QUIMICA+2+DGETI.pdf

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TePo

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ngela Vanegas Coln

seCuenCias didCtiCas e instrumentos de eValuaCin

Incluye

NGELA VANEGAS COLN

Bachillerato tecnolgico Por comPetencias

QUMICA 2

QumiCA 2

ST Distribucin, S.A. de C.V.Miembro de la Cmara Nacional de la Industria Editorial, registro nmero 3342. Derechos reservados 2011

Primera edicin: Mxico, df, noviembre de 2011 2011, ngela Vanegas Coln

ISBN: 978 607 508 020 8

Presidente: Alonso TrejosDirector general: Joaqun TrejosDirectora editorial: urea CamachoCoordinadora editorial: Ana Laura Saucedo Edicin: Mara Laura SessaAsistente editorial: Juan Carlos Hurtado

Director de arte: Miguel Cabrera Coordinadora de produccin: Daniela HernndezDiagramacin: Jeffrey TorresPortada: Miguel CabreraAsistentes de produccin: Milagro Trejos y Alicia PedralIlustraciones: archivo ST EditorialFotografas: Stockxchange, archivo ST Editorial

Prohibida la reproduccin total o parcial de este libro en cualquier medio sin permiso escrito de la editorial.Impreso en Mxico. Printed in Mexico.

Qumica 2, de ngela Vanegas Coln, se termin de imprimir en noviembre de 2011 en los talleres de Reproducciones Fotomecnicas S. A. de C. V., con domicilio en Democracias #116, Col. San Miguel Amantla, Delegacin Azcapotzalco, C.P. 02700 Mxico, df

Vanegas Coln, ngela Qumica 2 / ngela Vanegas Coln. -- mxico: ST Editorial, 2011.

168 pp. : il.; 28 cm. + 1 CD-ROm (12 cm.) -- (Coleccin bachillerato tecnolgico por competencias) Bibliografa: p. 168 iSBN 978 607 508 020 8

1. Qumica Estudio y enseanza (Superior). 2. Qumica instruccin programada. 3. Qumica manuales de laboratorio. i. t. ii. Ser.

540.7-scdd21 Biblioteca Nacional de mxico

Presentacin

La qumica es considerada la ciencia de la transformacin, la que vigila cmo la estructura de la materia se conforma y se comporta al interactuar con la energa.Este libro, Qumica 2, est pensado para complementar los conocimientos del alumno de forma dinmica y autodidacta para que el maestro se convierta en un facilitador y el estudiante pueda as desarrollar competencias, actitudes y valores que le permitan en un futuro ser un profesional independiente con amplia capaci-dad para tomar decisiones.El libro ha sido diseado de acuerdo al programa estipulado para el Bachillerato Tecnolgico con el enfoque de competencias para la consecucin del desarrollo integral del alumno en los planos personal, social, cultural, acadmico y laboral. Consta de dos unidades con un contenido terico-prctico que permite reforzar el conocimiento adquirido de forma inmediata.Para ti, alumno, espero que este libro sea una herramienta til y que te permita relacionarte con la qumica de forma amena y constructiva. Ten en cuenta que la qumica, al igual que otras ciencias, es interdisciplinaria y que siempre te encon-trars con ella. Para ti, maestro, espero que este libro sea un apoyo para tu clase y tus actividades, y que te permita crear un vnculo con tus alumnos de forma que ambos crezcan en el plano profesional.De antemano, se agradece cualquier comentario o sugerencia por parte de los lec-tores que sirva para mejorar esta obra; se pueden enviar a la autora a la siguiente direccin electrnica: [email protected]

contenido

Conoce tu libro 6Competencias genricas con atributos 8

Unidad 1esteQUioMetra 12Actividad de apertura 14

Tema1. Relaciones estequiomtricas 15Fundamentos de estequiometra 15

Cantidad de sustancia 15

Masa molar 17

Volumen molar 19

Leyes ponderales 21

Frmulas qumicas 23

Estequiometra y reacciones qumicas 29

Relacin mol-mol 29

Relacin mol-masa 31

Relacin masa-masa 32

Relacin masa-volumen 34

Relacin volumen-volumen 35

Reactivo limitante y reactivo en exceso 36

Rendimiento de una reaccin 38

Tema2. Soluciones 43Mtodos de separacin de mezclas 45

Soluciones, coloides y suspensiones 48

Soluciones 49

Coloides 55

Suspensiones 56

cidos y bases 56

Historia de los cidos 56

Propiedades de los cidos 56

Propiedades de las bases 57

Fuerza de cidos y bases 58

Concentracin de iones hidronio, cido-base del agua y pH 58

Actividad de cierre 65 Instrumentos de evaluacin 68

Unidad 2QUMica deL carBono 74Actividad de apertura 76

Tema1. Hidrocarburos (nomenclatura y propiedades) 77Configuracin electrnica y geometra molecular 77

Hibridacin sp3 78

Hibridacin sp2 78

Hibridacin sp 78

Tipos de cadena y clasificacin en compuestos orgnicos 79

Isomera 80

Los hidrocarburos 81

Alcanos 81

Propiedades fsicas 81

Propiedades qumicas 81

Nomenclatura 82

Cicloalcanos 86

Alquenos 88



Nomenclatura 88

Alquinos 91



Nomenclatura 91

Hidrocarburos aromticos 94



Nomenclatura 95

Tema2. Grupos funcionales 101Alcoholes 101

Propiedades fsicas y qumicas 102

Nomenclatura 102

teres 103


Nomenclatura 103

Aldehdos 105


Nomenclatura 105

Cetonas 106


Nomenclatura 107

cidos carboxlicos 109


Nomenclatura 109

steres 110


Nomenclatura 110

Amidas 112


Nomenclatura 112

Aminas 113


Nomenclatura 114

Halogenuros de alquilo 116


Nomenclatura 116

Actividad de cierre 121 Instrumentos de evaluacin 124

Proyecto integrador 130 anexo 1. ejercicios 133 anexo 2. Prcticas de LaBoratorio 144 evaLUacin finaL 161 fUentes consULtadas 168

conoce tU LiBroentrada de Unidad

MaPa concePtUaL

actividades aPertUra

teMas

actividades de desarroLLo

figUras

introdUccin

Permite visualizar de manera sinttica los temas ms importantes de la unidad.

Se incluyen al inicio de cada una de las unidades con el fin de que el alumno es-tudie los temas de la unidad en torno a un tema integrador.

Incluyen el desarrollo de cada uno de los temas planteados en el ndice.

Corresponden a diversas actividades in-tercaladas en el desarrollo de los temas, las cuales se relacionan con el tema inte-grador planteado en cada unidad.

Imgenes que refuerzan la informacin, ilustran y hacen ms llamativo el texto.

Indica el ttulo de la unidad que se va a estudiar.

Texto que incluye una breve explicacin de lo que se estudiar a lo largo de la unidad.

U1

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en La weB

grficas

LectUras

actividades de cierre

instrUMentos de evaLUacin

aPLcaLo!

Permiten visualizar informacin extra para comprender un concepto o resolver una actividad con elementos grficos que fo-talecen el aprendizaje.

Ofrecen informacin adicional sobre al-gn tema de inters. Adems refuerzan los temas de estudio y van acompaadas de actividades que sirven para desarrollar competencias.

Series de ejercicios que tienen la finalidad de evaluar el conocimiento adquirido en cada unidad.

Integran listas de cotejo, rbricas, guas de observacin, etc., tiles para detectar cules fueron las competencias que los alumnos adquirieron durante el estudio de cada unidad.

Recomendacin de sitios web relaciona-dos con los temas de la materia.

En esta seccin se plantean situaciones de la vida cotidiana en las que los alum-nos podrn aplicar los conocimientos que adquirieron.

11

2

con atriBUtos

se conoce y valora a s mismo y aborda problemas y retos teniendo en cuenta los objetivos que persigue.

desarrolla innovaciones y propone soluciones a problemas a partir de mtodos establecidos.

elige y practica estilos de vida saludables.

es sensible al arte y participa en la apreciacin e interpretacin de sus expresiones en distintos gneros.

escucha, interpreta y emite mensajes pertinentes en distintos contextos mediante la utilizacin de medios, cdigos y herramientas apropiados.

Enfrenta las dificultades que se le presentan y es consciente de sus valores, fortalezas y debilidades.

Reconoce la actividad fsica como un medio para su desarrollo fsico, mental y social.

Elige alternativas y cursos de accin con base en criterios sustentados y en el marco de un proyecto de vida.

Cultiva relaciones interpersonales que contribuyen a su desarrollo humano y el de quienes lo rodean.

Experimenta el arte como un hecho histrico compartido que permite la comunicacin entre individuos y culturas en el tiempo y el espacio, a la vez que desarrolla un sentido de identidad.

Asume las consecuencias de sus comportamientos y decisiones.

Valora el arte como manifestacin de la belleza y expresin de ideas, sensaciones y emociones.

Expresa ideas y conceptos mediante representaciones lingsticas, matemticas o grficas.

Aplica distintas estrategias comunicativas segn quienes sean sus interlocutores, el contexto en el que se encuentra y los objetivos que persigue.

identifica sus emociones, las maneja de manera constructiva y reconoce la necesidad de solicitar apoyo ante una situacin que lo rebase.

Toma decisiones a partir de la valoracin de las consecuencias de distintos hbitos de consumo y conductas de riesgo.

Analiza crticamente los factores que influyen en su toma de decisiones.

Administra los recursos disponibles teniendo en cuenta las restricciones para el logro de sus metas.

Participa en prcticas relacionadas con el arte.

identifica las ideas clave en un texto o discurso oral e infiere conclusiones a partir de ellas.

coMPetencias genricas

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G

G

G

G

G

a c e

b d f

ab

c

a c

b

a

c

b

G

Se comunica en una segunda lengua en situaciones cotidianas.

maneja las tecnologas de la informacin y la comunicacin para obtener informacin y expresar ideas.

e

d

identifica los sistemas y reglas o principios medulares que subyacen a una serie de fenmenos.

Construye hiptesis y disea y aplica modelos para probar su validez.

c

dOrdena informacin de acuerdo a categoras, jerarquas y relaciones.

b

Sigue instrucciones y procedi-mientos de manera reflexiva, comprendiendo cmo cada uno de sus pasos contribuye al alcance de un objetivo.

aSintetiza evidencias obtenidas mediante la experimentacin para producir conclusiones y formular nuevas preguntas.

e

utiliza las tecnologas de la informacin y comunicacin para procesar e interpretar informacin.

f

Mantiene una actitud respetuosa hacia la interculturalidad y la diversidad de creencias, valores, ideas y prcticas sociales.

Participa y colabora de manera efectiva en equipos diversos.

aprende por iniciativa e inters propio a lo largo de la vida.

contribuye al desarrollo sustentable de manera crtica, con acciones responsables.

Participa con una conciencia cvica y tica en la vida de su comunidad, regin, Mxico y el mundo.

Reconoce que la diversidad tiene lugar en un espacio democrtico de igualdad de dignidad y derechos de todas las personas, y rechaza toda forma de discriminacin.

Propone maneras de solucionar un problema o desarrollar un proyecto en equipo, definiendo un curso de accin con pasos especficos.

Evala argumentos y opiniones e identifica prejuicios y falacias.

Dialoga y aprende de personas con distintos puntos de vista y tradiciones culturales mediante la ubicacin de sus propias circunstancias en un contexto ms amplio.

Aporta puntos de vista con apertura y considera los de otras personas de manera reflexiva.

