Tema1
Tema1 .- La naturaleza de la materia. Tienes que formular todos
los compuestos que aparecen en los ejercicios.
Puedes utilizar la tabla peridica del libro para obtener las
masas.
La conservacin de la masa
Toda reaccin qumica establece una relacin cualitativa entre
reactivos y productos, pues expresa la naturaleza de stos en funcin
de la de aqullos. Pero, adems, fija las proporciones o cantidades
medibles en las que unos y otros intervienen. El fundamento de esta
relacin cuantitativa entre las diferentes sustancias que participan
en una reaccin dada fue establecido en la ltima mitad del siglo
XVIII por el qumico francs Antoine Laurent Lavoisier (1743-1794).
La aplicacin de la balanza y de la medida de masas al estudio de
multitud de reacciones qumicas le permiti descubrir que en
cualquier proceso qumico la suma de las masas de las sustancias que
intervienen (reactivos) es idntica a la de las sustancias que se
originan como consecuencia de la reaccin (productos). Es decir, en
toda reaccin qumica la masa no se crea ni se destruye, slo cambia
de unas sustancias a otras.
La teora atmica dio una sencilla interpretacin a esta ley de
conservacin. Si los tomos no son alterados esencialmente en las
reacciones qumicas, sino nicamente las molculas, el nmero de tomos
de cada elemento que constituye los reactivos ha de coincidir
exactamente con el correspondiente de los productos, por lo que la
masa total en juego se mantendr constante en la reaccin. La ley de
conservacin de la masa de Lavoisier constituy una pieza fundamental
en el desarrollo y consolidacin de la qumica como ciencia.
Las proporciones en masa en las combinaciones qumicas
El estudio de las cantidades en las que diferentes sustancias
participan en una reaccin qumica fue objeto de la atencin de los
primeros qumicos. Junto con Lavoisier, Proust (1754-1826), Dalton
(1766-1844) y Richter (1824-1898) enunciaron diferentes leyes que
en conjunto se conocen como leyes ponderales o relativas al peso.
La utilizacin del concepto de peso en qumica sera sustituida ms
adelante por el de masa, de modo que las leyes ponderales hacen
referencia a las proporciones en masa caractersticas de las
combinaciones qumicas. Dichas leyes fueron enunciadas en su mayora,
antes de que se dispusiese de un modelo atmico sobre la constitucin
de la materia y contribuyeron notablemente a la formulacin por
Dalton de dicho modelo.
La ley de Proust o de las proporciones definidas o constantes:
Cuando dos o ms elementos se combinan para formar un compuesto lo
hacen en una relacin ponderal (o de masas) fija y definida.
Esta ley indica que la composicin de una combinacin es siempre
la misma y que, por lo tanto, el porcentaje o proporcin en la que
intervienen los diferentes elementos es constante y caracterstica
de la sustancia compuesta considerada. As en el amonaco (NH3) la
proporcin en masa nitrgeno/hidrgeno es de 4,67:1 cualquiera que sea
la muestra que se considere.
La ley de Dalton o de las proporciones mltiples: Cuando dos
elementos se unen para formar ms de un compuesto, las cantidades de
un mismo elemento que se combinan con una cantidad fija del otro,
guardan entre s una relacin que corresponde a nmeros enteros
sencillos.
Para ilustrar el significado de esta ley puede considerarse el
caso de los xidos de carbono; distintas experiencias de sntesis
indican que es posible conseguir dos combinaciones diferentes de
carbono y oxgeno. En una de ellas las masas de oxgeno y carbono que
se combinan estn en una relacin de 4 a 3, es decir,
O/C = 4/3; se trata del monxido de carbono (CO). En la otra,
dicha relacin es de 8 a 3, O/C = 8/3; se trata en este caso del
dixido de carbono (CO2). Ambos cocientes representan la cantidad de
oxgeno que se combina por unidad de masa de carbono para formar los
xidos. De acuerdo con la ley, tales cantidades guardan entre s una
relacin entera sencilla: 8/3 4/3 = 2.
