3 qmc 100 estequiometría y unidades de concentración

Universidad Mayor Real y Pontificia de San Francisco Xavier de Chuquisaca

Facultad de Ingeniera Civil

Presentado por: Ing. Waldo Medinaceli

Mayo, 2014

QMC 100 Qumica General

ESTEQUIOMETRA Y UNIDADES DE CONCENTRACIN

INTRODUCCIN

Ecuaciones qumicas

Las reacciones qumicas se representan de forma concisa mediante ecuaciones qumicas.

Qumica General Estequiometra

reactivos productos coeficientes

reacciona con produce

INTRODUCCIN

Dado que en ninguna reaccin se crean ni se destruyen tomos, toda ecuacin qumica debe tener nmeros iguales de tomos de cada elemento a cada lado de la flecha. Si se satisface esta condicin, se dice que la ecuacin est balanceada.


Balanceada

No balanceada

INTRODUCCIN

Las reacciones qumicas pueden ser:

Combinacin o sntesis

Cuando se unen dos o ms elementos o compuestos para formar un solo compuesto

+

Las reacciones ms sencillas son las de dos elementos para formar un compuesto

22 + 2 22


INTRODUCCIN

Descomposicin o anlisis

Se presenta cuando a partir de un compuesto se producen dos o ms sustancias.

+

El carbonato de calcio se descompone por calentamiento

2 + 2


calor

INTRODUCCIN

Desplazamiento o sustitucin

En este tipo de reacciones, un elemento libre sustituye y libera a otro elemento presente en un compuesto

+ +

El bromo lquido desplaza al iodo en el ioduro de sodio para producir bromuro de sodio dejando al iodo libre.

2 + 2 2 +2


INTRODUCCIN

De intercambio o doble sustitucin

Al reaccionar, dos compuestos intercambian iones y se producen dos nuevos compuestos

+ +

La reaccin del cloruro de sodio con el nitrato de plata para producir nitrato de sodio y cloruro de plata

+ 3 3 +


INTRODUCCIN

Algunos parmetros para tomar en cuenta en el balanceo de ecuaciones son:

En ninguna reaccin se crean ni se destruyen tomos.

Una vez que conozcamos las frmulas qumicas de los reactivos y de los productos de una reaccin, podremos escribir la ecuacin qumica no balanceada.


INTRODUCCIN

Una ecuacin balanceada deber tener los coeficientes enteros ms bajos posibles.

Al balancear ecuaciones, es importante entender la diferencia entre un coeficiente antepuesto a una frmula y un subndice de una frmula


4 2 4

INTRODUCCIN

Nunca deben modificarse los subndices al balancear una ecuacin.

Existen varios mtodos para balacear una ecuacin.

Mtodo de simple tanteo

Mtodo de oxidacin - reduccin

Mtodo del ion - electrn


SIMPLE TANTEO

Una buena tcnica para emplear este mtodo es equilibrar primero los elementos denominados metales, luego los no metales, dejando para el final el hidrgeno y el oxgeno.

Ejemplo

Como reacciona el nitrgeno con el oxigeno para formar amoniaco.


SIMPLE TANTEO

Identificamos las frmulas moleculares correctamente y su estado fsico:

Nitrgeno N2 (g) Hidrgeno H2 (g) Amoniaco NH3 (g)

Identificamos los reactivos y los productos H2 + N2 NH3


SIMPLE TANTEO

Equilibramos la ecuacin H2 + N2 NH3

Ms ejemplos

Balancear la ecuacin que ocurre al reaccionar el metano que se quema en el aire, para producir dixido de carbono gaseoso y vapor de agua.


2 3

SIMPLE TANTEO

Balancear la ecuacin que ocurre al reaccionar el cido sulfrico con cloruro de sodio para producir cido clorhdrico y sulfato de sodio.

Balancear la ecuacin que ocurre al reaccionar sodio en estado slido con agua liquida para producir hidrxido de sodio e hidrgeno.


SIMPLE TANTEO

Balancear la ecuacin que ocurre al reaccionar hierro (solido) con oxgeno para producir xido de hierro


OXIDACIN-REDUCCIN

Oxidacin es la prdida de electrones, acompaada de un aumento en el nmero de oxidacin de un elemento hacia un valor ms positivo.

Reduccin es la ganancia de electrones, acompaada de una disminucin en el nmero de oxidacin hacia un valor menos positivo.


OXIDACIN-REDUCCIN

Qu es el nmero o estado de oxidacin?

Es la carga aparente con la que un elemento est funcionando en un compuesto.

