4 : 2 moles de HCl

Luego, si obtenemos 1,6 moles de HCl, tendremos 0,8 moles de Na2SO4. Masa molar del Na2SO4 = 1 g; por tanto 0,8 moles de Na2SO4 = 113,6 gramos de Na2SO4.

Otros ejercicios + soluciones

Se hacen reaccionar 10 gramos de N2(g) con 1 gramo de H2(g), obteniéndose amoniaco, NH3(g): a) está alguno de los dos reactivos en exceso; b) ¿cuánto NH3(g) podríamos obtener de acuerdo con la estequiometría de esta reacción; c) si se obtienen 2,12 gramos de NH3 ¿cuál es el rendimiento de esta reacción? Solución: a) reactivo en exceso: el N2 (por tanto el H2 es el reactivo limitante); b) 5,67 g; c) 37,4 %

Autora: Mercedes de la Fuente Rubio UNIVERSIDAD NACIONAL DE EDUCACIÓN A DISTANCIA

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