Ejercicios de estequiometría y disolucionesAlexander Álvarez Holly

Objetivo1-Que el alumno desarrolle la habilidad para realizar cálculos estequiométricos involucrando disoluciones.

Descripción generalEl recurso constará de dos secciones. La primera es de ejercicios sobre disoluciones. Esta sección no contendrá muchas animaciones ya que es de apoyo para el usuario si no está muy relacionado con los cálculos. La segunda sección es de ejercicios de estequiometría con disoluciones.

El diseño puede ser algo similar a lo siguiente:

Fig 1

Primera Actividad: DisolucionesEn esta sección el usuario aprenderá como realizar cálculos que involucren las disoluciones. Dentro de estos cálculos está la concentración molar, porcentaje masa-masa y diluciones.

La primera pantalla que aparece al dar clic a disoluciones es la siguiente:

Fig 2

El texto debe decir lo siguiente:

Esta sección te servirá de apoyo si tienes dificultades para realizar cálculos relacionados con las disoluciones.

La concentración de un soluto disuelto en una disolución (sólida, líquida o gaseosa) es una propiedad intensiva y es una característica importante de la disolución. La concentración de uno o más solutos se

puede expresar como la proporción entre las cantidades de cada soluto y de disolución, o entre las cantidades de cada soluto y de disolvente.

Preparar disoluciones es una tarea de gran importancia en el laboratorio, ya que muchas determinaciones analíticas llevan consigo la utilización de disoluciones. Aunque no es necesario estar en un laboratorio para realizar disoluciones. Es más común de lo que parece, incluso desde que preparas un agua de sabor estas realizando una disolución. Por ejemplo, al poner 15mL de extracto de Jamaica en 400 mL de agua, estas realizando una disolución.

Porcentaje masa-masa

Una propuesta de cómo puede verse es la siguiente:

Fig 3

El texto debe de decir lo siguiente:

Es una forma de expresar la relación que existe entre el soluto y el disolvente. Suele expresarse en porcentaje, por ejemplo 50%m/m. Esto nos indica que hay 50g de soluto por cada 100g de disolución.

De manera general

%mm

= masade solutomasadedisolucion

x100

La pantalla que sigue puede ser así

Fig 4

En el círculo de ayuda al dar clic se despliega un cuadro donde vienen las fórmulas que pueden ayudarte en los ejercicios. Las fórmulas que vienen en forma de lista son:

%mm

= masade solutomasadedisolución

x100

Densidad= ρ= masade disoluciónvolumende disolución

Cantidad de sustancia (mol)=masa en gramosde la sustanciamasamolar de la sustancia

Concentraciónmolar= [M ]= cantidad de sustanciaenmolvolumen dedisolución

Razón básica: Cociente entre dos cantidades que están relacionadas de alguna manera. Por ejemplo: de la siguiente ecuación química 2H2+O2→2H2O

2moles dehidrogeno1mol deoxígeno

Razón unitaria: Es el cociente entre dos cantidades que son equivalentes. Por ejemplo:

6.02x 1023 partículas1mol de partículas

Estas razones pueden ayudarte a resolver de manera sencilla los problemas presentados aquí.

Debajo del problema debe haber un cuadro donde el usuario puede contestar a la pregunta. Por ejemplo si hay inciso a) y b) debe haber dos cuadros donde pueda contestar. Puede ser algo como lo siguiente.

Antes de comenzar a hacer ejercicios se les dará un problema junto con una posible manera de resolverlo.

Problema ejemplo

Las sustancias en su estado natural, en su mayoría, no tienen un 100% de pureza. Esto significa que hay otras sustancias junto con ellas. Un ejemplo es el agua, la cual tiene sales y gases disueltos en ésta, puede que en muy poca concentración pero aún las tiene.

