UASF QUIMICA INDUSTRIAL. Reacciones químicas y ecuaciones químicas Mezclas y sustancias puras; compuestos y elementos; moléculas y átomos; iones

UASF QUIMICA INDUSTRIAL

1. ESTEQUIOMETRÍA


CONTENIDOS

Reacciones químicas y ecuaciones químicas Mezclas y sustancias puras; compuestos y elementos; moléculas y

átomos; iones Reacciones químicas; estequiometría; ecuaciones químicas

Ajustes de ecuaciones químicas Reacciones sencillas

Reactivo limitante Rendimiento de las reacciones químicas


REACCIONES QUÍMICAS Y ECUACIONES QUÍMICAS


CLASIFICACIÓN DE LA MATERIA HASTA EL NIVEL ATÓMICOMateria

¿puede separarse por un proceso físico?

Mezcla Sustancia

SÍ NO

¿puede descomponerse por un proceso químico?

NOSÍ

ElementoCompuesto

¿es homogénea?

NOSÍ

Mezcla heterogénea

Disolución

Leche H2O (l)

C6H12O6 (s)

H2 (g)

O2 (g)

C (s)

Disolución de glucosa 0,83 M Sangre

(suspensiones)

[Lectura: Petrucci 1.4]


CLASIFICACIÓN DE LA MATERIA HASTA EL NIVEL ATÓMICO Mezcla (Ej. mezcla gaseosa de O2 y H2)

Formada por sustancias (compuestos o elementos) Se pueden separar por procedimientos físicos Su composición -proporción de las sustancias que la

componen- puede variar Sus propiedades físicas se relacionan con las de las

sustancias que la componen

• Sustancia (Ej. H2O en estado líquido)– Formada por moléculas iguales –en algunos casos por átomos, p.ej. C, Fe, Au-.

• Cada molécula está formada por átomos– Su composición –proporción de los átomos que la componen- es fija

• Determinada por números enteros (fórmula molecular)– Cada sustancia (compuesto o elemento) tiene unas propiedades

físicas únicas• Independientes de las de sus componentes –atomos-.• Útiles para su identificación (análisis).



REACCIONES QUÍMICAS


REACCIONES QUÍMICAS Dos o más moléculas distintas pueden intercambiar algunos de sus

átomos y dar lugar a nuevas moléculas Reacción química

Proceso por el que un conjunto de sustancias -reactivos- se transforma en otro conjunto de sustancias –productos.

Transcurre normalmente con cambios notables de las propiedades físicas cambio de color; formación de precipitado; desprendimiento de gas;

desprendimiento o absorción de calor En caso contrario hay que hacer análisis químico para saber si ha tenido lugar

una reacción química


REACCIONES QUÍMICAS Y ECUACIONES QUÍMICAS

mezcla gaseosa de O2 y H2

H2O en estado líquidochispa

2 2 2H ( ) + O ( ) H O( )g g l1) Reactivos y productos:

2 2 22H ( ) + O ( ) 2H O( )g g l2) Conservación de los átomos:

Cada molécula de O2 reacciona con dos moléculas de H2

coeficientes estequiométricos



ECUACIONES QUÍMICAS: ESTEQUIOMETRÍA2 2 22H ( ) + O ( ) 2H O( )g g l

• Interpretación en términos atómico-moleculares (microscópicos)– Las moléculas de reactivos reaccionan entre sí, en la proporción

indicada por los coeficientes estequiométricos de la izquierda• Intercambian átomos -en uno o en varios pasos- y generan los productos

– La proporción de moléculas de productos generadas a partir de moléculas de reactivos también es la indicada por los coeficientes estequiométricos

– Sólo se indica el resultado global de la reacción• Si la reacción tiene lugar en varios pasos (mecanismo de la reacción),

las moléculas que se generan temporalmente para ser consumidos inmediatamente (intermedios de reacción) no se indican



• Interpretación en términos molares (macroscópicos)

– Un mol de dos sustancias cualesquiera contiene el mismo número de moléculas de cada sustancia –por definición de mol-.