Reconoce los propios prejuicios, modifica sus puntos de vista al conocer nuevas evidencias, e integra nuevos conocimientos y perspectivas al acervo con el que cuenta.

Asume que el respeto de las diferencias es el principio de integracin y convivencia en los contextos local, nacional e internacional.

Asume una actitud constructiva, congruente con los conocimientos y habilidades con los que cuenta dentro de distintos equipos de trabajo.

Estructura ideas y argumentos de manera clara, coherente y sinttica.

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G

G

G

G

G

G

cb

d

c

b

a

Acta de manera propositiva frente a fenmenos de la sociedad y se mantiene informado.

eToma decisiones a fin de contribuir a la equidad, bienestar y desarrollo democrtico de la sociedad.

b

Contribuye a alcanzar un equilibrio entre el inters y bienestar individual y el inters general de la sociedad.

d

a cb

Asume una actitud que favorece la solucin de problemas ambientales en los mbitos local, nacional e internacional.

Contribuye al alcance de un equilibrio entre los intereses de corto y largo plazo con relacin al ambiente.

a

c

identifica las actividades que le resultan de menor y mayor inters y dificultad, reconociendo y controlando sus reacciones frente a retos y obstculos.

bDefine metas y da seguimiento a sus procesos de construccin de conocimiento.

Articula saberes de diversos campos y establece relaciones entre ellos y su vida cotidiana.

a

c

sustenta una postura personal sobre temas de inters y relevancia general,considerando otros puntos de vista de manera crtica y reflexiva.

Elige las fuentes de informacin ms relevantes para un propsito especfico y discrimina entre ellas de acuerdo a su relevancia y confiabilidad.

a

Privilegia el dilogo como mecanismo para la solucin de conflictos.

a

Conoce sus derechos y obligaciones como mexicano y miembro de distintas comunidades e instituciones, y reconoce el valor de la participacin como herramienta para ejercerlos.

c

Advierte que los fenmenos que se desarrollan en los mbitos local, nacional e internacional ocurren dentro de un contexto global interdependiente.

f

Reconoce y comprende las implicaciones biolgicas, econmicas, polticas y sociales del dao ambiental en un contexto global interdependiente.

b

articULacin entre Las coMPetencias disciPLinares y Las coMPetencias genricas

establece la interrelacin entre la ciencia, la tecnologa, la sociedad y el ambiente en contextos histricos y sociales especficos.

fundamenta opiniones sobre los impactos de la ciencia y la tecnologa en su vida cotidiana, asumiendo consideraciones ticas.

identifica problemas, formula preguntas de carcter cientfico y plantea las hiptesis necesarias para responderlas.

obtiene, registra y sistematiza la informacin para responder a preguntas de carcter cientfico, consultando fuentes relevantes y realizando experimentos pertinentes.

contrasta los resultados obtenidos en una investigacin o experimento con hiptesis previas y comunica sus conclusiones.

valora las preconcepciones personales o comunes sobre diversos fenmenos naturales a partir de evidencias cientficas.

explicita las nociones cientficas que sustentan los procesos para la solucin de problemas cotidianos.

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G4a

G4a

G4a

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G1a

G4c

G4a

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G4c

G4c

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G1c

G6b

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G4e

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G1d

G6c

G5a G5b

G5f

G5a G5c G5d G5e G6a G6b

G1e G4a

G1e G4a

G7c G8a G8b G8c G9b

G10b G10c G11a G11b G11c

G6a

G9c

G6c G6d

G9e G9f

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G4b

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G4c G5a G5b G5c G5d

G4e G5a G5b

G9c G9f

G6a

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G5f

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G6b G6c

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G7b G7c G8a G8b G8c

G7a G7b G7c

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G9b

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G9d G9e

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G10b G10c G11a G11bG11c

G11a G11b G11c

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G6b G6c G6d

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G9f

G11a G11b G11c

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G4b

G4b

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G1b

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G9a

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G11bD

D

D

D

D

D

D

D

En la siguiente tabla se puede ver la articulacin entre las competencias disciplinares bsicas de las ciencias experimentales y las competencias genricas. En la tabla anterior podemos ver que las gen-ricas se identifican con la letra G y sus atributos con letras minsculas. Por otra parte, las competen-cias disciplinares se identifican aqu con la letra D.

explica el funcionamiento de mquinas de uso comn a partir de nociones cientficas.

relaciona las expresiones simblicas de un fenmeno de la naturaleza y los rasgos observables a simple vista o mediante instrumentos o modelos cientficos.

relaciona los niveles de organizacin qumica, biolgica, fsica y ecolgica de los sistemas vivos.

disea modelos o prototipos para resolver problemas, satisfacer necesidades o demostrar principios cientficos.

decide sobre el cuidado de su salud a partir del conocimiento de su cuerpo, sus procesos vitales y el entorno al que pertenece.

analiza las leyes generales que rigen el funcionamiento del medio fsico y valora las acciones humanas de riesgo e impacto ambiental.

aplica normas de seguridad en el manejo de sustancias, instrumentos y equipo en la realizacin de actividades de su vida cotidiana.

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9G4bG4cG4eG5aG5bG5c G4a G1e

G1e

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G4bG4cG5a

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G5bG5c

G1b

G1b

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G5bG5cG9b

G4a

G4a

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G1a

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G6dG7aG7bG7cG8aG8bG8c

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G9dG9eG9f

G5b G5aG6aG6c

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G9fG10aG10bG10cG11aG11bG11c

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G9cG9dG9e

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G11aG11bG11c

D

D

D

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D

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ESTEQUIOMETRAU1

En qumica, es muy importante conocer las cantidades de reactivos y productos involucrados en una reaccin, ya sea por cuestiones econmicas o ecolgicas. El uso indis-criminado y poco planeado de los reactivos podra costar mucho dinero, adems de generar residuos indeseables que a la larga nos cuesten, adems de dinero, un gran

esfuerzo por revertir sus efectos en el planeta. Por esta razn, durante esta unidad aprenders a contar la mate-ria y a expresarte de acuerdo al lenguaje cientfico con la finalidad de generar conciencia e involucrarte con los pro-cesos vitales y sus reacciones, as como en los procesos industriales antes de tu paso a la vida laboral.

Tema inTegrador: LA QUMIcA En EL hOgAR. pROdUcTOS dE LIMpIEzA E hIgIEnE pERSOnAL dE USO cOTIdIAnO

estequiometra

materia y energa

relaciones estequiomtricas

fundamentos de estequiometra

cantidad desustancia

frmulas qumicas

relaciones qumicas y estequiometra

reactivo limitante concentracin

cidos y bases

rendimiento de una reaccin

soluciones

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ActividAd de AperturA

I.. De manera individual lee las siguientes preguntas y procura responderlas; luego, comparte tus resultados con el resto del grupo y lleguen a conclusiones sobre las respuestas a cada pregunta.

1. Qu estudia la qumica?2. Qu es un elemento?3. Qu es un tomo?4. Qu es la tabla peridica?5. Qu informacin contiene la tabla peridica?6. Define enlace inico.7. Define enlace covalente.8. Qu es una reaccin?

II. Ahora, completa los espacios con los smbolos de los elementos que se solicitan.

Elemento Smbolo

Sodio

Oxgeno

Carbono

Hierro

Magnesio

Nitrgeno

Azufre

Potasio

Calcio

Cloro

Bromo

Yodo

Silicio

Plata

Mercurio

III.. Por ltimo, balancea las siguientes ecuaciones y haz un desglose de la informacin que contie-ne (si es en estado slido, lquido o gas, energa desprendida o absorbida, si es exotrmica o endotrmica, etc.).

N2(g) + O2(g) + 39 kcal N2O(g)CH4(g) + O2(g) CO2(g) + H2O(g) + 213 kcal

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relAciones estequiomtricAstema 1

FundAmentos de estequiometrA La palabra estequiometra deriva del griego stoichion que significa elemento y metron que significa medir; traducido literalmente sera medir elementos. La estequiometra es una rama de la qumica que nos permite saber en qu cantidad los reactivos formarn una cantidad de productos despus de que suceda una reaccin qumica.

cAntidAd de sustAnciA Como sabrs, los tomos son invisibles a nuestra vista y sera imposible contarlos directamente para llevar a cabo una reaccin, por lo que fue necesario inventar una magnitud adecuada para poder estudiar a fondo las relaciones entre reactivos y productos. Dicha magnitud se conoce como cantidad de sustancia y su unidad base utilizada en el Sistema Internacional de Unidades (si) se llama mol (en latn significa montn enorme) y se define como la cantidad de sustancia que con-tiene tantos tomos, iones, molculas, electrones o partculas como tomos se encuentran en 12 g de carbono 12.

Tras varios experimentos y clculos, los cientficos determinaron que en un mol hay aproximadamente 6.0221 1023 tomos, molculas, iones, electrones o partculas. Este nmero (6.0221 1023) se conoce como nmero de Avogadro (NA) en honor al fsico italiano Amadeo Avogadro (1776 -1856), quien lo determin al hacer experi-mentos con gases. Un mol de calcio (Ca) tiene el mismo nmero de partculas que un mol de azufre (S) o que uno de potasio (K) (figura 1).

Figura 1. mol y nmero de avogadro.

1 mol

6.0221 10

tomos, molculas, iones, electrones o partculas

nmero de avogrado

U1 eSteQUiOmetra

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Para saber la cantidad de tomos, molculas o iones contenidos en una muestra o para la realizacin de clculos estequiomtricos un poco ms detallados y comple-jos, es necesario usar una herramienta de conversin basada en factores. El mtodo consiste en expresar las equivalencias o igualdades a modo de fraccin donde se pueda visualizar fcilmente la unidad a eliminar y la unidad a convertir, como en el siguiente ejemplo:

Equivalencia Factor de conversin

1 mol de tomos de C = 6.023 10 tomos de C

6.023 10 tomos de C1 mol de tomos de C

23#

1 mol de K = 39.1 g de K

39.1g de K1 mol de K

o 1 mol de K

39.1 g de K

1 mol de S = 32.06 g de S

3 .1

g de Smol de S

2 06 o

de S

. de S

mol

g

1

32 06

Observa que las igualdades se pueden escribir en forma de cociente sin importar su aco-modo, siempre y cuando se cumpla el orden general al incluir el valor a convertir.

Revisemos algunos ejemplos.

ejemplo 1Calcula cuntos moles de molculas de agua (HO) hay en 18 10 molculas de agua.

solucin

18 10 molculas de6.023 10 molculas de

1mol de H O2.99 mol de24 23

2# #

#=

ejemplo 2Calcula el nmero de partculas (tomos) que hay en 1.71 mol de NaCl.

solucin

1.71mol de NaCl1mol de NaCl

6.023 10 tomos de NaCl 1.03 10 de tomos de NaCl23

24#

##=

Actividad de desarrolloResuelve los siguientes ejercicios.1. Calcula cuntos tomos de zinc (Zn) hay en 10 moles de la sustancia.

H2O H2OH2O

QUmica 2

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2. Calcula el nmero total de partculas en una muestra de 45 g de CuCl2.