Aquí van dos problemas típicos de disoluciones, ¡a ver qué te parecen!

a) ¿Cuál será la concentración en porcentaje masa-masa (%m/m) de cloruro de sodio (NaCl) en agua, si se sabe que se disolvieron 15g de esta sal en 130 g de agua?

b) Si tuviéramos 75g de esta disolución, ¿cuántos moles de cloruro de sodio (NaCl) tendríamos en esa disolución?

Respuesta con procedimiento:

a) Sabemos que

%mm

= masa solutomasadedisolución

x100

(En el círculo de ayuda puedes ver una serie de fórmulas que te pueden ayudar)

Conocemos la masa de soluto, la cual es 15g.

masa soluto=15 gramos

La masa de la disolución es la masa del soluto más la masa del disolvente. Es decir, la masa del NaCl más la masa del agua.

masade disolución=15gramos NaCl+130 gramos Agua=145 gramos de disolución

Por lo tanto:

%mm

= 15 gramosde NaCl145gramosde disolución

x100=10.34%

b) Ahora tenemos la masa de la disolución y nos piden las moles de NaCl presentes en la misma.

Primero calculamos cuántos gramos de NaCl hay en la disolución y después calculamos las moles utilizando la masa molar.

n NaCl=75gdisolución( 10.34 g NaCl100 gdisolución )( 1mol NaCl58.44 gNaCl )=0.1327mol NaCl

¿Qué te pareció? ¿Entendiste bien?

Sigamos con más ejercicios

Debe haber un botón en forma de flecha para que el usuario pueda ir avanzando en los ejercicios.

1)

Se ha encontrado un meteorito y los científicos buscan determinar la concentración de agua dentro de éste. Se sabe que contiene 20g de agua, 45g de hierro, 29g de oxígeno, 50g de zinc y 10g de carbono.

a) ¿Cuál es la concentración %m/m del agua en el meteorito?

La respuesta correcta es:

a)12.98%

Para las respuestas que de el usuario es aceptable un error del 1.2% por arriba y por debajo del resultado. El algoritmo de este cálculo para identificar si el resultado está en el margen

¿ Respuesta−respuesta deusuarioRespuesta

x 100∨¿%de error

El % de error es el valor absoluto de la operación.

Si %<=1.2% la respuesta es correcta.

Si %>1.2% la respuesta es incorrecta.

La realimentación positiva

¡Correcto!

Aunque el usuario haya contestado correctamente, se le presenta la resolución de todas maneras. Esto para todos los ejercicios.

Si se equivocaron aparece el siguiente mensaje

Vuelve a intentarlo, recuerda calcular la masa de la disolución.

Si vuelven a incurrir en el error aparece la siguiente resolución:

Conociendo la expresión

%mm

= masa solutomasadedisolución

x100

Observamos que necesitamos la masa de la disolución (dato indirecto) ya que la masa del soluto ya la tenemos la cual es de 20 gramos de agua (dato directo).

Masa dedisolución=20 gde agua+45 gde hierro+29 gde oxígeno+50gde zinc+10 gdecarbono=154 g dedisolución .

%mm

= 20 gdeagua154g dedisolución

x 100=12.98%

2)

Un científico calculó que para realizar un experimento en su laboratorio, necesita 1.5 moles de ácido sulfúrico (H2SO4). La disolución que él posee tiene una pureza del 98%m/m y una densidad de 1.84g/mL.

a) ¿Qué masa de la disolución de ácido sulfúrico necesita el científico para su experimento?b) Como es más fácil para el científico medir un volumen, ¿qué volumen de ácido sulfúrico

necesita medir?

La respuesta correcta es

a) 150g de disolución

La realimentación positiva es

¡Muy bien!

Si se equivocan aparece el siguiente mensaje:

Revisa muy bien que hayas calculado bien la masa molar del H2SO4. Recuerda que la masa molar de este compuesto es suma de la masa molar de cada elemento que compone a este compuesto.

