3 Qmc 100 Estequiometría y Unidades de Concentración
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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.
Qumica General Estequiometra
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
Qumica General Estequiometra
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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
Qumica General Estequiometra
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
Qumica General Estequiometra
-
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 +
Qumica General Estequiometra
-
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.
Qumica General Estequiometra
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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
Qumica General Estequiometra
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
Qumica General Estequiometra
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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.
Qumica General Estequiometra
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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
Qumica General Estequiometra
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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.
Qumica General Estequiometra
2 3
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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.
Qumica General Estequiometra
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SIMPLE TANTEO
Balancear la ecuacin que ocurre al reaccionar hierro (solido) con oxgeno para producir xido de hierro
Qumica General Estequiometra
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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.
Qumica General Estequiometra
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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+.
Qumica General Estequiometra
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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.
Qumica General Estequiometra
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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.
Qumica General Estequiometra
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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
Qumica General Estequiometra
2 0 +1 -1 +2 -1 0
-
OXIDACIN-REDUCCIN
Reacciones parciales 0 2+ + 2
2+ + 2 20 ()
Zn = agente reductor
H = agente oxidante
Qumica General Estequiometra
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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.
Qumica General Estequiometra
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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.
Qumica General Estequiometra
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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 +
Qumica General Estequiometra
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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
Qumica General Estequiometra
+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 +
Qumica General Estequiometra
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OXIDACIN-REDUCCIN
Ms ejemplos
Balancear la siguiente ecuacin por el mtodo de oxidacin-reduccin:
3 + 43 + 3 2 + 2
3 + + 2 24 + 4 + + 2
Qumica General Estequiometra
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OXIDACIN-REDUCCIN
Balancear la siguiente ecuacin por el mtodo de oxidacin-reduccin:
227 + 2 + 24
24 + 2 4 3 + + 2
3 + 4 + 24
4 + 4 + 34 + 2
+ 3 3 2 + + + 2
Qumica General Estequiometra
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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,
Qumica General Estequiometra
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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
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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.
Qumica General Estequiometra
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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.
Qumica General Estequiometra
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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.
Qumica General Estequiometra
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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
Qumica General Estequiometra
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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
Qumica General Estequiometra
-
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
Qumica General Estequiometra
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ION - ELECTRN
Ms ejemplos
Equilibrar la siguiente ecuacin.
Bi2O3 + KOH + KClO KBiO3 + KCl + H2O
Qumica General Estequiometra
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ION - ELECTRN
Ms ejemplos
Equilibrar la siguiente ecuacin.
Bi2O3 + KOH + KClO KBiO3 + KCl + H2O
Qumica General Estequiometra
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ION - ELECTRN
Balancear la siguiente reaccin por el mtodo in-electrn
Cl2 + KOH KClO3 + KCl + H2O
KMnO4 + KCl + H2SO4
MnSO4 + Cl2 + K2SO4 + H2O
Qumica General Estequiometra
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ION - ELECTRN
KMnO4 + Na2(C2O4) + H2(SO4)
Mn(SO4) + Na2(SO4) + K2(SO4) + H2O + CO2
Cr2(SO4)3 + KOH + KClO3
K2CrO4 + H2O + KCl + K2SO4
Qumica General Estequiometra
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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.
Qumica General Estequiometra
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UNIDADES DE CONCENTRACIN
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.
Qumica General Estequiometra
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UNIDADES DE CONCENTRACIN
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
Qumica General Estequiometra
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UNIDADES DE CONCENTRACIN
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
Qumica General Estequiometra
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UNIDADES DE CONCENTRACIN
Por ejemplo se puede expresar:
Qumica General Estequiometra
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UNIDADES DE CONCENTRACIN
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.
Qumica General Estequiometra
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UNIDADES DE CONCENTRACIN
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?
Qumica General Estequiometra
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UNIDADES DE CONCENTRACIN
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
Qumica General Estequiometra
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UNIDADES DE CONCENTRACIN
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
Qumica General Estequiometra
-
UNIDADES DE CONCENTRACIN
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
Qumica General Estequiometra
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UNIDADES DE CONCENTRACIN
Cuntos gramos de sulfuro de zinc se necesitan para reaccionar completamente con 0.34 moles de oxgeno?
2 + 32 2 + 22
Qumica General Estequiometra
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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.
Qumica General Estequiometra
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REACTIVOS LIMITANTES
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.
Qumica General Estequiometra
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REACTIVOS LIMITANTES
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.
Qumica General Estequiometra
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REACTIVOS LIMITANTES
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.
Qumica General Estequiometra
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REACTIVOS LIMITANTES
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
Qumica General Estequiometra
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REACTIVOS LIMITANTES
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
Qumica General Estequiometra
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REACTIVOS LIMITANTES
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?
Qumica General Estequiometra
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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.
Qumica General Estequiometra
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RENDIMIENTOS TERICOS
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.
Qumica General Estequiometra
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RENDIMIENTOS TERICOS
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
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RENDIMIENTOS TERICOS
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.
Qumica General Estequiometra
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RENDIMIENTOS TERICOS
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
Qumica General Estequiometra
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RENDIMIENTOS TERICOS
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
Qumica General Estequiometra
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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.
Qumica General Estequiometra
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GASES EN REACCIONES QUMICAS
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
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GASES EN REACCIONES QUMICAS
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%.
Qumica General Estequiometra
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GASES EN REACCIONES QUMICAS
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
Qumica General Estequiometra