• NA, el número de Avogadro, 6,0221418 x 1023 moléculas/mol• P.ej., 2,016 g de H2 y 32,00 g de O2 tienen el mismo número de

moléculas con cuatro cifras significativas (6,022 x 1023 moléculas)

– Las cantidades macroscópicas de reactivos que reaccionan entre sí guardan la misma proporción que los coeficientes estequiométricos, si se expresan en moles

– Las cantidades macroscópicas de productos que se generan a partir de los reactivos guardan la misma proporción que los coeficientes estequiométricos, si se expresan en moles



• ¿Con cuántos moles de H2 reaccionan 2,40 moles de O2? ¿Cuántos moles de H2O producen?

22 2

2

2molH2,40molO =4,80molH

1molO

22 2

2

2molH O2,40molO =4,80molH O

1molO



• ¿Con cuántos gramos de H2 reaccionan 38,4 gramos de O2? ¿Cuántos gramos de H2O producen? [Masas atómicas: H 1,008; O 16,00]

2 2 22 2

2 2 2

1molO 2molH 2,016gH38,4gO =4,84gH

32,00gO 1molO 1molH

1,20 2,40

2 2 22 2

2 2 2

1molO 2molH O 18,02gH O38,4gO =43,2gH O

32,00gO 1molO 1molH O

[Recomendación: Petrucci ejemplos 4.3-4.5] [Prob. 1.3]


AJUSTES DE ECUACIONES QUÍMICAS


AJUSTES DE ECUACIONES QUÍMICAS SIMPLES4 2 2 2CH + O CO + H O

• Procedimiento de tanteo– Si un elemento aparece en un solo compuesto en cada lado, se ajustan

los coeficientes de dichos compuestos los primeros– Si un reactivo o producto es un elemento libre, se ajusta en último lugar– Los demás coeficientes se van adaptado, por tanteo, al resultado del

primer paso– Pueden usarse coeficientes fraccionarios; al final pueden convertirse

todos en enteros por multiplicación por un factor común


1. C aparece en un solo compuesto en cada lado: 4 2 2 21 CH + O 1 CO + H O2. H aparece en un solo compuesto en cada lado: 4 2 2 21 CH + O CO + 2 H O

3. Como consecuencia de 1+2: 4 2 2 21 CH + O 1 CO + 2 H O

4. O aparece como elemento libre y lo ajustamos el último

4 2 2 2CH +2 O CO + 2 H O


AJUSTES DE ECUACIONES QUÍMICAS SIMPLES

3 4 3 4 2 2H PO + CaO Ca (PO ) + H O

Ejemplo:

2 1P:3 1Ca:

2 3H:

P,Ca,H: 2 313

O: ya está

3 4 3 4 2 22H PO +3 CaO Ca (PO ) + 3 H O


AJUSTES DE ECUACIONES QUÍMICAS SIMPLES

6 12 6 2 2 2C H O + O CO + H O

Ejemplo: Reacción global de combustión metabólica completa de la glucosa

1 6C:1 6H:

C,H: 1 66

O: 1 666

6 12 6 2 2 2C H O +6 O 6 CO +6 H O

[Recomendación: Petrucci ejemplos 4.1,4.2]


AJUSTES DE REACCIONES REDOX

• Reacciones entre especies cargadas: Además del balance de materia hay que tener en cuenta el balance de carga

ESTEQUIOMETRÍA DE LA REACCIÓN QUÍMICA

Ahora estudiaremos la estequiometría, es decir la medición de los elementos).

Las transformaciones que ocurren en una reacción quimica se rigen por la Ley de la conservación de la masa: Los átomos no se crean ni

se destruyen durante una reacción química.Entonces, el mismo conjunto de átomos está presente antes, durante y después de la reacción. Los cambios que ocurren en una reacción química simplemente consisten en una reordenación de los átomos.Por lo tanto una ecuación química ha de tener el mismo número de

átomos de cada elemento a ambos lados de la flecha. Se dice entonces que la ecuación está balanceada.

El "+" se lee como "reacciona con" La flecha significa "produce".

Las fórmulas químicas a la izquierda de la flecha representan las sustancias de partida denominadas reactivos.A la derecha de la flecha están las formulas químicas de las sustancias producidas denominadas productos.Los números al lado de las formulas son los coeficientes (el coeficiente 1 se omite).