La ley de Richter o de las proporciones recprocas: Las masas de
dos elementos diferentes que se combinan con una misma cantidad de
un tercer elemento, guardan la misma relacin que las masas de
aquellos elementos cuando se combinan entre s.
Considerando los compuestos Cl2O y H2O las cantidades de cloro e
hidrgeno que se combinan con 16,0 g de oxgeno son 72,0 y 2,0 g
respectivamente. Lo que indica la ley de Richter es que cuando Cl y
H se combinan para formar HCI lo hacen en la proporcin de
72,0/2.
Las leyes ponderales pueden interpretarse de una forma sencilla
recurriendo a las frmulas qumicas, al concepto de masa atmica y al
modelo atmico de Dalton :
1-.La materia est formada por partculas muy pequeas llamadas
tomos, que son indivisibles y no se pueden destruir.
2-.Los tomos de un mismo elemento son iguales entre s, tienen su
propio peso y cualidades propias. Los tomos de los diferentes
elementos tienen pesos diferentes.
3.-Los tomos permanecen sin divisin, an cuando se combinen en
las reacciones qumicas.
4.-Los tomos, al combinarse para formar compuestos guardan
relaciones simples.
5.- Los tomos de elementos diferentes se pueden combinar en
proporciones distintas y formar mas de un compuesto.
6.-Los compuestos qumicos se forman al unirse tomos de dos o ms
elementos distintos.
As la ley de Proust es consecuencia de que la composicin en
cuanto al tipo de tomos y a su nmero en una frmula dada sea siempre
la misma. La ley de Dalton refleja la existencia de las diferentes
valencias qumicas de un elemento que se traducen en subndices
definidos en las frmulas de sus combinaciones con otro elemento
dado. La ley de Richter puede considerarse como una consecuencia de
la de Proust y de las propiedades aritmticas de las
proporciones
Las proporciones en volumen en las combinaciones qumicas
La importancia de la medida en el desarrollo de la qumica alcanz
tambin a los volmenes de las sustancias gaseosas en las reacciones
qumicas. El qumico francs Gay-Lussac estudi con detalle algunas
reacciones qumicas entre gases tales como la sntesis del vapor de
agua y del amonaco a partir de sus elementos correspondientes. En
todos los casos las proporciones de los volmenes de las sustancias
guardaban una cierta regularidad que la expres en forma de ley.
La ley de Gay-Lussac de los volmenes de combinacin: En cualquier
reaccin qumica, los volmenes de las sustancias gaseosas que
intervienen en ella, medidos en las mismas condiciones de presin y
temperatura, guardan entre s una relacin que corresponde a nmeros
enteros sencillos.
As, dos volmenes de hidrgeno se combinan con uno de oxgeno para
dar uno de vapor de agua. Un volumen de cloro se combina con otro
de hidrgeno para dar dos de cloruro de hidrgeno. Un volumen de
nitrgeno se combina con tres de hidrgeno para dar dos de
amonaco.
Los experimentos de Gay-Lussac indicaban que el volumen de la
combinacin gaseosa resultante era igual o menor que la suma de los
volmenes de las sustancias gaseosas reaccionantes; por lo tanto,
los volmenes de combinacin no podan, en general, sumarse. La ley de
Gay-Lussac enunciada en 1808 se limitaba a describir los resultados
de los experimentos de un modo resumido, pero no los explicaba. La
explicacin a dicha ley sera efectuada tres aos ms tarde por el
fsico italiano Amadeo Avogadro (1776-1856).
La ley de Avogadro: En las mismas condiciones de presin y
temperatura, volmenes iguales de gases diferentes contienen igual
nmero de molculas.