3. Determina cuntos tomos de bario (Ba) hay en una muestra de 25 g de nitrato de bario (Ba(NO3)2).

4. Averigua qu cantidad de molculas hay en 2.5 g de CaCl2.

5. Determina cuntos tomos de plata (Ag) hay en 250 g de nitrato de plata (AgNO3).

mAsA molArEste concepto se aplica tanto a tomos individuales como a molculas formadas por tomos de la misma o distinta especie, y es equivalente a la masa de 1 mol de partcu-las elementales. Es as que la masa molar de un elemento es la masa de un mol de sus tomos, la masa molar de un compuesto es la masa de 1 mol de sus molculas y la masa molar de un compuesto inico es la masa de 1 mol de sus iones frmula. La informacin referente a los elementos, como la masa molar de los elementos (masa atmica), la puedes obtener de la tabla peridica que se encuentra en la p. 73.

Como puedes ver, la masa molar es muy til, ya que si quisiramos manejar un mol de azufre con nuestras manos, sera imposible porque no tenemos una herramienta que nos permita medir moles directamente, as que, para facilitar la tarea, tendramos que recurrir a su equivalente en gramos: 1 mol de S = 32.06 g de S, mientras que 1 mol de C = 12 g de C.

Revisemos algunos ejemplos.

U1 eSteQUiOmetra

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ejemplo 3Calcula la cantidad en moles de sodio (Na) que se encuentran en 15 g de muestra.

solucin1 mol de Na = 23 g de Na

15g de Na23 g de Na1 mol de Na 0.65 mol de Na# =

ejemplo 4Calcula la masa de 2.5 mol de silicio (Si).

solucin1 mol de Si = 28.09 g de Si

2.5 mol de Si1 mol de Si

28.09 g de Si70.23 g de Si# =

Para el clculo de la masa molar de compuestos, tendramos que considerar las masas molares de cada uno de los elementos que lo conforman (masas atmicas) y sumarlas. Como ejemplo, calculemos la masa molar del cloruro de sodio (NaCl):

Elemento Cantidad Masa atmica (g) Total (g/mol)

Na 1 23 23

Cl 1 35.45 35.45

masa molar 58.45

Si escribimos la equivalencia conforme al mtodo de factores de conversin tenemos que:

58.45 g de NaCl1 mol de NaCl

ejemplo 5Calcula el nmero de moles presentes en una muestra de 100 g de nitrato de potasio (KNO3).

solucinEn este caso, estamos trabajando con un compuesto y hay que determinar en primera instancia su masa molar.

Buscamos en la tabla peridica las masas molares (masas atmicas) de los elementos del compuesto KNO3 y las incluimos en nuestro cuadro.

Elemento Cantidad Masa atmica (g) Total (g/mol)

K 1 39.1 39.1

N 1 14 14

O 3 16 48

masa molar 101.1

3

3100 g de KNO101.1 g de KNO1 mol de KNO 0.99 mol de KNO3 3# =

QUmica 2

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Actividad de desarrolloResuelve en tu cuaderno los siguientes ejercicios.1. Calcula cuntos gramos de nitrato de plata (AgNO3) hay en un

mol del mismo elemento.2. Determina la cantidad en moles que contiene una muestra de 70 g

de cobre (Cu).3. Determina cuntos gramos de oxgeno (O) hay en 2 moles de

dixido de carbono (CO2).4. Calcula qu cantidad en gramos de hidrxido de sodio (NaOH)

deberas pesar para preparar una solucin que contenga 10 moles del reactivo.

5. Determina cuntos moles de sulfato de amonio ((NH4)2SO4) hay en 200 g de la misma muestra.

volumen molArYa vimos que resulta til el concepto de masa molar para el caso de los elementos o compuestos que pueden ser pesados con ayuda de la balanza. Pero, qu pasa con los gases?, cmo ha-ras para contar un mol de gas? En este caso, resulta ms prcti-co medir volmenes de sustancia y relacionarlos con la cantidad de partculas que contiene.

Despus de sus investigaciones con gases, Avogadro postul una hiptesis que considera que volmenes iguales de sustan-cias gaseosas contienen igual nmero de partculas. En otras palabras, un mol de un gas tendr el mismo volumen que un mol de otro gas en condiciones normales de tempera-tura y presin (estas condiciones normales se abrevian como tpn y equivalen a 0C, 1 atm). Experimentalmente se encontr que ese volumen equivale a 22.4 L por cada mol de cualquier gas (figura 2).

Figura 2. Volumen molar de tres sustancias diferentes.

22.4 L1 mol de O

22.4 L1 mol de CH4

22.4 L1 mol de CO

1 mol de O 1 mol de CH4 1 mol de CO

32 g de O 16 g de CH4 44 g de CO

U1 eSteQUiOmetra

20

ejemplo 6Un tanque contiene 680 L de oxgeno. Calcula qu cantidad en moles del gas a tpn se encuentra en el tanque.

solucin

2680 L de O22.4 L de O1 mol de O

30.36 mol de O22

2# =

ejemplo 7Un gas ocupa un volumen de 7 L y tiene una masa de 15.4 g. Calcula la masa molar de este gas a tpn.

solucin

7 L de un gas

15.4 g un gas

1 mol de un gas

22 L de un gas49.28g/mol

de# =

Actividad de desarrolloI. En parejas, deduzcan los factores de conversin que relacionen directamente la

masa molar de cada uno de los compuestos que se indican dentro del recuadro con su volumen molar.

CH4 CO2

II. Resuelve los siguientes ejercicios.1. Calcula qu volumen a tpn ocupar un mol de oxgeno molecular (O2).

2. Encuentra cuntos moles de cloro gaseoso (Cl2) se encuentran en 6 litros del mismo gas.

QUmica 2

21

leyes ponderAlesPor muchos aos, los qumicos llevaron a cabo experimentos sin tomar en cuenta las cantidades de reactivos que usaban, solo to-maban en cuenta los cambios de color, olor, apariencia, textura y, en ocasiones, hasta sabor. Cuando apareci el mtodo cientfico experimental, notaron que adems de repetir sistemticamente un experimento, era necesario medir y registrar qu cantidad de reactivo formaba cierta cantidad de productos, para lo cual fue ne-cesario incorporar la balanza como herramienta de medicin. Con estos hechos, la qumica se volvi cuantitativa adems de cualitati-va y se propici la determinacin de ciertas leyes que hablan de la forma en la que los elementos se combinan, las cuales se conocen como leyes ponderales.

ley de la conservacin de la masaEsta ley afirma que tras una reaccin qumica, la cantidad total en masa de los reactivos es igual a la cantidad en masa de los produc-tos, es decir, la masa se conserva. Esta ley fue enunciada en 1785 por Antoine Laurent Lavoisier (figura 3), y nos indica que la masa de reactivos es exactamente igual a la de los productos y, en su caso, de reactivos sobrantes. Observa el siguiente ejemplo:

Figura 5. Un tomo de carbono y dos de oxgeno siempre formarn un solo compuesto: cO2.

CO

3NO(g) + HO(l) 2HNO(aq) + NO(g)3(46 g/mol) 1(18 g/mol)

156 g/mol =

2(63 g/mol)

156 g/ mol

1(30 g/mol)

ley de las proporciones definidas

Esta ley postula que cuando dos o ms elementos se combinan para formar un compuesto, siempre lo hacen en proporciones fijas de masa sin importar el proceso seguido para formarlo. Fue for-mulada y comprobada en 1802 por Joseph Louis Proust (figura 4) y se refiere a que en el dixido de carbono (CO2) siempre habr un tomo de carbono por cada dos de oxgeno (figura 5), de no ser as, sera una sustancia distinta.

Figura 3. el qumico francs antoine Laurent Lavoisier (1743-1794) y su esposa, la cientfica marie-anne Pierette Paulze, son considerados los creadores de la qumica moderna, por sus estudios sobre la oxidacin de los cuerpos, el fenmeno de la respiracin animal, el anlisis del aire y la ley de conservacin de la masa.

Figura 4. el qumico francs Joseph Louis Proust (1754-1826) realiz varios trabajos de anlisis de compuestos y tambin descubri el azcar de uva, lo que hoy se denomina glucosa.

U1 eSteQUiOmetra

22

ley de las proporciones mltiplesEsta ley sostiene que dos elementos se pueden combinar entre s en proporciones distintas para formar compuestos diferentes en una relacin de nmeros enteros sen-cillos. Fue elaborada en 1803 por John Dalton (figura 6) y explica cmo es que el ox-geno se puede combinar de diferentes formas con el carbono para formar diferentes compuestos como el CO2, donde hay un tomo de carbono por cada dos de oxgeno (relacin 1:2) y el CO, donde la relacin carbono-oxgeno es 1 a 1 (1:1) (figura 7).

Figura 6. el clebre qumico britnico John Dalton (1766-1844), al momento de experimentar sus teoras en el laboratorio, no pudo comprobarlas todas porque confunda los frascos de reactivos, debido a la ceguera a ciertos colores que sufra, conocida como daltonismo.

Figura 7. Dos tomos se pueden combinar en diferentes proporciones para formar distintos compuestos.

Figura 8. Las proporciones de los tomos se mantienen al reaccionar con otras sustancias.

ley de las proporciones recprocas

Esta ley afirma que cuando las masas de dos elementos se combinan con la masa de un tercero, guardarn una proporcin igual a las masas de los dos cuando se combinan entre s. Fue enunciada primero por el qumico alemn Jeremas Richter (1762-1807) y posteriormente confirmada por W. Wenzel.

Para explicarla, consideremos que un tomo de zinc se puede combinar con un tomo de oxgeno para formar xido de zinc (ZnO), mientras que un tomo de zinc se com-bina con dos tomos de cloro para formar cloruro de zinc (ZnCl2), un tomo de zinc se combina con un tomo de azufre para formar sulfuro de zinc (ZnS) y, por ltimo, un tomo de zinc que se combina con dos tomos de hidrgeno forma hidruro de zinc (ZnH2). Si reaccionaran por su parte el hidrgeno y el azufre, formaran el cido sulfhdrico (H2S); o, si reaccionaran el hidrgeno y el oxgeno formaran agua (H2O); el cloro con el agua formaran H2Cl2 que, al simplificar, formaran el cido clorhdrico (HCl) y se respetara la proporcin original que tenan al estar combinados cada uno de ellos con el zinc (figura 8).

Carbono (C) Oxgeno (O)

CO12 g C : 16 g O

Relacin 1:1

CO12 g C : 32 g O

Relacin 1:2

+

HO

ZnO ZnCl ZnS

HCl

ZnH

HS

QUmica 2

23

FrmulAs qumicAs Los investigadores constantemente estn haciendo pruebas de la-boratorio, ya sea sintetizando (produciendo) nuevos productos o re-produciendo a escala de laboratorio la labor de la naturaleza. Cuando esto sucede, ellos necesitan confirmar qu se ha producido, para lo cual hacen anlisis que les permiten conocer la composicin por-centual de cada elemento. Esta composicin porcentual ser usada posteriormente para encontrar la frmula emprica y esta ltima, a su vez, ser utilizada para encontrar la frmula molecular.

composicin porcentual Es la masa de cada elemento expresada en porcentaje tomando como base la masa total del compuesto. Segn la ley de las pro-porciones definidas (Proust), la composicin porcentual debe ser la misma sin importar el tamao de la muestra.

En el cloruro de calcio (CaCl2) hay 36.13% de calcio y 63.87% de Cl, ya sea en un gramo o en diez gramos de CaCl2 (figura 9).

