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TECNICOS

UNIVERSITARIOS

Dr. MANUEL SAAVEDRA GONZLEZ

Dr. Manuel Saavedra manuel.saavedra@usm.cl

QUIMICA

GENERAL

LEYES FUNDAMENTALES DE LAS COMBINACIONES QUMICAS

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LEYES FUNDAMENTALES DE LAS

COMBINACIONES QUMICAS

En este captulo se exponen, siguiendo un orden histrico, las leyes de las reacciones qumicas, que iniciadas por la ley de conservacin de la masa de Lavoisier, condujeron a la teora atmica. 6.1. LEY DE LA CONSERVACIN DE LA MASA

Si pesamos una cierta cantidad de arena y otra de sal, y a continuacin las mezclamos, comprobaremos que la masa de la mezcla es igual a la suma de las masas de los componentes. Pero en una reaccin qumica donde, como se sabe, unas sustancias desaparecen y aparecen otras de distintas propiedades, se conserva tambin la masa?. Lavoisier respondi a esta pregunta afirmando: la masa no se crea ni se destruye, slo se transforma.

La masa de un sistema permanece invariable cualquiera que sea la transformacin que ocurra dentro de l; esto es en trminos qumicos que la masa de los reaccionantes o reactantes es igual a la masa de los productos de la reaccin.

En un sistema cerrado, es decir, sin intercambio de materia con el exterior, la masa total de las sustancias existentes no cambia aunque se produzca cualquier reaccin qumica entre ellas.

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6.2. LEY DE LAS PROPORCIONES DEFINIDAS (Ley de Proust)

Anteriormente se ha dicho, al diferenciar las mezclas de los compuestos, que todo compuesto contiene siempre los mismos elementos en exactamente las mismas proporciones en peso. Esta generalizacin constituye la Ley de las proporciones definidas o la Ley de la composicin constante, enunciada por Louis Proust:

Cuando dos o ms elementos (o compuestos) se combinan para formar un mismo compuesto lo hacen siempre en una relacin de peso invariable.

Si se hacen reaccionar, en condiciones cuidadosamente controladas, por ejemplo, 10,00 g de cloro con 10,00 g de sodio, para formar cloruro de sodio (NaCl), de acuerdo con la reaccin:

Podr probarse que los 10,00 g de cloro no reaccionan con todo el sodio, sino con una porcin de l, 6,49 g exactamente, quedndose el exceso de sodio sin reaccionar. Segn la experiencia el sodio y el cloro han reaccionado en la proporcin en peso: sodio/cloro = 6,48/10,00. Se conseguir, cambiando las condiciones de reaccin, que los 10,00 g de cloro reaccionen con los 10,00 g de sodio? En otras palabras: Lograremos formar sal comn haciendo reaccionar los elementos en otra proporcin diferente a al anterior? La respuesta es definitiva: fracasar todo intento, y siempre reaccionarn en la misma proporcin: 6,48/10,00. As pues, si en vez de tener 10,00 g de cloro tenemos 20,00 g, la cantidad de sodio que consumir ser 12,96 g; y si tenemos 7,61 g de cloro, reaccionar con 4,93 g de sodio, etc,.

teconscloro

sodiotan

61,7

93,4

00,20

96,12

00,10

48,6

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Es decir: Entonces cuando tenemos 10,00 g de cloro y 10,00 g de sodio, la cantidad de cloro es menor que la necesaria para reaccionar con todo el sodio y, por tanto, limitar la cantidad la cantidad mxima de NaCl que puede formarse. Se dice que, en este caso, el cloro es el reactivo limitante. Cualquier muestra de NaCl descompuesta nos arrojar invariablemente un 39,34% de sodio y 60,66% de cloro (relacin 6,48/10,00). 6.3. LEY DE LAS PROPORCIONES MLTIPLES (Ley de Dalton)

Puede ocurrir que dos elementos se combinen entre s para dar lugar a varios compuestos (en vez de uno solo como se contempla en la ley de Proust). Al hacer reaccionar 1,000 g oxgeno con cobre, como se muestra en la ecuacin, la cantidad de ste consumida por gramo de oxgeno es exactamente 3,971 g, de acuerdo con la reaccin:

O2 + 2Cu 2CuO 1,000 g 3,971 g

Pero en condiciones experimentales diferentes, 1,000 g de oxgeno puede reaccionar con otra cantidad de cobre, tal como 7,942 g:

O2 + 4Cu 2Cu2O 1,000 g 7,942 g

Falla entonces la ley de las proporciones definidas?

No, porque se trata de dos xidos de cobre diferentes y la ley anterior se refiere a un mismo compuesto.

Las cantidades de oxgeno y cobre que

reaccionan se averiguan en realidad reduciendo el xido, una vez formado en corriente de

hidrgeno. Al final del proceso queda el cobre

libre.

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La Ley de las proporciones mltiples se puede enunciar:

Las cantidades de un mismo elemento que se unen con una cantidad fija de otro elemento para formar en cada caso un compuesto distinto estn en la relacin de nmeros enteros sencillos

De acuerdo con la ley de las proporciones mltiples 2 o ms elementos se pueden unir en varias proporciones para formar de acuerdo con dicha ley varios compuestos. As por ejemplo el cobre (Cu) y el oxgeno se combinan en dos proporciones diferentes y forman dos tipos de xidos de cobre: xido de cobre (I) (Cu2O) y xido de cobre (II) (CuO). Cuntos gramos de cobre reaccionan con 1,000 g de oxgeno, en cada xido de cobre?