Avogadro era conocedor del trabajo de Gay-Lussac y
particularmente de su descubrimiento de que el volumen de un gas
aumenta con la temperatura en una proporcin que es la misma para
todos los gases (1. ley de Gay-Lussac). Este resultado le sugiri
que, si la composicin de la molcula de la sustancia gaseosa no
influa en la relacin entre volumen y temperatura, dicha relacin
debera depender del nmero de molculas existente; es decir, a
igualdad de presin y temperatura el volumen de un gas debera ser
proporcional al nmero de molculas contenidas en l. Adems, Avogadro
especific que las molculas de los elementos gaseosos deban ser
diatmicas (H2, O2, Cl2, etc.). Esta idea entraba en conflicto con
la sostenida errneamente por Dalton, pero junto con la anterior,
explicaba la ley de los volmenes de combinacin. De acuerdo con ella
los resultados de las experiencias de Gay-Lussac representados por
medio de ecuaciones qumicas toman la forma:
2.H2 (g) + O2(g) 2.H2O(g) 2.vol + 1.vol 2.vol
N2 + 3.H2 2.NH3 1.vol + 3.vol 2.vol
Cl2+ H2 2.HCI 1.vol + 1.vol 2.vol
y muestran por qu las proporciones en volumen corresponden a
nmeros sencillos.
Cantidad de sustancia.-
Unidad de masa atmica (u ) es la doceava parte de la masa del
istopo C12 ( 1,6.10 -27kg )Masa molecular es la suma de las masas
atmicas de los tomos presentes en la frmula del compuesto.
Mol
El mol o molcula gramo es la unidad bsica del Sistema
Internacional de Unidades que mide la cantidad de sustancia; se
representa con el smbolo mol. Es la cantidad de sustancia de un
sistema que contiene la misma cantidad de partculas que tomos hay
en 0,012 kg de carbono 12 que son 6,022.1023 ( N de Avogadro). Debe
especificarse el tipo de partculas al que se refiere, ejemplos
usuales son: tomos, molculas, iones, electrones
La masa de un mol ( expresada en g/mol) coincide con el valor
numrico de la masa atmica , masa molecular.jemplos:
En un mol de tomos de Ca hay 6,022.1023 tomos y su masa es 40g.
es decir la proporcin se establece de la siguiente forma:
En 1 mol de t. de Ca de masa= 40g hay 6,022.1023 tomos
Utilizando la proporcin anterior si queremos averiguar cuntos
tomos hay en 1Kg * de Calcio puro lo nico que tendramos que hacer
es plantear la proporcin siguiente: (* ojo con las unidades 1Kg =
1000g )Si lo que queremos es saber cuantos moles de tomos de Ca hay
en en 150g. plantearamos: de aqu obtenemos una relacin que ser de
mucha utilidad:n de moles =
Si hubisemos trabajado con moles de molculas sera totalmente
anlogo. (Intenta calcular cuntos moles y cuantas molculas de
amonaco hay en 250g de compuesto.
Se llama equivalente qumico de un elemento a la cantidad de este
que se combina, sustituye o reemplaza a un tomo de Hidrgeno.
Para calcular el equivalente qumico de un elemento se divide su
masa atmica por su valencia.Eq.de oxgeno= 16 / 2 = 8 ; de la misma
manera se puede calcular el equivalente de un compuesto: eq. del
cido sulfrico = 98/2 = 49 (justifcalo).
Gases ideales Los gases ideales son gases hipotticos,
idealizados del comportamiento de los gases reales en condiciones
corrientes. As, los gases reales manifiestan un comportamiento muy
parecido al ideal a altas temperaturas y bajas presiones.
Los gases ideales se encuentran en un estado homogneo, tomando
la forma y el volumen del recipiente que lo contenga. Sus molculas
se encuentran muy separadas unas de otras, por tanto el gas se
puede comprimir o expandir con facilidad
La ley de Boyle-Mariotte, formulada por Robert Boyle y Edme
Mariotte, es una de las leyes de los gases ideales que relaciona el
volumen y la presin de una cierta cantidad de gas mantenida a
temperatura constante, y dice que el volumen es inversamente
proporcional a la presin: ,donde k es constante si la temperatura y
la masa del gas permanecen constantes.
