QC07 - Estequiometría

7/26/2019 QC07 - Estequiometra

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QUMICA COMNQC-07

2015

ES T E Q U I O M E T R A


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MATERIA, ENERGA Y ORGANIZACIN

La qumica se puede considerar como el estudio de la materia y de los cambios que la mismaexperimenta. Ya que el universo fsico se compone exclusivamente de materia y energa, el campo

de la qumica abarca desde los tomos hasta las estrellas y desde la rocas inertes hasta losorganismos vivos.

La materia y la energa son conceptos tan fundamentales que no es fcil definirlos. Materiaescualquier cosa que ocupa espacio y tiene masa. Energase ha definido como la capacidad parahacer o ejercer un trabajo.

Los cambios fsicos y qumicos que experimenta la materia van siempre acompaados detransferencia de energa. Desde este punto de vista la energa se puede considerar como lacapacidad de alterar la materia fsica o qumicamente. Se necesita energa para hacer queocurra algo que no sucede por s mismo. La capacidad para modificar la materia es la base delcambio en el mundo material.

CONCEPTOS FUNDAMENTALES

PESO O MASA?

La masa de un objeto se refiere a la cantidad de materia que posee. Es invariable, no cambia conla ubicacin o lugar fsico donde se determine.

Por otra parte el peso mide una fuerza. En la Tierra el peso mide la fuerza de atraccin entrenuestro planeta y el cuerpo en cuestin. Por lo tanto es correcto aceptar que la magnitud del pesoes variable y depende entre otras cosas del lugar fsico donde se determine o calcule.

CAMBIOS FSICOS Y CAMBIOS QUMICOS

Cualquiera sea la sustancia siempre presenta dos tipos de ordenamientos, uno es ntimo y estreferido a una composicin microscpica de los elementos o molculas y el otro es a nivel macro yse presenta cuando muchos tomos o molculas del mismo tipo se encuentran juntas.

Los cambios qumicos que experimenta la materia inevitablemente afectan su estructura. Cuandouna transformacin es qumica ocurre un cambio en la naturaleza de la sustancia, es decir hayuna modificacin profunda que implica transformaciones en la composicin de las molculas yasea porque se rompen o forman nuevas sustancias o porque los elementos que se encontrabansolos se asocian generando otras especies. Algunos ejemplos de este tipo de cambio son lasreacciones de combustin, las interacciones entre un cido y una base, las combustiones, las

reacciones de descomposicin y las reacciones de transferencia electrnica.


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Si la transformacin no afecta la composicin de la sustancia, sino que slo implica unreordenamiento a nivel macroscpico (relacionado con los tomos o molculas participantes), sedice que es un cambio fsico, pues no hay formacin de nuevas especies.

Es importante mencionar que la totalidad de las transformaciones fsicas son reversibles, valedecir, el estado final de la sustancia puede revertirse, mientras que solo algunas de las

transformaciones qumicas son reversibles.

Todos los cambios de estado van acompaados por gasto o ganancia de energa.La fusin, la vaporizacin (evaporacin y ebullicin) y la sublimacin ocurrencon absorcin de energa, mientras que la solidificacin, la congelacin (en elcaso del agua), la condensacin, la licuacin y la sublimacin inversa ocurrencon liberacin de energa.

ORGANIZACIN DE LA MATERIA

Sustancia: Es una forma de materia que tiene propiedades distintivas y ademscomposicin constante y definida. Las sustancias puras pueden serelementoso compuestos.

Elementos: Son las sustancias fundamentales a partir de las cuales se construyerontodas las cosas materiales y es un tipo de sustancia que no se puede separarpor medios qumicos.

Compuestos: Son sustancias puras constituidas por dos o ms elementos combinadosqumicamente en proporciones constantes y definidas.

Mezcla: Es una combinacin de dos o ms sustancias en la cual stas mantienen suidentidad. Es homogneacuando los componentes no se pueden distinguirpor medios visuales y es heterogneacuando son fcilmente distinguiblessus componentes.


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Resumen:

ALOTROPA

Los elementos puros pueden presentarse en la naturaleza de diversas formas, si estas formasestn en el mismo estado fsico se habla de alotropa. El oxgeno es un ejemplo claro dealotropa, pues se encuentra en estado natural como O2 (oxgeno molecular) y O3 (ozono), enambos casos en fase gaseosa. El carbono tambin presenta estructuras alotrpicas, se conoce elcarbono grafito, el carbono diamante (la estructura ms dura de la naturaleza), el fulereno (unslido molecular con estructura esfrica) y el grafeno (estructura infinita de monocapas decarbono).