Un tomo que tiene 6 electrones en su ltimo nivel tiene un nmero de oxidacin igual a 2-.

Un tomo que tiene 2 electrones en su ltimo nivel tiene un nmero de oxidacin igual a 2+.


OXIDACIN-REDUCCIN

La oxidacin y la reduccin son reacciones qumicas.

Estas dos reacciones siempre se dan juntas, es decir, cuando una sustancia se oxida, siempre es por la accin de otra que se reduce.

Estas reacciones se llaman comnmente reacciones redox.


OXIDACIN-REDUCCIN

Agente oxidante es el elemento o compuesto que tiende a captar electrones, y se reduce (quedando con un nmero de oxidacin menor que el que tena)

Los no metales se comportan como oxidantes

El oxgeno es un agente oxidante muy enrgico.


OXIDACIN-REDUCCIN

Agente reductor es el elemento o compuesto que tiende a ceder electrones, y se oxida.

Los elementos electropositivos, metales, son reductores.

Ejemplo

+ 2 + 2


2 0 +1 -1 +2 -1 0

OXIDACIN-REDUCCIN

Reacciones parciales 0 2+ + 2

2+ + 2 20 ()

Zn = agente reductor

H = agente oxidante


OXIDACIN-REDUCCIN

Mtodo de oxidacin-reduccin

Tomando en cuenta que las reacciones redox son de intercambio de electrones, una ecuacin qumica quedar balanceada cuando la cantidad de electrones cedidos por el agente reductor sea igual a los electrones ganados por el agente oxidante.


OXIDACIN-REDUCCIN

Pasos a seguir:

Escribir la ecuacin qumica no balanceada.

Identificar cual elemento se oxida y cual se reduce.

Escribir las ecuaciones de las reacciones parciales.

Establecer los coeficientes mnimos del oxidante y del reductor.


OXIDACIN-REDUCCIN

Trasladar los coeficientes a la ecuacin qumica general.

Equilibrar la ecuacin por el mtodo de tanteo.

Ejemplo

Balancear la siguiente ecuacin por el mtodo de oxidacin-reduccin:

3 + + 2 + 2 +


OXIDACIN-REDUCCIN

Identificar el agente oxidante y reductor

3 + + 2 + 2 +

Reacciones parciales y coeficientes +5 1

21 20

6 + +5+61 1 + 320 + 6


+1 -2 +5 +1 -1 +1 -2 +1 -1 0 +1 -2 +1

OXIDACIN-REDUCCIN

Trasladar los coeficientes y Equilibrar la ecuacin

3 + 6 + 2 + 32 +


OXIDACIN-REDUCCIN

Ms ejemplos


3 + 43 + 3 2 + 2

3 + + 2 24 + 4 + + 2


OXIDACIN-REDUCCIN


227 + 2 + 24

24 + 2 4 3 + + 2

3 + 4 + 24

4 + 4 + 34 + 2

+ 3 3 2 + + + 2


ION - ELECTRN

Mtodo del ion electrn

Los pasos a seguir son los siguientes:

Encontrar la ecuacin en su forma inica.

Escribir la ecuacin de la reaccin parcial de reduccin del oxidante.

Por cada tomo de oxgeno menos en la forma inica reducida, se coloca una molcula de agua en el segundo miembro,


ION - ELECTRN

y se aade al primer miembro los H+ que sean necesarios.

Aadir al primer miembro el nmero de electrones necesarios para igualar la carga total en los miembros.

Escribir la ecuacin electrnica de oxidacin del ion reductor.

Por cada tomo de oxgeno dems en la forma reductora, se coloca una molcula Qumica General Estequiometra

ION - ELECTRN

de agua en el primer miembro de la ecuacin, adicionando en el segundo miembro los H+ correspondientes.

Igualar la ecuacin elctricamente, adicionando al segundo miembro los electrones necesarios.

Se determinan los coeficientes mnimos, que igualen el nmero de electrones en cada miembro.


ION - ELECTRN

Sumar las dos ecuaciones resultantes, si al final quedan iones de H+ en el segundo miembro, se adicionan los iones de OH+ necesarios a ambos lados, para transformar todos los H+ en molculas de agua, lo cual indicara que el proceso se realiza en medio alcalino.


ION - ELECTRN

Ejemplo

El clorato de potasio KClO3, en medio alcalino, se reduce a ion cloruro Cl-1 cuando oxida al ion crmico Cr+++ a cromato CrO4

=. Determine la ecuacin inica correspondiente.