Pasos que son necesarios para escribir una reacción ajustada:

1) Se determina cuales son los reactivos y los productos.2) Se escribe una ecuación no ajustada usando las fórmulas de los reactivos y de los productos.3) Se ajusta la reacción determinando los coeficientes que nos dan números iguales de cada tipo de átomo en cada lado de la flecha de reacción, generalmente números enteros.

AJUSTANDO ECUACIONES. ALGUNOS EJEMPLOS:

Cuando hablamos de una ecuación "ajustada", queremos decir que debe

haber el mismo número y tipo de átomos en los reactivos que en los productos.En la siguiente reacción, observar que hay el mismo número de cada tipo de

átomos a cada lado de la reacción.

INFORMACIÓN DERIVADA DE LAS ECUACIONES AJUSTADAS

Cuando se ha ajustado una ecuación, los coeficientes representan el número de cada elemento en los reactivos y en los productos. También representan el número de moléculas y de moles de reactivos y productos.En la siguiente reacción, el carbonilo del metal, Mn(CO)5, sufre una reacción de oxidación. Observar que el número de cada tipo de átomos es el mismo a cada lado de la reacción.En esta reacción, 2 moléculas de Mn(CO)5 reaccionan con 2 moléculas de O2 para dar 2 moléculas de MnO2 y 5 moléculas de CO2. Esos mismos coeficientes también representan el número de moles en la reacción.

PRACTICA

Balancee la siguiente ecuación:

"a" B10H18 + "b" O2 "c" B2O3 + "d" H2O

Balancee la siguiente ecuación:

"a" Mg3N2 + "b" H2O "c" Mg(OH)2 + "d" NH3

Ej) El cloruro de potasio (KCl) se produce a partir de clorato de potasio (KClO3) según la

reacción no balanceada:

KClO3 (s) KCl (s) + O2 (g) Si se descomponen totalmente 5 g de KClO3 calcule:

a) masa de KCl formados. b) masa de O2 formados.

c) número de moles de KClO3 descompuestos.

e) moles de O2 formados

h) moléculas de KCl formadas

i) átomos presentes en el O2 formado

d) número de moles de KCl formados.

La tostación es una reacción utilizada en metalurgia para el tratamiento de los minerales, calentando éstos en presencia

de oxígeno. Calcula en la siguiente reacción de tostación: 2 ZnS + 3 O2 2 ZnO + 2 SO2

La cantidad de ZnO que se obtiene cuando se tuestan 1500 kg de mineral de ZnS de una riqueza en sulfuro (ZnS) del 65%.

Datos: MZn = 65,4 u. ; MS = 32,1 u. ; MO = 16 u.

Cuando se calienta el polvo para hornear libera dióxido de carbono que es el responsable de que se esponje las

galletas, donas y el pan de acuerdo a la siguiente ecuación sin balancear

NaHCO3 ---> Na2CO3 + CO2 + H20

¿ calcula la cantidad de bicarbonato de sodio necesarios para producir 20.5g de dióxido de carbono?

El sodio es un metal reactivo que reacciona en forma instantánea con agua para dar gas hidrógeno y una disolución de hidróxido de

sodio, NaOH ¿Cuántos gramos de sodio metálico se necesitan para obtener 7.81 g de hidrógeno según la siguiente reacción?

Se tratan 4,9 g de ácido sulfúrico con cinc. En la reacción se obtiene sulfato de cinc e hidrógeno.

a) Formula y ajusta la reacción que tiene lugar. b) Calcula la cantidad de hidrógeno desprendido.

¿Qué masa de hidróxido de sodio se requiere para producir 250 g de sulfato de sodio de acuerdo a la reacción no balanceada?

H2SO4 + NaOH Na2SO4 + H2Oa) Cuantas moléculas de agua se habrán formado en la reacción.b) Cuantas moles de acido sulfúrico esta reaccionando.c) Si cada 150 gramos de sulfato cuestan en el mercado $ 12,34 ,

cuanto es el costo de la producción.


REACTIVO LIMITANTE


REACTIVO LIMITANTE2 2 22H ( ) + O ( ) 2H O( )g g l

• En un recipiente cerrado se prepara una mezcla de 2,40 mol de O2 y 4,00 mol de H2. Se hace saltar una chispa y se produce la reacción de formación de H2O indicada más arriba.– ¿Cuántos moles de O2 reaccionan?– ¿Cuántos moles de H2 reaccionan?– ¿Cuántos moles de H2O se forman?