CARBONO GRAFITO CARBONO DIAMANTE FULERENO

Separacinpor mtodos

fsicos

Separacin pormtodosqumicos


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LEYES DE LA ESTEQUIOMETRA

RESUMEN DE CONCEPTOS:

Conservacin de la Masa (ley de Lavoisier)

Lavoisier realiz sus experimentos; convencido, de que un cambio material, fsico o qumico, noproduca la creacin o destruccin de la materia, sino tan slo su reordenamiento. Lascomprobaciones modernas de esta hiptesis revelaron que al margen del error experimental, no

hay un aumento o prdida de masa durante un cambio qumico ordinario. La ley de conservacinde la masa es universal y transversal para cualquier sistema reactivo abierto o cerrado.

Ley de las proporciones definidas o ley de Proust

Lavoisier, Proust y Richter determinaron mediante un anlisis cuidadoso que en un cambioqumico no slo hay conservacin de masa, sino que las cantidades de los elementos permanecenintactas. Adems encontraron que en cada compuesto estudiado la proporcin en peso de loselementos presentes era siempre la misma. As el por ejemplo el carbonato de calcio puro (caliza)contiene siempre 40% de calcio, 12% de carbono y 48% de oxgeno.

CONCEPTO DE MOL

Moles la unidad en el sistema internacional para expresar una cantidad fija de sustancia. Un molcontiene un nmero de entidades elementales (tomos, molculas, iones, electrones, partculasalfa, etc.) igual al nmero de tomos contenidos en 12 g de carbono-12 (es el istopo ms estableconocido). Este nmero fijo se conoce como el nmero de Avogadro. Su valor, obtenidoexperimentalmente es de 6,0231023.


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ALGUNAS DEFINICIONES:

Comnmente en qumica no se utilizan cantidades de masa pequeas (de orden atmico omolecular) ya que pueden expresarse en unidades u.m.a. En general, para hacer clculos, seopera con unidades de gramo o Kilogramo, por lo tanto, es til y necesario introducir algunasdefiniciones:

Masa molecular: Corresponde a la masa de 1 molcula y se mide en unidades u.m.a(importante: 1 u.m.a = 1,6610-24gramos).

Masa atmica: Masa de 1 tomo (en las mismas unidades de la masa molecular).

Masa molar: Corresponde a la masa de 1 mol de tomos o molculas (6,021023partculas).

Volumen Molar: Es el volumen ocupado por un mol de cualquier gas en condiciones normalesde presin y temperatura (1 atm y 0C); el valor observado es de 22,4 litros.

Ejercicio

Calcule para los siguientes gases los datos de la tabla, considere condiciones normales de T ypresin.

N de Moles demolculas

N demolculas

N de Moles detomos

N de tomos

11,2 L de CF4

44,8 L de CO89,6 L de NO2

LA FRMULA QUMICA

La frmula qumica de un compuesto, indica la relacin de los tomos que se combinan o de losmoles de tomos combinados.

Considere la siguiente frmula para un compuesto oxigenado:


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FRMULA EMPRICA Y FRMULA MOLECULAR

Por ejemplo:

COMPUESTO F. Molecular F. EmpricaButeno C4H8 CH2cido actico CH3COOH CH2OGlucosa C6H12O6 CH2Ocido sulfrico H2SO4 H2SO4

ESTEQUIOMETRA

Ecuaciones Qumicas

Una ecuacin qumicaes una representacin simblica de una reaccin. En ella se muestran lassustancias que reaccionan (reactivos o reactantes) y las sustancias obtenidas (productos).

Un ejemplo:

N2(g) + 3 H2(g) 2 NH3(g)

H2CO3

1 molcula

2 tomos de Hidrgeno

1 tomo de Carbono

3 tomos de Oxgeno

1 mol demolculas

2 moles de tomos de Hidrgeno

1 mol de tomos de Carbono

3 moles de tomos de Oxgeno


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En esta representacin se indican adems las relaciones matemticas entre las sustanciasreaccionantes. Estas relaciones se expresan en trminos de moles, sustancias elementales ounidades de masa.

De este modo:

N2(g) + 3 H2(g) 2 NH3(g)

Cada reaccin qumica debe balancearse con el objeto de mantener constante el nmero detomos en los reactantes y productos (ley de conservacin). Los nmeros que acompaan a lassustancias en la reaccin se denominan coeficientes estequiomtricosy expresan la relacinentre reactivos y productos.

Ejemplo:

Ecuacin de formacin de metano:

H2 + C CH4

Del anlisis queda claro que la ecuacin est desbalanceada pues no coinciden las cantidadeshidrgeno. Al balancear la ecuacin queda

2 H2 + C CH4

Lo anterior se puede leer como:

2 moles de H2reaccionan con 1 mol de C generando 1 mol de CH4.

2 molculas de H2reaccionan con 1 tomo de C generando 1 molcula de CH4.