Para encontrar la composicin porcentual, tenemos que conocer las masas molares de los elementos, calcular la masa molar del compuesto y dividir entre ella la masa de cada elemento. Por lti-mo, se multiplica por 100 para convertirlo en porcentaje.

ejemplo 8Calcula la composicin porcentual del cido clorhdrico (HCl).

solucinConsultamos la tabla peridica y obtenemos las masas molares de los elementos:

H: 1 g/mol

Cl: 35.45 g/mol

Ya que tenemos las masas molares de los elementos, revisamos coefi-cientes y subndices, multiplicamos en caso de ser necesario y hacemos la suma total en gramos por mol de compuesto:

H: 1.00 1 = 1.00 g/mol

Cl: 35.45 1 = 35.45 g/mol

36.45 g/mol HCl

Dividimos la masa parcial de los elementos entre la masa molar del com-puesto y multiplicamos por 100.

H:36.45 g/mol de HCl

1g/mol H100 2.7% H# =

Cl:36.45 g/mol de HCl

35.45 g/mol Cl100 97.3% Cl# =c m

Puedes visualizar estos porcentajes en la grfica 1.

Figura 9. composicin porcentual del cacl2. Sin importar la cantidad de sustancia, los porcentajes elementales se mantienen idnticos.

36.13% Ca

63.87% Cl

1 g CaCl 10 g CaCl

H

3%

97%

Cl

grfica 1. Composicin porcentual del HCl

U1 eSteQUiOmetra

24

ejemplo 9Calcula la composicin porcentual del sulfato de aluminio (Al2(SO4)3).

solucinEsta vez, en lugar de escribir todos los pasos, usaremos un cuadro.

Elemento Cantidad Masa atmica (g/mol)

Masa unitaria (g/mol) Composicin porcentual

Al 2 26.98 2.00 26.98 = 53.96 (53.96 / 342.14) 100 = 15.77% Al

S 3 32.06 3.00 32.06 = 96.18 (96.18 / 342.14) 100 = 28.11% S

O 12 16.00 12.00 16.00 = 192.00 (192.00 / 342.14) 100 = 56.12% O

Masa molar: Total = 342.14 Total = 100%

La composicin porcentual tambin se puede calcular partiendo de datos experimentales, es decir que no se conoce ni la frmula ni la masa molar del compuesto; el porcentaje se calcula en funcin de las masas individuales reportadas en el anlisis.

ejemplo 10Al analizar el producto de una reaccin, se encontr que contena 23.0 g de sodio (Na), 12.0 g de carbono (C) y 48.0 g de oxgeno (O), en un total de 83 g de muestra. Calcula la composicin por-centual para cada uno de los elementos.

solucin

Elemento Masa unitaria (g/mol) Composicin porcentual

Na 23.00 (23.00 / 83.00) x 100 = 27.71% Na

C 12.00 (12.00 / 83.00) x 100 = 14.46% C

O 48.00 (48.00 / 83.00) x 100 = 57.83% O

Total = 83.00 Total = 100%

Actividad de desarrolloDetermina en tu cuaderno la composicin porcentual para las siguientes sustancias. Haz uso de cuadros como los de los ejemplos para ayudarte.1. Bromuro de sodio (NaBr)2. Lactosa (C12H22O11 H2O)3. Carburo de calcio (CaC2)4. Acetileno (C2H2)5. Propano (C3H8)6. Sulfato de calcio Ca(SO4)7. Yoduro de potasio (KI)8. Sulfato de zinc (ZnSO4)9. Dixido de carbono (CO2)10. Monxido de carbono (CO)

Frmula emprica Tambin se conoce como frmula mnima y se define como la proporcin de tomos ms simple en un compuesto. Al igual que la composicin porcentual, se puede partir de datos experimentales. Es necesario hacer hincapi en que la frmula emprica contiene tomos de elementos que se combinan en razones de nmeros enteros.

QUmica 2

25

Para el clculo de la frmula emprica usaremos el siguiente procedimiento:

1. Escribe la composicin de cada elemento en gramos en una columna. Si la composicin est expresada en porcentaje, convirtela a gramos considerando 100 g como base (signi-ficara que 40% de C sera igual a 40 g de C en una muestra).

2. Escribe la masa molar de cada elemento en un cuadro.3. Divide la masa de cada elemento (composicin) entre la masa molar. Selecciona el valor

ms pequeo obtenido en este paso.4. Divide la composicin atmica de cada elemento entre el valor ms pequeo obtenido en

el paso 3 para obtener la composicin atmica mnima.5. Los valores obtenidos en el paso 4 son los coeficientes para cada uno de los tomos de la

frmula mnima.6. Si obtienes coeficientes fraccionarios, multiplcalos por un factor que los haga enteros.

ejemplo 11Encuentra la frmula emprica para un compuesto con la siguiente composicin en porcentaje: 43.39% de sodio (Na), 11.32% de carbono (C) y 45.28% de oxgeno (O).

solucinAntes de comenzar a llenar el cuadro, recuerda que sobre una base molar de 100 g, convertirs los por-centajes a masa.

Elemento Composicin en masa (g)

Masa atmica (g/mol)

Composicin / masa atmica (relacin atmica)

Relacin atmica mnima

Na 43.39 23 43.39 / 23 = 1.88 1.88 / 0.94 = 2

C 11.32 12 11.32 / 12 = 0.94 0.94 / 0.94 = 1

O 45.28 16 45.28 / 16 = 2.83 2.83 / 0.94 = 3

La frmula emprica de este compuesto es: Na2C1O3.

ejemplo 12Cul es la frmula emprica de un compuesto que tiene 15.79% de aluminio (Al), 28.07% de azufre (S) y 56.14% de oxgeno (O)?

solucin


Masa atmica(g/mol)



Al 15.79 27 15.79 / 27 = 0.58 0.58 / 0.58 = 1

S 28.07 32 28.07 / 32 = 0.88 0.88 / 0.58 = 1.5

O 56.14 16 56.14 / 16 = 3.51 3.51 / 0.58 = 6

La relacin atmica mnima nos indica que la frmula emprica es: Al1S1.5O6.

Sin embargo, no podemos expresar una frmula emprica con coeficientes fraccionarios, por lo que usaremos un factor, el mnimo, que nos permita expresar los coeficientes en nmeros enteros. El factor que usaremos ser el 2, cada coeficiente ser multiplicado por l y la frmula emprica entonces ser: Al2S3O12.

U1 eSteQUiOmetra

26

Actividad de desarrolloEn equipos de tres personas, desarrollen los siguientes clculos en sus cuadernos. 1. Experimentalmente se encontr que una sustancia contiene 72% de magnesio (Mg) y

28% de nitrgeno (N). Cul es la frmula emprica de la sustancia?2. Un anlisis de laboratorio registra la siguiente composicin porcentual: 6.21% H, 39.5% S,

44.4% C y 9.86% O. Encuentren la frmula emprica de este compuesto.3. Determinen la frmula mnima de las siguientes sustancias:

a. 79.72% de plomo (Pb), 12.32% de oxgeno (O) y 7.96% de fsforo (P)b. 39% de azufre (S), 58.6% de oxgeno (O) y 2.4% de hidrgeno (H)c. 7.69% de hidrgeno (H) y 92.31% de carbono (C)

4. Encuentren la frmula emprica de una sustancia que contiene 18.39% de azufre (S), 44.83% de potasio (K) y 36.78% de oxgeno (O).

5. Determinen la frmula emprica para un compuesto cuyo anlisis de laboratorio report lo siguiente: 70% de hierro (Fe) y 30% de oxgeno (O).

6. Determinen la frmula mnima de algunos compuestos, a partir de los experimentos de laboratorio, segn los siguientes datos:a. 14.2% de titanio (Ti), 62.7% de cloro (Cl) y 23.1% de potasio (K)b. 39% de azufre (S), 58.6% de oxgeno (O) y 2.4% de hidrgeno (H)c. 20.91% de oxgeno (O), 1.31% de hidrgeno (H) y 77.78% de estao (Sn)

Frmula molecular La frmula molecular o verdadera es la que muestra la correcta relacin entre los tomos que forman un compuesto. Para obtener la frmula molecular es necesario haber obtenido antes la frmula emprica y conocer la masa molar del compuesto. Al igual que en la frmula emprica, te proponemos trabajar sistemticamente siguiendo unos sencillos pasos:

1. Determina la frmula mnima.2. De acuerdo a lo obtenido en la frmula mnima, calcula la masa molar.3. Divide la masa molar dada entre la masa molar de la frmula emprica obtenida en el paso 2.4. Multiplica cada tomo de la frmula mnima por el factor obtenido en el paso 3.

ejemplo 13La teobromina es un compuesto orgnico contenido en el cacao (materia prima para la manufactura de chocolate, figura 10) y es similar a la cafena. Tiene una masa molar de 180 g/mol y una composicin de 46.68% C, 4.44% H, 31.11% N y 17.77% O. Calcula la frmula molecular de la teobromina.

solucin


Masa atmica (g/mol)



C 46.68 12 46.68 / 12 = 3.89 3.89 / 1.11 = 3.5

H 4.44 1 4.44 / 1 = 4.44 4.44 / 1.11 = 4.0

N 31.11 14 31.11 / 14 = 2.22 2.22 / 1.11 = 2.0

O 17.77 16 17.77 / 16 = 1.11 1.11 / 1.11 = 1.0

Ahora que hemos calculado la frmula emprica, seguiremos los pasos indicados para calcular la fr-mula molecular:

1. Tenemos la frmula emprica que resulta C3.5H4N2O1. Como tenemos un coeficiente fraccionario, multiplicaremos por 2 cada uno de los coeficientes de forma que todos sean enteros. La nueva fr-mula emprica es: C7H8N4O2.

QUmica 2

27

2. Calculamos la masa molar de la frmula mnima:

Elemento Cantidad Masa atmica (g/mol) Masa unitaria (g/mol)

C 7 12 84

H 8 1 8

N 4 14 56

O 2 16 32

Total 180

Masa molar de la frmula emprica: 180 g/mol.

3. Dividimos la masa molar dada entre la masa molar de la frmula emprica:

180 g/mol

180 g/mol1=c m

4. El factor obtenido es 1, significa que la frmula mnima es igual que la frmula molecular.

ejemplo 14Determina la frmula molecular para la siguiente frmula emprica Al2S3O12, si su masa molar es de 342 g/mol.

solucin1. Frmula emprica: Al2S3O12.

2. Calcularemos la masa molar de la frmula mnima.

Elemento Cantidad Masa atmica (g/mol) Masa unitaria (g/mol)

Al 2 27 54

S 3 32 96

O 12 16 192

Total 342

Masa molar de la frmula emprica: 342 g/mol.

3. Dividimos la masa molar dada entre la masa molar de la frmula emprica:

342 g/mol

342 g/mol1=c m

4. El factor obtenido es 1, significa que la frmula mnima es igual que la frmula molecular, sin embargo, debemos reacomodar los subndices para que la frmula tenga sentido: Al2(SO4)3.

Actividad de desarrolloI. Resuelve los siguientes ejercicios en tu cuaderno.1. Un compuesto de masa molar de 180 g/mol tiene el siguiente anlisis porcen-

tual: 40% de carbono (C), 53.33% de oxgeno (O) y 6.66% de hidrgeno (H). Encuentra su frmula molecular.

2. Descubre la frmula molecular de un combustible cuya composicin es: 14.31% de hidrgeno (H) y 85.69% de carbono (C). Su masa molar es de 56 g/mol.

Figura 10. La teobromina es un alcaloide de la familia de la cafena y es el elemento activo del chocolate.

HN

CH

CH

N

NN

O

O

Teobromina

U1 eSteQUiOmetra

28

3. Calcula la frmula molecular de un gas si su masa molar es de 92 g/mol y tiene una composicin de 69.56% de oxgeno (O) y el resto de nitrgeno (N).