ION - ELECTRN

Ecuacin electrnica de reduccin. 3

Adicin de molculas de agua e hidrgeno. 3

+ 6+ + 32

Igualacin elctrica 6 + 3

+ 6+ + 32

Ecuacin electrnica de oxidacin

3+ 42


ION - ELECTRN

Adicin de molculas de agua e hidrgeno.

3+ + 42 42 + 8+

Igualacin elctrica

3+ + 42 42 + 8+ + 3

Igualacin de electrones y suma de 6 + 3

+ 6+ + 32 3+ + 42 4

2 + 8+ + 3 2 6 + 3

+ 6+ + 23+ + 82 + 32 + 24

2 + 16+ + 6


ION - ELECTRN

3 + 23+ + 52 + 24

2 + 10+

Adicin de molculas de oxidrilo 3

+ 23+ + 52 + 10

+ 242 + 10+ + 10

Finalmente se tiene: 3

+ 23+ + 10

+ 242 + 52


ION - ELECTRN

Ms ejemplos

Equilibrar la siguiente ecuacin.

Bi2O3 + KOH + KClO KBiO3 + KCl + H2O


ION - ELECTRN

Balancear la siguiente reaccin por el mtodo in-electrn

Cl2 + KOH KClO3 + KCl + H2O

KMnO4 + KCl + H2SO4

MnSO4 + Cl2 + K2SO4 + H2O


ION - ELECTRN

KMnO4 + Na2(C2O4) + H2(SO4)

Mn(SO4) + Na2(SO4) + K2(SO4) + H2O + CO2

Cr2(SO4)3 + KOH + KClO3

K2CrO4 + H2O + KCl + K2SO4


UNIDADES DE CONCENTRACIN

Qu informacin podemos obtener de una ecuacin qumica?

8 + 82 82()

Reactivos y productos que se obtienen.

Frmulas para cada reactivo y para cada producto.

Nmero relativo de molculas de cada reactivo y productos formados.



Nmero relativo de tomos para cada elemento en la reaccin.

Nmero relativo de masas moleculares de reactivos y productos.

Nmero relativo de gramos (u otras unidades de masa) de reactivos y productos.

Nmero relativo de moles de cada sustancia, reactivos o productos.



PESOS FORMULARES

El peso frmula de una sustancia no es ms que la suma de los pesos atmicos de cada uno de los tomos de su frmula qumica.

Ejemplo:

cido sulfrico 24

= 2 1.0 + 32.1 + 4(16.0)

= 98.1



EL MOL

Un mol es la cantidad de materia que contiene tantos objetos (tomos, molculas o cualquier otro tipo de objetos que estemos considerando) como tomos hay en exactamente 12 g de 12C isotpicamente puro.

6.0221421 x 1023

Nmero de Avogadro



Por ejemplo se puede expresar:



Clculos masa masa

Existen varios mtodos para resolver este tipo de problemas, citaremos 2:

Mtodo del factor molar

Mtodo de las proporciones

Calcular la masa de dixido de azufre que puede ser preparada a partir de la combustin completa de 94 g de azufre.



Ecuacin qumica 8 + 82 82

Ejemplo

Un mtodo para preparar hidrgeno en el laboratorio consiste en hacer reaccionar algunos cidos sobre metales. Cuntos gramos de zinc son necesarios para obtener 5,4 g de hidrgeno?



Ecuacin qumica + 24 4 + 2

Clculos mol mol

Cuntos moles de nitrgeno son necesarios hacer reaccionar con 0.36 moles de hidrgeno en la produccin del amonaco?

2 + 32 23



La accin del cido clorhdrico sobre el dixido de manganeso produce MnCl2, H2O y Cl2. A partir de 4.8 moles de HCl, Cuntos moles de MnCl2 se deben obtener?

2 + 4 2 + 22 + 2



Clculos mol masa o masa mol

El xido de hierro (III) reacciona con coque (carbn) en un alto horno para producir monxido de carbono y hierro fundido. Cuntos moles de hierro se pueden producir a partir de 22 g de xido de hierro (III)?

23 + 3 2 + 3



Cuntos gramos de sulfuro de zinc se necesitan para reaccionar completamente con 0.34 moles de oxgeno?

2 + 32 2 + 22


REACTIVOS LIMITANTES

En el laboratorio es difcil tomar las cantidades precisas de cada uno de los reactivos para las diversas reacciones, lo que ocasiona el exceso de uno o ms de los reactivos.

La reaccin se detiene tan pronto como se consume totalmente cualquiera de los reactivos.



Ejemplo:

Supongamos, por ejemplo, que tenemos una mezcla de 10 mol H2 y 7 mol O2, y que la hacemos reaccionar para formar agua:

10 moles de mol H2 se combinan con 5 moles de O2, para formar 10 moles de H2O.