942,7

100,16

08,127

971,3100,16

54,63

2

2

2

2

Odeg

CobredegOMCu

Odeg

CobredegOMCu

Si entonces dividimos los gramos de cobre que en ambos casos se combinaron con la misma cantidad (1,000 g) de oxgeno, veremos que resulta una relacin de nmeros enteros sencillos:

2

1

942,7

971,3

6.4. TEORA ATMICA DE DALTON

Las leyes de las combinaciones qumicas anteriores, totalmente experimentales y sin conexin entre s, fueron reunidas y explicadas por Dalton partiendo de una misma base terica. Dalton supuso que la materia es discontinua y esta formada por partculas indivisibles llamadas tomos. Esta teora afirma lo siguiente: a) La materia esta compuesta de tomos que son las partculas ms pequeas e

indivisibles.

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b) Todos los tomos constituyentes de un mismo elemento tienen las mismas propiedades. Elementos diferentes tienen propiedades distintas.

c) En los cambios qumicos (reacciones qumicas) se produce un intercambio de tomos que da origen a otros compuestos con propiedades deferentes.

d) Los compuestos se forman por la unin de tomos de los correspondientes elementos en una relacin constante y sencilla en nmero.

Cmo explica la teora atmica de Dalton el principio de conservacin de la masa? Se observa que se cumple en esta teora de Dalton el principio de conservacin de la masa, no habiendo prdida de energa en la reaccin. Si en una reaccin qumica los tomos no cambian, sino slo se reagrupan, no puede haber variacin de masa. La masa se conserva.

Esta teora explica la ley de las proporciones definidas? Supongamos que tenemos 5 tomos de cloro y 8 tomos de sodio para formar cloruro de sodio (NaCl). Se unirn ambos elementos tomo a tomo y quedarn sin reaccionar 3 tomos de sodio.

Adems, al ser todas las molculas de sal comn iguales, cualquier muestra de esta sustancia tendr idnticos porcentajes de sodio y cloro. Esta teora explica la ley de las proporciones mltiples? Consideremos ahora un ejemplo de la ley de las proporciones mltiples. El oxido de cobre(II) se forma unindose el cobre y el oxgeno tomo a tomo, y el xido de cobre (I) est constituido por dos tomos de cobre por cada uno de oxgeno.

La cantidad de sal

comn formada

(NaCl) no depende

del exceso de una

de las sustancias

reaccionantes

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En consecuencia las masas de cobre que se combinan con una misma masa de oxgeno estn en la relacin 1:2, esto es en una relacin de nmeros enteros sencillos, como se enuncia en la ley de las proporciones mltiples. Adems la teora atmica de Dalton, permite interpretar de una forma sencilla lo que es un elemento, un compuesto y una mezcla. El elemento esta constituido por una sola case de tomos, el compuesto esta formado por grupos de tomos que se encuentran unidos entre s, siempre en la misma proporcin. La mezcla presenta tomos distintos, unidos o no entre s, que no responden a una proporcin definida.

Segn reaccione un tomo de oxgeno con uno o dos

tomos de cobre se forman

dos xidos de cobre

diferentes.

Segn reaccione un tomo de

oxgeno con uno o dos tomos

de cobre se forman dos xidos

de cobre diferentes.

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6.5. LEY DE LOS VOLUMENES DE COMBINACIN

Anteriormente se ha podido observar que las relaciones en peso en que se combinan las sustancias, en las reacciones qumicas, son complejas. Por ejemplo cuando se combina sodio y cloro para formar cloruro de sodio, la relacin entre las masas de sodio y cloro estn en la relacin 6,48/10; una relacin en peso nada sencilla. Gay-Lusassac comprob que, para gases, la relacin entre los volmenes de los gases reaccionantes y resultantes son sencillas. La ley de los volmenes de combinacin (Gay-Lussac, 1808) se enuncia como sigue: En una reaccin qumica, los volmenes de las sustancias gaseosas que intervienen guardan entre s una proporcin de nmeros enteros y sencillos, si se miden en las mismas condiciones de presin y temperatura. Esa proporcin coincide con la proporcin en el nmero de molculas de las sustancias gaseosas que reaccionan y que se forman durante el proceso.

O2 + 2 H2 2 H2O 1 molculas 2 molcula 2 molculas

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6.6. LEY DE AVOGADRO

Intentando poder explicar los resultados experimentales obtenidos por Gay-Lussac, Avogadro, a principios del siglo XIX, supuso que: Volmenes iguales de gases diferentes, medidos en las mismas condiciones de presin y temperatura, tienen el mismo nmero de molculas. As en 3 recipientes de litro, en condiciones ambientales de 18C y 732 mm de Hg, tenemos encerrados dixido de carbono, nen y cloro, podremos afirmar que el nmero de molculas que hay en cada uno es el mismo. Y tambin, un billn de molculas de sulfuro de hidrgeno (H2S), y un billn de molculas de nitrgeno (N2) ocupan el mismo volumen, si estn en idnticas condiciones de presin y temperatura. La hiptesis de Avogadro lleva consigo el que las molculas de los gases elementales son diatmicas (H2, Cl2, O2, N2, etc.) y no mono atmicas (H, Cl, O, N, etc.) como lo estima la teora atmica de Dalton :

Y cmo se explica esto?

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Si fueran monoatmicas, al reaccionar 1 litro de hidrgeno con 1 litro de cloro debera obtenerse 1 litro de cloruro de hidrgeno y no 2 litros, como realmente se obtiene, puesto que ste se forma por unin tomo a tomo de hidrgeno y cloro, y resultara el mismo nmero de partculas que el hidrgeno o cloro de partida, por lo que ocupara 1 litro.