Cuando aumenta la presin, el volumen disminuye, mientras que si
la presin disminuye el volumen aumenta. El valor exacto de la
constante k no es necesario conocerlo para poder hacer uso de la
Ley; si consideramos las dos situaciones de la figura, manteniendo
constante la cantidad de gas y la temperatura, deber cumplirse la
relacin:
La ley de Charles y Gay-Lussac afirma que el volumen de un gas a
presin constante es directamente proporcional a la temperatura
absoluta. si tenemos en cuenta que tambin se verifica: podemos
enunciar entonces que
La combinacin de estas leyes proporciona la ley de los gases
ideales, tambin llamada ecuacin de estado del gas ideal: p.V =
n.R.T donde n es el nmero de moles.Empleando algunas ecuaciones de
la fsica puede demostrarse que un mol de cualquier gas, es decir,
6,022.1023 molculas, medido en condiciones normales de presin y
temperatura (0 C =273K y 1 atm de presin), ocupa un volumen de 22,4
litros. Esta cantidad recibe el nombre de volumen molar y permite
expresar, slo para sustancias gaseosas, una misma cantidad de
sustancia en moles, su volumen correspondiente en litros o su masa
en gramos.
Deduccin de R
Definiendo las condiciones normales de presin y temperatura
(CNPT) como, 1 atmsfera y 273 K, para el volumen que ocupa un mol
de cualquier gas (22,4 L), esta constante se transforma en:
R = 1 atm.22,4 L/273 K.mol = 0,08205 atm.L/K.mol. Y se define R
como la constante de los gases ideales: R = 0,08205 atm.L/K.mol =
8,31 J/mol.KValores de R
8,314472 J/K mol
0,08205746 L atm/K mol
8,2057459 x 10-5 m atm/K mol
8,314472 L kPa/K mol
62,3637 L mmHg/K mol
62,3637 L Torr/K mol
83,14472 L mbar/K mol
1,987 cal/K mol
10,7316 ft psi/R lbmol
Unidades de presin y sus factores de conversin
PascalbarN/mmkp/mkp/cm (=1 at)atmTorr
1 Pa (N/m)=110-510-60.1020.10210-40.98710-50.0075
1 bar (daN/cm) =100.00010.1102001.020.987750
1 N/mm =1061011.0210510.29.877500
1 kp/m =9.819.8110-59.8110-6110-40.96810-40.0736
1 kp/cm (1 at) =981000.9810.09811000010.968736
1 atm (760 Torr) =1013251.0130.1013103301.0331760
1 Torr (mmHg) =1330.001331.3310-413.60.001320.001321
Densidad de un gas
Para calcular su densidad utilizamos la ley de los gases ideales
o perfectos y la definicin de densidad como que
Diagramas de Clapeyron. (diagramas P V)Son representaciones
grficas de la evolucin de un gas expresando la presin en funcin del
volumen, es decir se representa el volumen en el eje de abscisas
OX, y la presin en el de ordenadas OY.
En la fig (a) tenemos la grfica correspondiente a un gas ideal y
en la (b) el diagrama correspondiente a un gas real cuando existe
un cambio de fase,
Presin parcial. Ley de Dalton
La presin parcial de un gas ideal en una mezcla es igual a la
presin que ejercera en caso de ocupar l solo el mismo volumen a la
misma temperatura. Esto sucede porque las molculas de un gas ideal
estn tan alejadas unas de otras que no interactan entre ellas.
Por ejemplo si se colocan tres gases en un recipiente de
determinado volumen, V, se puede considerar que cada uno de los
gases ocupa todo el volumen. Es decir, si el gas est en un
recipiente hermticamente cerrado, las molculas del gas ocuparn todo
el recipiente. Cada uno de los tres gases forman la mezcla tendr el
volumen V. Ahora, si temperatura en el interior del recipiente
tuviera un valor constante, T, cada uno de los gases tendra esta
temperatura.
Si estudiamos cada uno de estos gases en forma separada, la
contribucin a la presin de cada componente es directamente
proporcional al nmero de moles del gas, ya que .El nmero total de
la mezcla de gases ser la suma de los moles de los gases que la
componen, es decir, ==, por otra parte el nmero total de moles de
la mezcla ser igualando (1) y (2) llegamos a:
Como consecuencia de esto, la presin total de una mezcla en
equilibrio es igual a la suma de las presiones parciales de los
gases presentes. Por ejemplo, para la reaccin dada:
N2 + 3H2 2NH3La presin total es igual a la suma de las presiones
parciales individuales de los gases que forman la mezcla:
Donde P es la presin total de la mezcla y Px denota la presin
parcial de x.Gases reales
Si se quiere afinar ms o si se quiere medir el comportamiento de
algn gas que escapa al comportamiento ideal habr que recurrir a las
ecuaciones de los gases reales las cuales son variadas y ms
complicadas cuanto ms precisas.