4. Determina la frmula molecular de un compuesto cuya masa molar es de 110 g/mol y su compo-sicin es: 29.09% de oxgeno (O), 65.45% de carbono (C) y 5.45% de hidrgeno (H).

5. Un compuesto tiene una masa molar de 140 g/mol y su composicin porcentual es de 40% de nitrgeno (N), 51.42% de carbono (C) y 8.57% de hidrgeno (H). Encuentra su frmula molecular.

II. En equipos de tres o cuatro integrantes, analicen los ejercicios propuestos en la actividad anterior y decidan a qu ley ponderal corresponde cada uno. Discutan despus con todo el grupo para llegar a un acuerdo.

Hasta ahora has hecho clculos que relacionan dos variables y que se incluyen en lo que se denomi-na factores de conversin. Sin embargo, debes saber que estos pueden ser usados para clculos ms elaborados o complejos; lo importante es no perder la pista de lo que buscamos y saber relacio-nar las variables de forma que se vayan eliminando los factores de transicin hasta llegar a nuestro objetivo. Veamos algunos ejemplos.

ejemplo 15Cuntos segundos hay en dos das?

solucinPrimero, planteemos todas las equivalencias necesarias a modo de factores de conversin; recuerda que podemos invertir el orden en el cual los factores estn acomodados de forma que se puedan ir cancelando.

Despus, nombremos a nuestras variables segn lo marca el Sistema Internacional de Unidades (si):h: horamin: minutos: segundo

Factores de conversin:

24 h1 da o

1 da24 h

60 min1 h o

1 h60 min

60 s1 min o

1 min60 s` ` ` ` ` `j j j j j j

2 das2 da24 h

1 h60 min

1 min60 s =` ` `j j j 172 800 s

ejemplo 16Un libro tiene 384 pginas. Si t lees 12 pginas cada hora y lees 4 horas por da, cuntos das te tomar leer el libro?

solucinFactores de conversin:

1 h

12 pginaso

12 pginas1 h

1da4 h o

4 h1 dac c ` `m m j j

384 pginas12 pginas

1 h4 h1 da 8 das=c `m j

Ahora que ya viste la aplicacin de los factores de conversin de una forma ms completa, te ha-brs dado cuenta de que los clculos se vuelven ms cortos y tus operaciones ms ordenadas y sistemticas, lo cual te ser de utilidad para posteriores clculos estequiomtricos.

QUmica 2

29

estequiometrA y reAcciones qumicAsEn la actualidad, se ha convertido en una necesidad para las industrias qumicas o de transformacin planear y proyectar su produccin, de forma que se pueda predecir con mayor exactitud la cantidad de materia prima necesaria para lograr un produc-to particular, con un mnimo de desperdicio y, de esta manera, lograr beneficios econmicos. Como imaginars, el modo de lograrlo es conociendo las ecuaciones qumicas balanceadas de cada etapa del proceso, para que se puedan hacer ajustes de acuerdo a las necesidades (figura 11).

Una ecuacin qumica es una representacin gr-fica que describe a una reaccin qumica; est conformada por los reactivos, que son las sus-tancias que reaccionan, y por los productos, que son las sustancias que se generan o producen a partir de una reaccin. Un caso tpico de una reac-cin es la combustin de un gas, tomemos como ejemplo al butano (C4H10), principal componente del gas licuado que se usa en casas habitacin ya sea para cocinar, para la calefaccin del aire o para calentar el agua de la regadera. El butano reaccio-na con el oxgeno y forma dixido de carbono y agua. Se expresa en una ecuacin qumica:

C4H10 + 6.5O2 4CO2 + 5H2O

Notars que hay frmulas qumicas de compues-tos o elementos a la derecha y a la izquierda de una flecha. Las frmulas que se encuentran a la izquier-da son los reactivos, mientras que las de la dere-cha son los productos. La flecha significa forma o produce. Los nmeros que estn a la izquierda de cada frmula ya sea en los reactivos o en los productos son los coeficientes estequiomtricos y su funcin es la de balancear las ecuaciones al mul-tiplicarse por los subndices, de modo que tanto en los reactivos como en los productos encontremos la misma cantidad de tomos de cada elemento. Cuando el coeficiente es 1, no se escribe en la ecuacin. La ecuacin que tomamos como ejem-plo est balanceada, porque en ambos lados de la ecuacin (reactivos y productos) tenemos la misma cantidad de tomos de cada especie.

Es importante resaltar que las cantidades en masa a ambos lados de la flecha son las mismas, ya que, segn el principio de conservacin de la materia, esta no se crea ni se destruye, solamen-te se transforma.

Una ecuacin qumica tambin nos puede infor-mar del estado de agregacin de los reactivos y de los productos (lquido, slido o gaseoso) y de la energa necesaria para llevarla a cabo o la energa liberada por la misma.

relAcin mol-molComo dijimos, una ecuacin qumica representa el nmero de tomos que interactan en forma de reactivos para formar ciertos productos. Los coeficientes nos dan la idea de la cantidad de sus-tancia (moles) que debemos incluir de reactivos o que formaremos de productos en un caso par-ticular. Consideremos la reaccin:

CH4(g) + 2O2(g) CO2(g) + 2H2O(g)

En esa reaccin podemos observar que para que reaccione un mol de metano (CH4) se necesitan dos moles de oxgeno molecular (O) y por cada mol de metano que reacciona, se produce un mol de dixido de carbono (CO) y dos moles de agua (HO). Los reactivos y productos se encuentran en estado gaseoso (subndice g entre parntesis). Todas esas relaciones se pueden expresar como factores de conversin que nos ayudarn a hacer clculos estequiomtricos de forma ms simple. Algunos factores de conversin para este caso quedaran expresados as:

2 moles de O1 mol de CH

2

4 o 1 mol de CH2 moles de O

4

2

1 mol de CO1 mol de CH

2

4 o 1 mol de CH2 moles de CO

4

2

22 moles de H O1 mol de CH4

o

4

2

1 mol de CH2 moles de H O

2

2

1 mol de CO2 moles de O

o

2

2

2 moles de H O2 moles de O

Veamos algunos ejemplos.

Figura 11. ejemplo de una reaccin qumica. La estequiometra nos permite saber de qu forma interactan los reactivos para formar productos.

Ba aB+

U1 eSteQUiOmetra

30

ejemplo 17Calcula la cantidad de moles de CO2 que se produciran si reaccionaran 1.5 moles de CH4.

solucinUsando los factores de conversin, tenemos:

4

221.5 moles de CH

1 mol de CH2 moles de CO 3 moles de CO4 # =

ejemplo 18Cuntos moles de hexano (C6H14) se necesitan para producir 20 moles de CO2 de acuerdo a la siguiente reaccin?

2C6H14(l) + 19O2(g) 12CO2(g) + 14H2O(g)

solucin

2

6 146 1420 moles de CO

14 moles de CO2 moles de C H 2. C Hmoles de862 # =

Actividad de desarrolloResuelve los siguientes problemas.1. Para la reaccin:

2C6H14(l) + 19O2(g) 12CO2(g) + 14H2O(g)a. Determina cuntos moles de dixido de carbono (CO2) se podran formar al

reaccionar 0.4 mol de hexano (C6H14).

b. Encuentra cuntos moles de agua (H2O) se formarn para esa misma canti-dad de hexano (C6H14).

c. Cuntos moles de oxgeno (O2) se necesitan para que 0.4 mol de hexano (C6H14) reaccionen?

2. El cido ntrico se prepara segn la reaccin:3NO2(g) + H2O(l) 2HNO3(aq) + NO(g)Calcula cuntos moles de dixido de nitrgeno se necesitan para preparar 15 moles de cido ntrico.

QUmica 2

31

3. En el laboratorio se estn haciendo experimentos para la obtencin de cloro (Cl2) por medio de la reaccin con xido de manganeso (MnO) y cido clorhdri-co (HCl). Qu cantidad de MnO habra que reaccionar para obtener 20 moles de Cl2?MnO(g) + 2HCl(ac) MnCl2(s) + H2(g)

4. Calcula cuntos moles de xido de plomo (II) (PbO) se obtienen cuando reaccio-nan 1.2 moles de sulfuro de plomo (II) (PbS) con oxgeno molecular (O2). Haz tus clculos tomando en cuenta la siguiente reaccin balanceada:2PbS + 3O2 2PbO + 3SO2

5. El cloruro de magnesio (MgCl2) se obtiene de la reaccin del magnesio elemen-tal (Mg) con cido clorhdrico (HCl). Determina la cantidad de magnesio que se necesita para formar 15 g de MgCl2, de acuerdo con la siguiente reaccin balanceada:Mg + HCl MgCl2 + H2

relAcin mol-mAsAEn este caso, se trata de establecer una relacin estequiomtrica entre la masa de un reactivo o producto y el nmero de moles de otro reactivo o producto. En otras palabras, a partir de una cantidad en masa de reactivos o productos, debers encontrar su correspondiente cantidad en moles de reactivos o productos.

Veamos algunos ejemplos:

ejemplo 19Calcula cuntos gramos de H2O se producen al reaccionar 2 moles de CH4, segn la reaccin balanceada:

CH4(g) + 2O2(g) CO2(g) + 2H2O(g)

solucin

4

2

2

222 moles de CH

1 mol de CH2 moles de H O

1 mol de H O

18 g de H Og de H O724 # # =

U1 eSteQUiOmetra

32

ejemplo 20Determina cuntos moles de oxgeno (O2) necesitas para reaccionar 150 g de hexano, segn la reaccin balanceada:

2C6H14(l) + 19O2(g) 12CO2(g) + 14H2O(g)

solucin

6 14

6 14

6 14

22150 g de C H

86 g de C H1 mol de C H

2 moles de C H19 moles de O 16.57 moles de CO6 14 # # =

Actividad de desarrolloResuelvan en sus cuadernos los siguientes problemas trabajando en equipos de tres personas. No olviden verificar el balanceo de las ecuaciones.1. Consideren la ecuacin:

C3H8(g) + O2(g) CO2(g) + H2O(l)a. Por medio de factores de conversin, escriban la relacin molar entre el propano (C3H8) y

el dixido de carbono (CO2).b. Si reaccionan 0.5 mol de propano (C3H8), cuntos moles de agua (H2O) se formarn?c. Cuntos gramos de dixido de carbono se forman al reaccionar 7 moles de propano

(C3H8)?

2. De acuerdo a la ecuacin:NaOH + HCl NaCl + H2ODeterminen:a. La masa de agua que se forma al reaccionar 5 moles de hidrxido de sodio (NaOH).b. Cuntos moles de NaOH habra que reaccionar para obtener 15 g de cloruro de sodio

(NaCl)?

relAcin mAsA-mAsAHay otra clase de problemas, aquellos en los que debers hacer clculos en masa para la rela-cin entre reactivos y/o productos. Es importante sealar que siempre tendrs que considerar la relacin estequiomtrica entre ellos, basndote en la ecuacin balanceada.

ejemplo 21En una prctica de laboratorio tienes que producir cloruro de zinc (ZnCl2) a partir de la reaccin entre zinc elemental (Zn) y cido clorhdrico concentrado (HCl). Calcula qu cantidad de cloruro de zinc se formar al reaccionar 15 g de cido clorhdrico, de acuerdo con la reaccin:

Zn + 2HCl ZnCl2 + H2

solucinDespus de verificar que la ecuacin est balanceada, hacemos los clculos respectivos.