4 gramos de hidrgeno reaccionan 12 gramos de carbono generando 16 gramos de

metano.

Las relaciones que se llevan a cabo en las reacciones qumicas se denominan clculosestequiomtricos (medicin de cantidades), stos se basan principalmente en la proporcionalidadentre reactivos y productos dada por los coeficientes estequiomtricos y permiten predecir lascantidades exactas de productos obtenidos o de reactivos necesarios.

Los clculos se hacen segn el siguiente esquema

1molcula de nitrgeno + 3molculas de hidrgeno 2molculas de amoniaco

1mol de nitrgeno + 3moles de hidrgeno 2moles de amoniaco

28gramos de nitrgeno + 6gramos de hidrgeno 34gramos de amoniaco


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Detalle de las relaciones anteriores:

Relacin entre moles

Los coeficientes estequiomtricos representan la relacin proporcional directa entre moles de lasdiferentes sustancias.

Considere la siguiente reaccin:

2 H2 + C CH42 moles 1 mol 1 mol

Si queremos que reaccionen 1,5 moles de hidrgeno, Cunto de carbono se requiere?

Dado que la relacin H2:C es 2:1, por cada H2necesitaremos la mitad de C, o sea 0,75mol de C.

Cunto metano se forma?

La relacin H2: CH4tambin es 2:1, as que el resultado es el mismo de antes 0,75 mol de CH4.

Relacin entre tomos y molculas

Aqu se requiere que los coeficientes estequiomtricos sean nmeros enteros (en ningn casodecimales); resulta obvio entender que no existe la posibilidad de obtener exactamente la mitadde una molcula ni tampoco la mitad de un tomo.

Reaccin de formacin de agua:

H2 + O2 H2O

Una vez balanceada se infiere que

2 H2 + O2 2H2O2 molculas 1 molcula 2 molculas

Moles deReactivos

Gramos deReactivos

Moles deProductos

Gramos deProductos

Mol = masa/masa molar Masa = molmasa molar

Coeficientes

Estequiomtricos

Volumen deReactivos

Volumen deProductos

1 mol = 22,4 L (a 0C , 1 atm.) 1 mol = 22,4 L (a 0C , 1 atm.)


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Relacin entre volmenes

Slo vlida para sustancias en estado gaseoso.

En condiciones normales de temperatura y presin (1 atm y 0 C), un mol de cualquier gaspresenta un volumen de 22,4 litros (ley de Avogadro).

Es importante recordar que si dos o ms gases se encuentran en las mismas condiciones depresin y temperatura, sus respectivos volmenes son proporcionales a la cantidad de partculasque presentan. As, por ejemplo:

Importante: Note que los volmenes, al igual que los moles no son aditivos.

Considerando la ecuacin de formacin del agua, esta vez todos sus componentes en estadogaseoso y en condiciones normales de presin y temperatura (CNPT).

2 H2(g) + O2(g) 2H2O(g)

Los coeficientes estequiomtricos, de la ecuacin correctamente balanceada indican la relacinentre moles, por lo tanto:

2H2 O2 2H2O2 mol 1 mol 2 mol

2H2 O2 2H2O44,8 L 22,4 L 44,8 L

HCl 0,8 atm. 400 K 40 LitrosXcantidad

demolculas

C4H10 0,8 atm. 400 K 80 Litros2X cantidad

de

molculas


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Relacin entre masas

Considerando el ejemplo de la reaccin de formacin de agua:

2 H2(g) + O2(g) 2H2O(g)

Primero deben calcularse las masas molares de cada uno de los componentes. Estas, se obtienende las masas atmicas, directamente de la tabla peridica.

Masas atmicasH = 1

O = 16

Como el hidrgeno es molecular su masa molar es de 2 g/mol y la masa molar del oxgeno es 32g/mol. Estas son las masas de 1 mol de cada componente, sin embargo los coeficientesestequiomtricos, indican cantidades molares distintas, por lo tanto, se infiere que:

Reemplazando los moles por la masa molar

Multiplicando

Se forman 36 gramos de compuesto

Observar que se cumple el principio de conservacin de la materia, enunciado por Lavoisier (lasuma de la masa de los reactantes es igual a la suma de la masa de los productos).

2H2 O2 2H2O2 moles 1 mol 2 moles

22g 132g 218g4g 32g 36g


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TEST DE EVALUACIN

1. La siguiente transformacin fsica corresponde a una

H2O(l) H2O(s)

A) licuacin.B) evaporacin.C) condensacin.D) congelacin.E) sublimacin.