El reactivo que se consume por completo en una reaccin se denomina reactivo limitante porque determina, o limita, la cantidad de producto que se forma.



El procedimiento que se sigue para encarar este tipo de problemas es el siguiente:

Calcular el nmero necesario de un reactivo que reaccionan con toda la cantidad del otro reactivo.

Comparar el nmero de moles de ese reactivo con el nmero de moles necesarias.

Calcular las cantidades del producto solicitado, tomando como base el reactivo limitante.



Ejemplos

Cuntos moles de PbI2 se pueden preparar al reacionar 0.25 moles de Pb(NO3)2 con 0.62 moles de NaI?

3 2 + 2 2 + 23



Se hacen reaccionar 15g de NaOH con 17 g de HCl para producir agua y cloruro de sodio. Cuntos gramos de NaCl se obtienen?

+ + 2



Considere la siguiente reaccin:

234 + 3 3 2 3 4 2 + 63

Suponga que una disolucin que contiene 3.50g de Na3PO4 se mezcla con una disolucin que contiene 6.40g de Ba(NO3)2. Cuntos gramos de Ba3(PO4)2 podrn formarse?


RENDIMIENTOS TERICOS

La cantidad de producto que, segn los clculos, se forma cuando reacciona todo el reactivo limitante se llama rendimiento terico.

La cantidad de producto que realmente se obtiene en una reaccin se denomina rendimiento real.

El rendimiento real casi siempre es menor que el rendimiento terico.



Causas

Una parte de los reactivos no reaccionan.

Parte de los reactivos reaccionan de una forma diferente de la deseada.

No siempre es posible recuperar todo el producto de reaccin de la mezcla de reaccin.



El porcentaje de rendimiento de una reaccin viene definido por:

Ejemplo

El cido adpico, H2C6H8O4, es un material empleado en la produccin de nylon; se fabrica comercialmente por una reaccin controlada entre ciclohexano (C6H12) y O2 Qumica General Estequiometra


2C6H12 + 5O2 2H2C6H8O4 + 2H2O

Suponga que efecta esta reaccin partiendo de 25.0 g de ciclohexano, y que ste es el reactivo limitante.

a) Calcule el rendimiento terico de cido adpico.

(b) Si obtiene 33.5 g de cido adpico en la reaccin, calcule el porcentaje de rendimiento de cido adpico.



Cuntos gr de MnO2 puro, y cuntos ml de cido clorhdrico de densidad 1,19 gr/cm3 sern necesarios para preparar 3,17 gr. de cloro gaseoso, si el rendimiento de la reaccin es de 87,5%?

La reaccin qumica (SIN AJUSTAR) que tiene lugar es:

2 + 2 + 2 + 2



En una experiencia, al someter a la combustin fuerte 5,1 moles de propano se forman 14.1 moles de CO2. Determine la eficiencia o rendimiento de la reaccin.

La reaccin qumica (SIN AJUSTAR) que tiene lugar es:

38 + 2 2 + 2


GASES EN REACCIONES QUMICAS

Es importante entender las propiedades de los gases porque stos a veces son reactivos o productos en las reacciones qumicas. Por esta razn, es comn tener que calcular los volmenes de gases consumidos o producidos en reacciones. Hemos visto que los coeficientes de las ecuaciones qumicas balanceadas nos dan las cantidades relativas (en moles) de los reactivos y productos de una reaccin. El nmero de moles de un gas, a su vez, est relacionado con P, V y T.



La ecuacin del gas ideal.

PV = nRT

Donde:

P = Presin

V = Volumen

n = Nmero de moles

R = Constante de los gases

T = Temperatura Qumica General Estequiometra


Ejemplo:

1. Dada la reaccin:

4 HCl + MnO2 Cl2 + MnCl2 + 2 H2O

calcule la masa de dixido de manganeso que se necesita para obtener 2,5 litros de cloro medidos a 0,758 atm y 17 C, si el rendimiento del proceso es del 80%.



2. Se tratan 200 g de carbonato de calcio del 80% de pureza con una disolucin 4 Molar de cido clorhdrico. Calcular:

a) El volumen de esta disolucin de H Cl que se necesita para compretar la reaccin.

b) Volumen de dixido de carbono desprendido, medido a 15C y 750 mm Hg de presin, sabiendo que se obtienen, adems, cloruro de calcio y agua.

CaCO 3 + 2 HCl CaCl 2 + CO 2 + H 2 O


3 qmc 100 estequiometría y unidades de concentración

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