Los gases reales no se expanden infinitamente, sino que llegara
un momento en el que no ocuparan ms volumen. Esto se debe a que
entre sus tomos/molculas se establecen unas fuerzas bastante
pequeas, debido a los cambios aleatorios de sus cargas
electrostticas, a las que se llama fuerzas de Van der Waals y que
estudiaremos ms adelante.El comportamiento de un gas suele
concordar ms con el comportamiento ideal cuanto ms sencilla sea su
frmula qumica y cuanto menor sea su reactividad, tendencia a formar
enlaces. As, por ejemplo, los gases nobles al ser monoatmicos y
tener muy baja reactividad, sobretodo el helio, tendrn un
comportamiento bastante cercano al ideal. Les seguirn los gases
diatmicos, en particular el ms liviano hidrgeno. Menos ideales sern
los triatmicos como el dixido de carbono, el caso del vapor de agua
aun es peor ya que la molcula al ser polar tiende a establecer
puentes de hidrgeno lo cual aun reduce ms la idealidad. Dentro de
los gases orgnicos el que tendr un comportamiento ms ideal ser el
metano perdiendo idealidad a medida que se engrosa la cadena de
carbono. As el butano es de esperar que tenga un comportamiento ya
bastante alejado de la idealidad. Esto es porque cuanto ms grande
es la partcula fundamental constituyente del gs mayor es la
probabilidad de colisin e interaccin entre ellas factor que hace
disminuir la idealidad. Algunos de estos gases se pueden aproximar
bastante bien mediante las ecuaciones ideales mientras que en otros
casos har falta recurrir a ecuaciones reales muchas veces deducidas
empricamente a partir del ajuste de parmetros.
Tambin se pierde la idealidad en condiciones extremas, altas
presiones o bajas temperaturas. Por otra parte, la concordancia con
la idealidad puede aumentar si trabajamos a bajas presiones o altas
temperaturas.
Composicin centesimal
Se llama frmula emprica de un compuesto a la expresin que indica
los tomos que lo forman y su relacin numrica ms sencilla.Se llama
frmula molecular a la verdadera frmula de un compuesto.
El benceno tiene como frmula molecular C6H6 mientras que su
frmula emprica sera (si tuviese sentido) CH.
Se llama composicin centesimal de un compuesto al porcentaje de
cada elemento en el compuesto.Un ejemplillo. Calcula la composicin
centesimal del cido sulfrico.
1 Recordamos que su frmula que es H2SO4 2 Miramos en la tabla
las masas (u) de: H = 1, O =16, S = 32 M = 1.2 + 32 + 4.16 = 98
;Porcentaje de H =2,05%; de O= y de S=
Ejercicios.-
1.1. Si la masa de un sistema experimenta una variacin de 1 mg,
qu energa, expresada en julios, se intercambia en este proceso? A
cuntas caloras equivalen?
R: 9. 1010J = 2,16 .1010 cal
1.2. Si calentamos al aire un trozo de estao, ste se oxida y
aumenta de peso. Estar esto en contradiccin con la ley de
Lavoisier?
1.3. En el amonaco, el nitrgeno y el hidrgeno se encuentran en
la siguiente relacin: . Hallar la cantidad de amonaco que podr
obtenerse a partir de 2,87 g de hidrgeno.
1.4. La composicin centesimal del bromuro de potasio es 67,14 %
de bromo y 32,86 % de potasio. Si preparamos una reaccin entre
36,60 g de bromo y 25,62 g de potasio, qu cantidad de potasio
quedar sin reaccionar?
1.5. A partir de 0,8755g, 1,3601g y 1,9736g de aluminio se
forman 1,654 g, 2,5699 g y 3,7290 g de xido de aluminio,
respectivamente. Comprobar que se cumple la ley de las proporciones
definidas.