15 g de HCl36.45 g de HCl1 mol de HCl

2 moles de HCl1 mol de ZnCl

1 mol de ZnCl

136.29 g ZnCl28.04 g de ZnCl2

2

22# # # =

ejemplo 22Calcula cuntos gramos de carbonato de sodio (NaCO3) se necesitan para formar 40 gramos de cloruro de sodio (NaCl), segn la reaccin balanceada:

NaCO3 + 2HCl 2NaCl + HCO3

QUmica 2

33

solucin

40 g de NaCl58.45 g de NaCl1 mol de NaCl

2 moles de NaCl1 mol de Na CO2 3

# #

1 mol de Na CO

106 g de Na CO36.27 g de Na CO

2 3

2 32 3# =

Actividad de desarrolloResuelve los siguientes problemas. No olvides que tienes que verificar el balanceo de las ecuaciones.1. Considerando la ecuacin:

C6H14(g) + O2(g) CO2(g) + H2O(l)Cuntos gramos de oxgeno (O2) se necesitan para reaccionar con 10 g de hexano (C6H14)?

2. Las sales de zinc se obtienen al reaccionar el elemento con algn cido. Para la obtencin de 100 g de nitrato de zinc (Zn(NO3)2), determina qu masa de cido ntrico (HNO3) se debe agregar. 4Zn + 10HNO3 4Zn(NO3)2 + N2O + H2O

3. El trixido de azufre (SO3) se produce en la atmsfera por oxidacin del dixido de azufre (SO2) bajo la influencia de la luz solar segn la siguiente reaccin:SO2 + O2 SO3Determina qu cantidad en gramos se formaran de SO3 a partir de 50 g de SO2.

U1 eSteQUiOmetra

34

4. En el laboratorio hars un experimento en el que reaccionars 12 g de carbono (C) con oxgeno (O2). Qu masa de monxido de carbono (CO) se podra formar?C + O2 CO

5. Qu masa de hidrxido de calcio (Ca(OH)) se forma a partir de 0.10 g de xido de calcio (CaO)?CaO + H2O Ca(OH)2

relAcin mAsA-volumenComo ya habamos mencionado, los reactivos y productos pueden estar en diferen-tes estados de agregacin: un slido puede reaccionar con un lquido para formar un gas o dos lquidos pueden producir un gas. Para estos casos podremos determinar qu cantidad de gas se puede producir o consumir en una reaccin.

Una herramienta importante ser la hiptesis de los gases de Avogadro, que afirma que un mol de un gas tendr el mismo volumen que un mol de otro gas en condicio-nes normales de temperatura y presin (tpn: 0C, 1 atm).

ejemplo 23Calcula cuntos gramos de sulfuro de zinc (ZnS) se necesitan para producir 15 L de cido sulfhdrico (H2S) a tpn, dada la reaccin balanceada:

ZnS(s) + 2HCl(aq) ZnCl2(aq) + H2S(g)

solucin

15 LH S22.4 g H S1 mol H S

1 mol H S1 mol ZnS

1 mol ZnS

97.45 g ZnS65.25 g ZnS2

2

2

2

# # # =

ejemplo 24El nitrato de amonio (NH4NO3), que suele usarse como fertilizante para tierra, se des-compone en dixido de nitrgeno (NO) y agua (HO), segn la reaccin descrita. Calcula cuntos litros de NO se produciran al reaccionar 50 g de NH4NO3 a tpn.

NH4NO3(s) N2O(g) + 2H2O(l)

solucin

2

2

2250g NH NO

80 g NH NO1 mol NH NO

1 mol NH NO1 mol N O

1 mol N O22.4 N O 14 L N OL4 3

3

3

4 34

4# # # =

QUmica 2

35

relAcin volumen-volumenEsta relacin se aplica cuando los reactivos y los productos estn en fase gaseosa, basndonos en que el volumen que ocupan los gases en condiciones normales de temperatura y presin es el mismo, debido a que contienen igual nmero de mol-culas en el mismo espacio.

Veamos algunos ejemplos.

ejemplo 25Un auto consume en promedio 40 L de butano (C4H10) cada 500 km. Calcula qu volumen de dixido de carbono (CO) se produce cada vez que un tanque de gasolina se consume.

2C4H10(g) + 130(g) 8CO(g) + 10HO(g)

solucin

2

2

2240 LC H x

22.4 L C H1 mol C H

2 moles C H16 moles CO

1 mol CO22.4 L CO 320 L CO

41

1

14 0

4 0

4 0

10

# # =

ejemplo 26El amoniaco se prepara segn la reaccin:

N(g) + 3H(g) 2NH3(g)

Calcula qu volumen de hidrgeno se necesitar para formar 10 L de NH3.

solucin

3 2

210 L NH

22.4 L NH1 mol NH

2 moles NH3 moles H

1 mol H22.4 L CO

15 L CO33 3

22# # # =

Actividad de desarrollo Resuelve en tu cuaderno los siguientes ejercicios junto a un compaero. 1. Al calentar el clorato de potasio (KClO3), este se descompone fcilmente en la

sal cloruro de potasio (KCl) y oxgeno (O2). Calculen qu volumen de oxgeno se produce al calentar 25 g de KClO3.2KClO3(s) 2KCl(s) + 3O2(g)

2. El dixido de azufre (SO2) reacciona con carbonato de calcio (CaCO3) y forma sulfato de calcio (CaSO4) y dixido de carbono (CO2). 2SO2(g) + 2CaCO3(s) + O2(g) 2CaSO4(s) + 2CO2(g)Determinen:a. Qu masa de CaCO3 se necesita para retirar 500 mL de SO2?b. Qu volumen de O2 se necesita para reaccionar con 500 mL de SO2?c. Qu volumen de CO2 se producir al reaccionar 1 L de SO2?

3. Determinen qu volumen de oxgeno se consumir al reaccionar con 15 g de Mg segn la siguiente ecuacin:2Mg + O2 2MgO

4. Calculen qu masa de CaC2 se consumir para formar 10 L de acetileno C2H2, segn la siguiente reaccin:CaC2 + 2H2O C2H2 + Ca(OH)2

U1 eSteQUiOmetra

36

reActivo limitAnte y reActivo en excesoEn la prctica, las reacciones qumicas no consumen en su totalidad los reactivos. En los laboratorios de enseanza, es muy comn que alguno de los reactivos que utilizas para hacer tus experimentos est proporcionado en exceso para que sea ms fcil que se lleve a cabo la reaccin y, por lo tanto, ms sencillo para ti asociar el concepto sin importar qu cantidad de reactivos se consumen en su totalidad y cul es el costo. En la industria, por el contrario, siempre se est pensando de qu forma hacer que la mayor cantidad de reactivo se transforme en productos al menor costo.

Debes saber que en cualquier caso, no se consumen en su totalidad los reacti-vos despus de una reaccin; puede suceder que por condiciones de reaccin, estado de agregacin, temperatura y otros factores, solo uno de ellos se termine y cuando esto sucede, la reaccin termina. En qumica, a este reactivo que se termina se le llama reactivo limitante, y al que no se termina, se le llama reactivo en exceso; es tarea de los qumicos determinar cul es el reactivo limitante en una reaccin, de ese modo podran proceder de una forma ms conveniente para la remocin de residuos y mejorar la pureza de productos, por ejemplo.

Pongamos el caso del reactivo limitante en trminos del armado de un juguete. En una fbrica se estn armando muecas, las cuales constan de dos brazos, dos pier-nas, un tronco y una cabeza. En este momento se cuenta con un inventario de 17000 brazos, 14000 piernas, 7100 troncos y 7200 cabezas (figura 12). Cuntas muecas podran producirse en una semana? Si nos basamos en el nmero de troncos y ca-bezas se terminaran 7100 muecas pero, como cada mueca est conformada por otras cuatro piezas, tendramos que poner atencin en las partes duplicadas. Esto es, si nos guiamos en el nmero de brazos podran armarse 8500 muecas y si nos basamos en el nmero de piernas, se pueden formar 7000 muecas. Si analizamos todos los nmeros, vemos que la produccin terminara cuando en el almacn ya no haya ms piernas y solo puedan fabricarse 7000 muecas. En este caso, el reactivo limitante es el nmero de piernas.

En una reaccin qumica, se haran anlisis similares, pero basndonos en la canti-dad de moles o de gramos que existe de cada especie. A continuacin se muestran algunos ejemplos.

Figura 12. inventario de piezas para la produccin de muecas.

7200 cabezas 7100 troncos 17000 brazos

?14000 piernas

QUmica 2

37

ejemplo 27El cloroformo (CHCl3) es un compuesto qumico de rpida accin que funciona como anest-sico. En historias de espas se usa para incapacitar temporalmente a las vctimas o enemigos. Al reaccionar con oxgeno (O2), se descompone en cido clorhdrico (HCl) y gas fosgeno (COCl2), sustancia que se us como gas venenoso contra tropas de la Primera Guerra Mundial.

Determina cul es el reactivo limitante para la produccin de fosgeno.

2CHCl3 + O2 2COCl2 + 2HCl70.8 g 12.8 g ? g ? g

solucinPara encontrar el reactivo limitante, debemos saber la cantidad de moles que hay en cada uno de los reactivos. Usaremos nuevamente la conversin por factores.

3

370.8 g CHCl119.35 g CHCl1 mol CHCl 0.59 mol CHCl3 3# =

12.8 g O32 g O1 mol O

0.40 mol O22

22# =

Ahora tomaremos la cantidad en moles de cada reactivo para saber la cantidad en masa que produciran de fosgeno.

0.59 mol CHCl2 moles CHCl2 moles COCl

1 mol COCl

98.9 g COCl58.35 g COCl3

3

2

2

22# # =

20.40 mol O

1 mol O2 moles COCl

1 mol COCl

98.9 g COCl79.12 g COCl2

2

2

22# # =

El CHCl3 forma una menor cantidad de fosgeno, lo que en trminos prcticos significa que es el reactivo limitante y el O2 es el reactivo en exceso. En otras palabras, cuando se ponen a reaccionar el CHCl3 y el O2, la reaccin se va a detener cuando el CHCl3 haya formado 58.35 g de fosgeno.

ejemplo 28En un laboratorio se usarn 100 g de hidrxido de magnesio (Mg(OH)2) y 130 g de cido clorhdrico (HCl) para producir cloruro de magnesio (MgCl2), el cual se usa como desin-fectante. De acuerdo a la reaccin propuesta, responde:

a. Cul es el reactivo limitante?

b. Cuntos gramos de HO se formarn?

c. Cuntos gramos de Mg(OH)2 quedarn sin reaccionar?

Mg(OH)2 + 2HCl MgCl2 + 2H2O 100 g 70 g ? ?

solucinNuestro producto de inters es el MgCl2, as que los clculos estarn referidos a este.

Para encontrar el reactivo limitante, primero debemos convertir a moles cada una de las cantidades de reactivos.

U1 eSteQUiOmetra

38

2100 g Mg (OH)58.31 g Mg (OH)

1 mol Mg (OH)1.71 moles Mg (OH)

2

22# =

70 g HCl36.45 g HCl1 mol HCl 1.92 moles HCl# =

Reescribimos la ecuacin qumica en funcin de los datos obtenidos y hacemos un anlisis molar.

Mg(OH)2 + 2HCl MgCl2 + 2H2O1.71 mol 1.92 mol ? ?

Ahora que sabemos la cantidad en moles de cada reactivo, calculamos qu cantidad en gramos produ-cira cada uno de ellos de MgCl2 si reaccionaran completamente.