22 2

2

2molH2,40molO =4,80molH

1molO

1) 2,40 mol O2 podrían reaccionar con 4,80 mol H2, pero sólo hay presentes 4,00 mol H2; luego se quedará O2 sobrante sin reaccionar.

22 2

2

1molO4,00molH × =2,00molO

2molH

2) 4,00 mol H2 pueden reaccionar con 2,00 mol O2; como hay presentes 2,40 mol O2, quedaran 0,40 mol O2 sobrantes sin reaccionar.

3) 4,00 mol H2 reaccionan con 2,00 mol O2 y producen 4,00 mol H2O.

4) El resultado de la reacción es que se consume todo el H2, se producen 4,00 mol H2O y quedan presentes sin reaccionar 0,40 mol O2.

El H2 actúa de “reactivo limitante”


REACTIVO LIMITANTELos coeficientes estequiométricos de la ecuación química indican las proporciones de moles de reactivos que pueden reaccionar y las proporciones molares de productos que se formarán.

• Cuando se prepara una mezcla de reactivos de modo que los moles de los mismos guardan la misma proporción que los coeficientes estequiométricos, se dice que es una mezcla estequiométrica, o que los reactivos están en proporciones estequiométricas.– En este caso, todos los reactivos presentes se consumen completamente

en la reacción. Ej. 2,40 mol O2 y 4,80 mol H2

• Normalmente se ponen a reaccionar mezclas no estequiométricas.– En estos casos, el reactivo que está presente en menor proporción

(respecto a la estequiométrica) se consume totalmente en la reacción y determina las cantidades que se consumen de los otros reactivos y las que se forman de productos.

– Se le denomina reactivo limitante. – Del resto de reactivos decimos que están en exceso.

Ej. 2,40 mol O2 y 4,00 mol H2; reactivo limitante:H2



Al quemar una muestra de un hidrocarburo se producen 12.28 g de

CO2 y 5.86 g de agua.

¿Cuántos gramos de muestra se quemaron?

¿Cuál es la composición porcentual de cada elemento en el compuesto?¿Cuál es la fórmula empírica del

compuesto orgánico?

REACTIVO LIMITANTE


Ejemplo: Con el objeto de determinar el valor energético de la glucosa, se realiza un experimento de combustión completa de la misma. Se preparan 2,30 g de glucosa y 2,30 g de oxígeno. ¿Cuánta glucosa y cuánto oxígeno se espera que reaccionen? ¿Cuál es el reactivo limitante? [Masas atómicas: H 1,008; C 12,01; O 16,00]

1) Escribimos y ajustamos la reacción

6 12 6 2 2 2C H O +6 O 6 CO +6 H O2) Calculamos la cantidad (en g) de glucosa que reaccionaría con el oxígeno presente

22

2 2

1molO 1molgluc 180,16ggluc2,30gO =2,15gglucosa

32,00gO 6molO 1molgluc

3) Concluimos:

Reaccionarán 2,15 g glucosa y los 2,30 g O2; el reactivo limitante es el O2


En la reacción, ¿cuántos gramos de HNO3 se pueden formar cuando se permite que reaccionen 1.00 g de NO2 y 2.25 g de H2O?

3NO2 + H2O 2HNO3 + NO


Calcular la cantidad de reactivos (que reaccionan) y el reactivo limitante, si se hacen reaccionar 250 g de sulfato cúprico con 80 g de fierro

CuSO 4 + Fe ----------- FeSO 4 + Cua) Cual es el reactivo limitante.b) Cual es el reactivo en exceso.


En la reacción MnO2 + 4HCl → MnCl2 + Cl2 + 2 H2O

reaccionaron 22 moles de MnO2 con 40 moles de HCl

¿Cuál es el reactivo limite?


Por ejemplo, para la reacción: 2 NH3 + CO2 ------ (NH2)2 CO + H2O Si tengo 637,2 gramos de amoníaco y 1142 gramos de dióxido de carbono, que reaccionarán para formar urea ¿cuál será el reactivo limitante y cuál el reactivo en exceso?


RENDIMIENTO


RENDIMIENTO DE LAS REACCIONES QUÍMICASEn el transcurso real de una reacción química suele haber factores que hacen que se obtenga una cantidad de productos menor que la correspondiente a la estequiometría de la reacción. P.ej., la existencia de otras reacciones secundarias competitivas que generan subproductos.