2. Cul de los siguientes cambios presentados se considera qumico?

A) Sublimacin de yodoB) Oxidacin de un clavoC) Condensacin de vapor de aguaD) Fusin de la sacarosaE) Evaporacin de la acetona

3. Agua potable, Cloruro de sodio y Ozono son respectivamente ejemplos de

A) mezcla compuesto elemento.B) elemento mezcla compuesto.C) mezcla elemento compuesto.D) sustancia mezcla elemento.E) mezcla elemento aleacin.

4. La nica mezcla homgeneaen las alternativas es

A) aire limpio.B) agua negra.C) aceite-agua.D) etanol-benceno.E) agua oxigenada.

5. Carbono, grafito y diamante son ejemplos de

A) compuestos.B) materiales.C) altropos.D) istopos.E) tomos.


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6. 1 mol de carbonato de calcio (CaCO3) a cuntos moles de hidrxido de sodio (NaOH)corresponden?

A) 3,0B) 5,0

C) 2,5D) 1,5E) 0,5

7. Qu porcentaje de masa de carbono est presente en 1 mol de alcohol isoproplico (C3H8O)?

A) 12%B) 36%C) 60%D) 75%E) 90%

8. En la siguiente reaccin NO balanceada y en fase gaseosa

NO + O2 NO2

Si los reactivos se encuentran en las mismas condiciones de temperatura y presin, cuntoproducto se forma a partir de la reaccin de 4 litros de NO y 2 litros de O2?

A) 0,5 litrosB) 1,0 litrosC) 2,0 litrosD) 4,0 litrosE) 22,4 litros

9. En la siguiente reaccin de formacin (NO balanceada)

Al + Cl2 AlCl3

Para obtener 1 mol deAlCl3, se necesitan

Al Cl2A) 2,0 moles 3,0 moles.B) 1,0 mol 1,5 moles.C) 3,0 moles 2,0 moles.D) 1,5 moles 1,5 moles.E) 1,0 mol 2,0 moles.

10. En cul de las siguientes alternativas hay mayor nmero de tomos de hidrgeno?

A) 1 mol de H2B) 1 mol de NH3C) 1 mol de CH4D) 1 mol de H2SO4E) 1 mol de C6H6


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11. En la siguiente reaccin los coeficientes b, cy dtienen respectivamente valores:

4 NH3 + b O2 c NO + d H2O

b c dA) 3 2 3

B) 3 1 3C) 5 4 6D) 5 2 3E) 4 3 6

12. En 4 moles de amonaco NH3, cuntos gramos de nitrgeno hay contenidos?

A) 14B) 17C) 28D) 56E) 68

13. En la siguiente reaccin

NaNO3(s) NaNO2(s) + O2(g)

Si se descomponen 255 gramos de NaNO3, cuntos moles de gas O2debieran liberarse?

A) 0,25B) 0,40C) 0,80D) 1,00

E) 1,50

14. En medio molde molculas de agua:

El nmero de moles de tomos de hidrgeno es

El nmero de moles de tomos de oxgeno es

Las respuestas correctas tendrs que ser respectivamente

A) 0,5 - 0,5B) 1,0 - 0,5C) 1,5 - 1,0D) 2,0 - 1,5E) 3,0 - 2,0


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15. 5 moles de gas metano, en CNPT, ocupan un volumen en litros igual a

A) 22,4B) 44,8C) 67,2D) 96,0

E) 112

16. 400 gramos de CaCO3 corresponden exactamente a............... de molculas. En la lneapunteada debe escribirse

A) 1 mol.B) 2 moles.C) 4 moles.D) 5 moles.E) 8 moles.

17. Si SO2y O2reaccionan completamente formando 80 gramos de SO3, por lo tanto el nmerode moles de cada reaccionante tiene que ser

SO2 + O2 SO3 (NO balanceada)

SO2 O2A) 0,05 moles 0,01 molesB) 0,5 moles 1,0 molC) 1,0 mol 0,5 molesD) 1,5 moles 1,5 molesE) 3,0 moles 2,0 moles

18. En 1 mol de tomos de Xsiempre habr(n)

I) 6,021023partculas.II) 22,4 litros en volumen.III) 1 mol de molculas.

De las anteriores es (son) correcta(s)

A) solo I.B) solo II.C) solo III.D) solo I y III.

E) I, II y III.


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19. La masa de 2 moles de HF (fluoruro de hidrgeno) es igual a la masa de

I) 1 mol de NaOH.II) 2,5 moles de CH4.III) 0,5 moles de gas SO3.

A) Solo I.B) Solo II.C) Solo III.D) Solo I y III.E) I, II y III.

20. En la siguiente transformacin se cumple que hay

X(l) X(g)

I) absorcin de energa.II) aumento en la masa.

III) cambio en el volumen.

A) Solo I.B) Solo II.C) Solo III.D) Solo I y III.E) I, II y III.

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