1.71 moles Mg (OH)1 mol Mg (OH)

1 mol MgCl

1 mol MgCl

95.21 g MgCl162.81 g MgCl2

2

2

2

22# # =

21.92 moles HCl2 moles HCl

1 mol MgCl

1 mol MgCl

95.21 g MgCl91.40 g MgCl

2

2

2# # =

Vemos que el que forma menor cantidad de MgCl2 es el HCl, por lo cual, es el reactivo limitante, mientras que el Mg(OH)2 sera el reactivo en exceso.

Despus de saber cul es el reactivo limitante, podemos hacer otros clculos, por ejemplo, cunto se necesita realmente del otro reactivo y cunto se forma de los dems productos.

Para esta misma reaccin, podemos calcular cunto Mg(OH)2 se consumi:2

21.92 moles HCl

2 moles HCl

1 mol Mg (OH)

1 mol Mg (OH)

58.31 g Mg (OH)55.97 g Mg (OH)

22# # =

Tambin podemos saber cunto HO se form:

1.92 moles HCl2 moles HCl2 moles H O

1 mol H O

18 g H O34.56 g H O2

2

22# # =

rendimiento de unA reAccinHasta ahora has hecho clculos considerando que el reactivo limitante se consume por com-pleto. Debes saber que en la industria no sucede as; puede pasar que no todo el reactivo reaccione, ya sea por condiciones inapropiadas de presin, temperatura o incluso por el me-dio en el cual se est llevando a cabo; tambin puede pasar que, aunque haya reaccionado en su totalidad, sea imposible separar nuestro producto de todos los dems que se hayan formado con l por reacciones paralelas. Por eso, se calcula el rendimiento de una reaccin expresado como porcentaje. El porcentaje de rendimiento relaciona la cantidad de produc-tos formados con respecto a la cantidad de productos esperados, siempre en funcin del reactivo limitante. En otras palabras, es una relacin entre la cantidad real del producto y la cantidad terica multiplicado por cien. En una frmula quedara expresado de la siguiente manera:

% rendimientorendimiento tericorendimiento real 100#=

Resolvamos juntos algunos ejemplos.

QUmica 2

39

ejemplo 29El sulfato de amonio ((NH4)2SO4) es un compuesto que se utiliza como fertilizante. Se pre-para al reaccionar cloruro de amonio (NH4Cl) y cido sulfrico (H2SO4), segn la reaccin:

2NH4Cl + H2SO4 (NH4)2SO4 + 2HCl

En una planta piloto se est probando un nuevo equipo y al reaccionar 50 g de NH4Cl se obtuvieron 50 g de (NH4)2SO4. De acuerdo a los resultados obtenidos, cul es el rendi-miento porcentual de esta reaccin?

solucinEs necesario conocer primero el rendimiento terico de esta reaccin, el cual determinare-mos en funcin del (NH4)2SO4 que se debi formar.

( )4

4 250 g NH Cl

53.45 g NH Cl1 mol NH Cl

2 moles NH Cl1 mol NH SO

44

4 4# #

( )( ) ( )

2

22

1 mol NH SO

132.06 g NH SO61.77 g NH SO

4 4

4 44 4# =

Al someter a reaccin 50 g de NH4Cl debimos obtener 61.77 g de (NH4)2SO4 y solo ob-tuvimos 50 g, por lo que esta reaccin no tuvo un 100% de rendimiento. Su porcentaje de rendimiento fue:

% rendimientorendimiento tericorendimiento real 100#=

( )( )

2

2 4% rendimiento

61.77 g NH SO

50 g NH SO100 80.94%

4 4

4#= =

ejemplo 30El sulfato de aluminio es usado para la fabricacin de antitranspirantes. El compuesto se produce por la reaccin de hidrxido de aluminio (Al(OH)3) y cido sulfrico (H2SO4) segn la reaccin:

2Al(OH)3 + 3H2SO4 Al2(SO4)3 + 6H2O

En una prueba se hicieron reaccionar 150 g de Al(OH)3 con el H2SO4 y solo se recuperaron 250 g de Al2(SO4)3. Calcula el porcentaje de rendimiento para esta reaccin.

solucinCalculamos el rendimiento real de la reaccin.

3

3 2 4150 g Al (OH)

77.98 g Al (OH)1 mol Al (OH)

2 mol Al (OH)1 mol Al (SO )

33

3# #

2

22 4 3

4

4

1 mol Al (SO )

342.14 g Al (SO )329.06 g Al (SO )

3

3# =

Teniendo el rendimiento real, calculamos el porcentaje de rendimiento.

2 4

2 4% rendimiento

329.06 g Al (SO )

250 Al (SO )100 75.97%

g

3

3#= =

U1 eSteQUiOmetra

40

Actividad de desarrolloI. Resuelve en tu cuaderno los siguientes ejercicios.1. Para la reaccin:

3H2SO4 + 2Al(OH)3 Al2(SO4)3 + 6H2ODetermina:a. Cul es el reactivo limitante y el reactivo en exceso cuando se hacen reaccionar 50 g de

cido sulfrico (H2SO4) y 20 g de hidrxido de aluminio (Al(OH)3)?b. Cul es el porcentaje de rendimiento del reactivo limitante si se recuperaron 8 g de sul-

fato de aluminio (Al2(SO4)3)?

2. Una reaccin entre hidrxido de sodio (NaOH) y cido sulfrico (H2SO4) empieza con cantidades iguales de reactivo, 15 g de cada uno. Determina cul de los dos es el reactivo limitante.

3. El acetileno se usa como anestsico en las cirugas. La reaccin de obtencin es la siguiente:CaC2 + 2H2O C2H2 + Ca(OH)2a. Determina la masa que se producir de C2H2 cuando reaccionan 128 g de carburo de calcio

(CaC2) y 144 g de agua (H2O).b. Determina el porcentaje de rendimiento de la reaccin si se obtuvieron 100 g de HO

II. En parejas, resuelvan el siguiente ejercicio y construyan un cuadro en el que se compruebe la ley de la conservacin de la masa.El hidrgeno se puede obtener de diferentes maneras, y una forma muy econmica es hacerlo por medio de la reaccin de hierro (Fe) con vapor de agua (H2O), como se muestra a continuacin:Fe + H2O Fe3O4 + H2a. Balanceen la ecuacin.b. Determinen la cantidad de H2 gas que se puede preparar a partir de 225 g de Fe y 225 g de H2O.c. Calculen qu cantidad de reactivo limitante sera necesario para considerar un rendimiento

de reaccin de 90%.

QUmica 2

41

III. Reunidos en grupos de cuatro integrantes, realicen el experimento que a continuacin se presenta. Al fi-nalizar, podrn comprobar la ley de conservacin de la masa y determinar el volumen de gas producido por una reaccin. Tambin podrn ejercitar clculos referentes a relaciones molares, reactivo limitante y porcentaje de rendimiento de una reaccin.

Produccin de CO a partir de cido actico y carbonato de sodio

Materiales y reactivos 22 g de cido actico glacial (CH3COOH) 33 g de bicarbonato de sodio (NaHCO3) 1 balanza granataria 1 esptula 1 matraz Erlenmeyer de 50 mL de capacidad 1 vidrio de reloj 1 globo 1 regla

Procedimiento1. Pesen 33 g de NaHCO3 en el vidrio de reloj.2. Pesen el matraz junto con el globo (a un costado o

superpuesto en la boca del matraz) y registren el peso exacto.

3. Agreguen 22 g de CH3COOH al matraz.4. Aadan el NaHCO3 y coloquen rpidamente el globo en la boca del matraz.5. Esperen a que la reaccin termine.6. Vuelvan a pesar el matraz con el globo, reactivos y

producto; registren los datos.7. Basndose en la reaccin presentada:

NaHCO3(s) + CH3COOH(l) CH3COONa(ac) + H2O(l) + CO2(g)

Respondan:a. Cul es el reactivo limitante?

b. Cul es el reactivo en exceso?

c. Se cumpli la ley de conservacin de la masa?

d. Qu volumen de gas se produjo? Debern medir el dimetro del globo para determinar el volumen; considerando que el globo es esfrico, tenemos que Vesfera = (4/3)pr3.

e. Cul es el rendimiento terico de la reaccin?

f. Qu porcentaje de rendimiento se obtuvo de la reaccin?

g. Cules fueron las razones por las que no se obtuvo el 100% de rendimiento de la reaccin?

h. Qu cambios propondran en la realizacin de esta prctica y mejorar el porcentaje de rendimiento?

i. Qu efectos podra tener sobre la naturaleza llevar a cabo miles de reacciones simultneas como esta?

U1 eSteQUiOmetra

42

8. Realicen de forma individual un reporte de este experimento. Basados en lo que han aprendido en este primer tema de la unidad 1, planteen el marco terico (fundamento). Sigan el siguiente esquema:a. Ttulo del experimentob. Hiptesisc. Fundamento d. Procedimiento (en forma de diagrama de bloques)e. Observacionesf. Resultados y clculos (as como respuestas a las preguntas)g. Conclusionesh. Bibliografa

nota: si en su laboratorio no hay material del tamao que se marca en este procedimiento, realicen clculos para cambiar la escala. Recuerden que, segn Proust, la relacin de los elementos en cada compuesto se mantiene sin importar la masa que usemos.

22 g CHCOOH

33 g NaHCO

? g CHCONa? CO? HO

+

QUmica 2

43

tema 2

soluciones

La materia puede clasificarse de acuerdo al siguiente esquema:

Como recordars, la materia es todo aquello que ocupa un lugar en el espacio, y puede encontrarse en forma de sustancias puras o mezclas en la naturaleza.

Las sustancias puras se caracterizan por estar configuradas por la misma clase de tomos que los elementos qumicos (los cuales podemos encontrar simboli-zados en la tabla peridica, clasificados de acuerdo a sus propiedades fsicas y qumicas en grupos y periodos).

Los elementos no pueden separarse en sustancias ms sencillas por medios f-sicos. Ejemplos de elementos y sus smbolos: aluminio (Al), sodio (Na), magnesio (Mg). Por su parte, los compuestos resultan de la unin de dos o ms elementos en proporciones definidas (leyes ponderales) y son representados por medio de frmulas que indican la relacin o proporcin en la que se encuentran los tomos dentro de ese compuesto; y su aspecto fsico o propiedades fsicas y qumicas no guardan relacin alguna con los reactivos que los conforman. Algunos ejemplos de compuestos y sus frmulas: cloruro de calcio (CaCl2), yoduro de potasio (KI), carburo de silicio (SiC).

Una mezcla es una unin fsica de dos o ms sustancias en proporcin variable; su principal caracterstica es que se puede separar en sus componentes originales por medios qumicos, fsicos o mecnicos; dichos componentes conservan sus propiedades fsicas y qumicas al ser separados.

materia

sustanciaspuras

elementos compuestos

soluciones solucionescoloides

homogneas heterogneas

mezclas

U1 eSteQUiOmetra

44

Las mezclas estn integradas por una o ms partes denominadas fases, que le dan a las mezclas el carcter de homognea o heterognea. En una mezcla ho-mognea, no hay distincin entre una fase y otra, dado que las sustancias que la conforman tienen propiedades similares que les permiten estar juntas y aparentar ser una sola; un ejemplo puede ser el sudor, que es una mezcla de sales y agua. En el caso de las mezclas heterogneas, las sustancias tienen propiedades fsicas diferentes que, al momento de juntarlas, es evidente cada una de las fases; por ejemplo, una mezcla de arena y agua.