• Rendimiento teórico (de un producto): es la cantidad de ese producto que se espera obtener, por la estequiometría de la reacción, a partir de unas cantidades dadas de reactivos.– depende de las cantidades de reactivos de que se parta

• Rendimiento real (de un producto): es la cantidad de ese producto que se obtiene realmente a partir de unas cantidades dadas de reactivos.– depende de las cantidades de reactivos de que se parta

• Rendimiento porcentual, o rendimiento (de un producto):

– Es independiente de las cantidades de reactivos de que se parta– Una reacción con rendimiento ~100% se dice que es cuantitativa y se

puede utilizar para realizar análisis químicos cuantitativos [Lectura: Petrucci 4.5]

rendimiento realrendimiento (porcentual)= ×100%

rendimiento teórico


RENDIMIENTO DE LAS REACCIONES QUÍMICASEjemplo: La urea, CO(NH2)2, se sintetiza a escala industrial por reacción entre amoniaco y dióxido de carbono, que da urea y agua. Por conveniencia metodológica, se prepara una mezcla de reactivos con una proporción molar amoniaco/dióxido de carbono de 3:1 y, cuando se utiliza ésta, se producen 47,7 g de urea por mol de dióxido de carbono. Calcula el rendimiento teórico, el real y el rendimiento porcentual de la reacción. [Masas atómicas: H 1,008; C 12,01; N 14,01; O 16,00]

1) Escribimos y ajustamos la reacción

3 2 2 222 NH + CO CO NH + H O

2) Determinamos el reactivo limitante

La proporción estequiométrica NH3/CO2 es 2:1. Si se prepara una mezcla de proporción molar 3:1, hay exceso de NH3 y el reactivo limitante es el CO2, que es quien determina la cantidad de urea que se puede producir.

3) Calculamos el rendimiento teórico como la cantidad de urea que se puede producir a partir de la cantidad de CO2 utilizada

22

1molurea 60,06g urea1molCO =60,06g urea

1molCO 1molurea

Rendimiento teórico (de urea): 60,06 g


RENDIMIENTO DE LAS REACCIONES QUÍMICAS

4) Determinamos el rendimiento real como la cantidad de urea realmente producida a partir de la cantidad de CO2 utilizada

Rendimiento real (de urea): 47,7 g

5) Calculamos el rendimiento porcentual

Rendimiento porcentual (de urea): 79,4%

47,7g urea (producida)100%= 79,4%

60,06g urea (producible)

Ejemplo: La urea, CO(NH2)2, se sintetiza a escala industrial por reacción entre amoniaco y dióxido de carbono, que da urea y agua. Por conveniencia metodológica, se prepara una mezcla de reactivos con una proporción molar amoniaco/dióxido de carbono de 3:1 y, cuando se utiliza ésta, se producen 47,7 g de urea por mol de dióxido de carbono. Calcula el rendimiento teórico, el real y el rendimiento porcentual de la reacción. [Masas atómicas: H 1,008; C 12,01; N 14,01; O 16,00]


El carburo de silicio, SiC, se conoce por el nombre común de carborundum. Esta sustancia dura, que se utiliza comercialmente como abrasivo, se prepara calentando SiO2 y C a temperaturas elevadas:

SiO2(s) + 3C(s) SiC(s) + 2CO(g)¿Cuántos gramos de SiC se pueden formar cuando se permite que reaccionen 3.00 g de SiO2 y 4.50 g de C y cual es el rendimienro de la reaccion?


El cloruro de calcio reacciona con nitrato de plata para producir un precipitado de cloruro de plata: CaCl2 + 2 AgNO3 -------------- AgCl+ Ca(NO3)2

En un experimento se obtienen 1.864 g de precipitado. Si el rendimiento teórico del cloruro de plata es 2.45 g. ¿Cuál es el rendimiento en tanto por ciento?


El metal sodio reacciona con agua para dar hidróxido de sodio e hidrógeno gas:

2 Na(s) + 2 H2O(l) NaOH(aq) + H2(g) Si 10.0 g de sodio reaccionan con 8.75 g de agua: ¿Cuál es el reactivo limitante?


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