1.6. El estao forma dos cloruros cuyos contenidos en estao son
88,12 % Y 78,76 %. Qu ley ponderal se cumple? Ennciala.
1.7. El manganeso forma tres xidos, en los que los porcentajes
de oxgeno son 22,54%, 30,38% Y 36,78%. Comprobar que se cumple la
ley de las proporciones mltiples.
1.8. Tres xidos de nitrgeno contienen 36,35 %, 53,32 % Y 69,55 %
de oxgeno, respectivamente. Comprobar la ley de las proporciones
mltiples.
1.9. Un xido de cloro contiene 18,41 % de oxgeno,. el xido de
cinc contiene 80,34 % de cinc y el cloruro de cinc contiene 52,03 %
de cloro. Demostrar que constituyen un ejemplo de la ley de las
proporciones recprocas.
1.10. Calcular la composicin centesimal de las siguientes
sustancias: sulfato de sodio, hidrxido de sodio, cloruro de bario,
nitrato de potasio.
1.11. Qu sustancia es ms rica en nitrgeno: el nitrato de sodio o
el nitrato de potasio?
1.12. 150 g. de una muestra de oligisto (xido de hierro III)
tiene un 25% de impurezas. Qu cantidad de hierro existe en ella?
1.13Un compuesto contiene 80 % de carbono y 20 % de hidrgeno. Cul
es su frmula? (C = 12; H = 1).
1.14. Al reducir 16,93 gramos de un xido de cobre se obtienen
13,524 gramos de metal. Cul es la frmula emprica del xido?
1.15. Un compuesto gaseoso est formado por 22,1% de boro y el
resto flor. Cul es su frmula emprica? Una muestra de 0,0866g de ese
gas ocupa en condiciones normales, un volumen de 19,88 ml Cul es su
frmula molecular?1.16. Cuntos gramos de oxgeno hay en 0,30 moles de
nitrato de berilio?1.17. Dnde existe mayor nmero de tomos:
a) en 0,5 moles de SO2?
b) en 14 gramos de nitrgeno?
c) en 67,2 litros de helio (en condiciones normales)?
d) ... en 4 gramos de hidrgeno?1.18. En una botella tenemos un
compuesto puro, en el que existan 1,80 moles de C, 2,89.1024 tomos
de hidrgeno y 9,6 g de oxgeno. Calcula la frmula emprica del
compuesto.1.19. Un compuesto est formado por 16,45% de N, 37,60% de
O y 45,95 de K . Calcula su frmula ms sencilla y nmbrala.
1.20. Si un da que vamos de viaje medimos la presin de las
ruedas del coche antes de arrancar, se observa que es menor que si
se mide despus de recorrer muchos kilmetros. Por qu?
1.21. Dentro de las cubiertas de un coche el aire est a 15 C de
temperatura y 2 atm de presin. Calcular la presin que ejercer ese
aire si la temperatura, debido al rozamiento, sube a 45 C.
1.22. Una masa gaseosa ocupa un volumen de 250 cm3 cuando la
temperatura es de -5 C y la presin 740 mm de Hg. Qu presin ejercer
esa masa gaseosa si, manteniendo constante el volumen, la
temperatura se eleva a 27 C?
1.23. En un recipiente adecuado se recogen 300 cm3 de oxgeno a
27 C y 752 mm de Hg de presin. Qu volumen ocupar este gas en
condiciones normales?
1.24. Qu volumen ocupara el gas del problema anterior si se
encontrase al final a 127 C y 2 atm de presin?
1.25. Qu volumen ocuparn 2 moles de oxgeno que se encuentran
sometidos a una presin de 5 atmsferas y a una temperatura de 27
C?
1.26. A qu temperatura deberemos calentar 2 moles de nitrgeno
contenidos en un recipiente de 40 litros de capacidad para que su
presin sea de 2.105 Pa
1.27. Cul es la densidad del dixido de carbono,a) en condiciones
normales? b) a 80 cm de Hg de presin y 77 C de temperatura?
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