Observa en el siguiente mapa conceptual las diversas clasificaciones de las mez-clas homogneas.

Las mezclas tambin reciben el nombre de sistemas dispersos o dispersiones, debido a que las partculas que conforman a la materia se encuentran dispersas, interactuando unas con otras. Generalmente se conforman de una fase disper-sora, que es el medio en el que se encuentra un elemento menos abundante llamado fase dispersa, el cual determina el estado fsico de la mezcla. En la figura 13 podemos ver una simulacin de un vaso que contiene agua mezclada con cloruro de sodio (NaCl). La fase dispersora es el agua y la fase dispersa es el NaCl. Como la fase dispersora se encuentra en estado lquido, la mezcla a la vista es un lquido.

ejemplos ejemplos ejemplos

fase dispersora

fase resultante fase resultante fase resultante

fase dispersora fase dispersora

fase dispersa

acero agua de mar vinagre y agua nubes airehidrgeno en metales

refrescos con gas

esmog amalgama

mezcLa hOmOgnea

slida

slida slida slida

slida

lquida lquida lquida

lquida

gaseosa gaseosa gaseosa

gaseosa

lquida gaseosa

slida slidalquida lquidagaseosa gaseosa

QUmica 2

45

mtodos de sepArAcin de mezclAsEn la naturaleza es ms comn encontrar mezclas que sustan-cias puras, tal es el caso de algunos productos extrados de mi-nas, como metales y piedras preciosas, el agua de mar o el agua que bebemos que, para hacerla potable, se somete a procesos fsicos de separacin para eliminar sales en exceso, slidos y hasta grmenes.

Segn la fase dispersa y dispersora, tendremos diferentes tipos de mezclas homogneas, las cuales se podrn separar por distin-tos mtodos fsicos que no afectarn la estructura qumica de los componentes, pero s eliminar componentes no deseados.

Estos mtodos pueden ser usados para separar grandes partcu-las o pequeas. A continuacin describimos los ms conocidos:

Filtracin. Es un mtodo muy utilizado, ya que hasta en tu casa sueles recurrir a l. Se usa cuando la fase dispersa es insoluble y de grano grande. Se utiliza un medio poroso; puede ser pa-pel, tela o fieltro, y debe ser de tamao apropiado para retener las partculas dispersas, suspendidas o sedimentadas. La fase dispersora, al ser separada, queda prcticamente libre. Algunos ejemplos son: separacin de arena y agua, la filtracin del caf o infusiones, filtracin de agua como primer paso para su purifica-cin (figura 14).

evaporacin. Consiste en calentar la mezcla hasta desalojar por evaporacin al elemento ms voltil. Alguna vez habrs calentado agua hasta evaporarla por completo, y habrs notado que en las paredes y el fondo del recipiente queda un residuo blanco, ese residuo son las sales que vienen disueltas en el agua (figura 15). Esta tcnica es empleada en algunos lugares para la produccin de sal marina, ya sea para su uso en la cocina o en los acuarios.

Figura 15. evaporacin de una mezcla de cloruro de sodio en agua.

Vapor de agua

Cpsula de porcelana (con Cloruro de Sodio y Agua)

Figura 13. Disolucin de cloruro de sodio (nacl).

Figura 14. Filtracin de una mezcla.

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destilacin. La destilacin consiste en separar lquidos perfectamente miscibles (o sea, que se pue-den mezclar) pero que hierven a temperaturas diferentes. La destilacin simple consiste en calentar la mezcla en un equipo especial (figura 16) hasta que el componente ms voltil (el que hierve ms rpido) empieza a hervir. El vapor viaja a travs de una trampa llamada condensador, donde se empie-za a convertir nuevamente en un lquido. Este mtodo se usa mucho en la preparacin de algunos licores o destilados de alcohol como el ron o el brandy.La destilacin fraccionada es un poco diferente ya que, como su nombre lo indica, se hace en fracciones o etapas, en equipos ms grandes llamados columnas de destilacin (figura 17). Cada etapa se encuentra a una temperatura diferente, debido a esto, la tcnica se usa en la separacin de los componentes del petrleo.magnetismo. En esta tcnica se hace uso de un imn para separar minerales que tienen propieda-des magnticas de otros que no los tienen (figura 18). Sublimacin. Esta tcnica es aplicable a la separacin de dos componentes, de los cuales uno tiene la caracterstica de volverse gas sin pasar por el estado lquido, como es el caso del yodo o la naftalina (figura 19). Tambin se puede hacer una sublimacin inversa conocida como deposicin o desublimacin para pasar de estado gaseoso a estado slido, sin pasar por el estado lquido. Esta tcnica es usada para la impresin sobre vinil.

Figura 17. Destilacin fraccionada (columnas de destilacin).Figura 16. Destilacin simple.

Figura 18. Separacin de una mezcla por magnetismo. Figura 19. La naftalina es un ejemplo de una mezcla separada por sublimacin.

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decantacin. Su nombre indica poner de canto (de lado), y la tcnica bsicamente trata de sepa-rar mezclas con una notoria diferencia de densidades, como es el caso de algunas mezclas hetero-gneas que se separan al dejarlas reposar (figura 20). Cuando la fase dispersa es un slido, este se va al fondo del recipiente y con solo ponerlo un poco de lado y con cuidado de no agitar la mezcla, se saca el lquido sobrante. Si es el caso de dos lquidos, como el agua y el aceite, se usan algunas herramientas. En el laboratorio, para estos casos, se usan los embudos de separacin.Cristalizacin. Se usa para separar mezclas en las que la fase dispersa es un slido y la fase dispersora es un lquido (donde la fase resultante es un lquido). Se suele partir de una solucin y, bsicamente, se deja evaporar el lquido de la mezcla a temperatura ambiente o se le puede apoyar aplicando calor, teniendo en cuenta que la velocidad de la evaporacin repercute directamente en el tamao de los cristales (figura 21). Este mtodo se puede usar para la purificacin de algunas sales.Centrifugacin. Se usa cuando la mezcla es heterognea pero la fase dispersa tiene una den-sidad muy diferente a la fase dispersora como para precipitar y es necesario aplicar una fuerza externa para que esto suceda. En este caso, se usa un aparato llamado centrfuga (figura 22) que tiene un dispositivo al centro, donde se colocan los tubos de ensayo, que gira a altas revo-luciones y por la fuerza aplicada las partculas precipitan. En el laboratorio se usa mucho esta tcnica, particularmente en las pruebas cualitativas.Cromatografa. La palabra significa escribir con colores; es una tcnica que se usa para separar sustancias puras de mezclas complejas (figura 23). Se basa en la diferencia de polaridades de las sus-tancias que tiene como efecto la aparicin de distintas bandas de colores para cada componente. Las modalidades pueden ser: capa fina, lquidos de alta resolucin, de gases, en papel, entre otras.

Figura 20. Separacin de una mezcla inmiscible por decantacin. Figura 21. Separacin de una mezcla por cristalizacin.

En la wEbPara profundizar ms tu estudio acerca de este tema, te recomendamos visitar el siguiente sitio: http://www.ucm.es/info/diciex/programas/quimica/pelis/croma.swf

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Actividad de desarrolloEn equipos de tres o cuatro personas, propongan cmo separar las siguientes mez-clas. Planteen las soluciones en diagramas de bloques y disctanlas frente al grupo.a. Agua con sal de mesa.b. Agua y arena.c. Yodo y arena.d. Agua y aceite.e. Agua y alcohol.f. Sangre.g. cido benzoico y cloroformo.h. Yodo y agua.i. Arena, hierro y agua salada.j. Componentes de una tinta.

soluciones, coloides y suspensionesAhora que sabemos qu son los sistemas dispersos, podemos clasificarlos segn el ta-mao de partcula de la fase dispersa en soluciones, coloides y suspensiones (figura 24).

Figura 22. centrfuga usada en laboratorio para separacin de mezclas heterogneas.

Figura 24. Sistemas dispersos.

Figura 23. tcnica de cromatografa para separar sustancias simples de complejas.

Muestra aplicada

Protenas separadas

Matriz

Tapn poroso

Solvente

Solvente

Suspensin Partculas 10 000 veces mayores al tamao molecular. Las partculas son visibles al ojo humano. Ejemplos: medicinas, agua + arena.

Solucin Partculas de tamao molecular. Las partculas no son visi-bles al ojo humano; tampoco con ayuda del microscopio electrnico. Ejemplo: agua salada.

Coloide Partculas de tamao mo-lecular y hasta 10 000 veces el tamao molecular. Las partculas son apenas perceptibles por el ojo hu-mano y visibles a travs del microscopio electrnico. Ejemplos: gel para el cabello, gelatina.

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solucionesSon una mezcla homognea, ya que pueden contener dos o ms sustancias y mostrar una sola fase que puede ser lquida, slida o gaseosa. En este caso, a la fase dispersa se le denomina soluto, mientras que a la fase dispersora se le llama solvente. A su vez, las so-luciones, denominadas tambin disoluciones, se pueden clasificar segn la concentracin del soluto en empricas o valoradas. Las empricas son del tipo cualitativo; las valoradas incluyen un valor numrico y son del tipo cuantitativo.

Aunque las disoluciones no son exclusivamente lquidas, para efectos prcticos considera-remos las disoluciones acuosas, es decir, cuyo disolvente es agua (figura 25).

concentracin de las soluciones: empricas y valoradasLas soluciones empricas se clasifican en funcin de la cantidad de soluto presente sin es-pecificar una cantidad numrica que denote la cantidad de partculas dispersas en el sistema (soluto). Podemos encontrar, entonces, soluciones diluidas y soluciones concentradas.

Solucin diluida. Estamos hablando de una disolucin que tiene una cantidad muy pe-quea de soluto dentro de una gran cantidad de solvente. Una cucharada de caf en una taza de agua se puede considerar una solucin diluida. Solucin concentrada. Es aquella que tiene una cantidad mayor de soluto que de so-lucin diluida. Al disolver 15 cucharadas de caf en una taza de agua obtenemos una solucin concentrada de caf. Podra suceder que si continuamos agregando caf al agua, llegue un momento en el que ya no le sea posible disolverse, a menos que modifi-quemos presin y temperatura; cuando eso sucede, la solucin pasa de ser concentrada a saturada. Fsicamente se observa una mnima cantidad de soluto sin disolver. Si con-tinuramos agregando caf, veramos cmo aumenta la cantidad de este sin disolver en la disolucin y en ese momento ya estaramos hablando de una solucin sobresaturada. Las soluciones valoradas permiten saber numricamente la cantidad de soluto presente en una cantidad conocida de solvente. Para expresar la concentracin, existen varias for-mas: molaridad, normalidad, formalidad, molalidad, fraccin molar, porcentaje en masa, porcentaje en volumen, partes por milln. En este curso, revisaremos solo las ms impor-tantes: porcentajes en masa y volumen, molaridad, normalidad, peso equivalente y partes por milln.

Porcentaje masa/masa (%m/m). Sirve para expresar la relacin porcentual entre el soluto y la masa total de la solucin. La expresin para su clculo es:

soluto% m/m

masa masamasa

100solutosolvente

soluto#=

+

Figura 25. Disoluciones de diferentes compuestos. apariencia de una sola fase.

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ejemplo 31Calcula el porcentaje en masa de una disolucin que contiene 15 g de caf en 250 g de agua.

Solucin

g% m/m

15 250

15100 5.66%soluto

g

g#=

+=

La concentracin de la solucin es

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