Si vuelven a equivocarse aparece la resolución

Primero hay que transformar los moles de ácido sulfúrico a gramos. Esto se hace con la masa molar del ácido sulfúrico (dato indirecto, hay que obtener los datos de una tabla periódica):

Masa molar Masa molar2xH 2x1g/mol 2g/molS 32g/mol 32g/mol4xO 4x16g/mol 64g/mol

H2SO4 Total 98g/mol

masa H 2SO4=1.5mol H 2SO 4( 98 g H 2SO4

1mol H 2SO4)=147g H 2SO4

Ahora calculamos la masa de la disolución que necesitamos con el dato de la pureza (dato directo):

masadisolución=147 g H2SO4( 100gdisolución98g H 2SO4)=150g dedisolución

Si no hubiéramos considerado la pureza, podría parecer que necesitamos solo 147g de H 2SO 4, pero en verdad necesitamos un poco más ya que está impuro.

La respuesta del inciso b) es la siguiente

b) 81.52 mL

Si se equivocan debe aparecer lo siguiente

Recuerda que la densidad relaciona la masa de la disolución con el volumen de la disolución

ρ= masadedisoluciónvolumendedisolución

(dato directo)

El dato de la densidad te permite escribir la siguiente igualdad:

1.84 gde disoluciónde H 2SO4=1mLdedisolución de H 2SO 4

Esto significa que en 1 mL de disolución de ácido hay 1.84 g de disolución de ese ácido.

Si se vuelven a equivocar debe aparecer la resolución:

Ya conocemos la masa de la disolución necesaria, entonces solo necesitamos utilizar la densidad para calcular el volumen de la misma. Observa que las unidades de lo que estamos manejando, nos pueden dar pistas de cómo llegar a la solución.

Volumende disolución=150g dedisolución( 1mLde disolución1.84 gdedisolución )=81.52mLde disolución

Cuando escribimos del lado izquierdo, en este caso la palabra “Volumen de disolución”, significa a lo que queremos llegar.

3)

El agua es el principal componente del cuerpo humano. Forma aproximadamente el 75% de nuestra masa corporal.

a) Si una persona adulta tiene una masa de 80kg, ¿cuál es la masa de agua presente en su cuerpo expresada en kilogramos?

La respuesta correcta es

a) 60Kg de agua

Si aciertan, la realimentación positiva es

Correcto, de hecho cuando el porcentaje de agua en nuestro cuerpo disminuye debajo de los niveles normales, comenzamos a tener sed.

Si se equivocan aparece el siguiente mensaje

Vuelve a intentarlo

Si vuelven a reincidir en el error aparece la siguiente propuesta de resolución:

El problema nos indica la composición de agua en nuestro cuerpo. Con este dato y la masa de la persona podemos calcular la masa de agua presente en ella.

masade agua=80Kg persona( 75Kgagua100Kg persona )=60Kgagua

4)

Un chef tiene una receta secreta para un postre y te pide que le ayudes. El desea disolver 35g de azúcar pura y 100g de harina pura en 250 mL de agua. Como el chef tiene los ingredientes impuros considera lo siguiente: La harina tiene una pureza del 95%, el azúcar tiene una pureza del 98%, el agua es totalmente pura, la densidad del agua es de 1 g/mL y el azúcar considérala como sacarosa (C12H22O11).

a) ¿Cuál es el %m/m del azúcar pura en la disolución? (recuerda que azúcar pura)b) ¿Cuántos moles de azúcar hay en total?c) ¿Cuántos moles de azúcar hay en 30 g de la disolución?

Las respuestas correctas son

a) 8.95%

Si aciertan correctamente la realimentación es:Muy bien, este problema es un poco más difícil que los anteriores.

Si fallan aparece el siguiente mensaje

Recuerda que la masa de la disolución es de los ingredientes impuros.

Si reinciden en el error aparece la siguiente resolución

Sabemos que necesitamos 35 g de azúcar pura (dato directo), pero en la disolución hay que considerar el azúcar total debido a sus impurezas.

masade azúcar impura=35 gde azúcar pura( 100g deazúcar impura98 gdeazúcar pura )=35.71 gdeazúcar impuraTambién hay que considerar el total de harina que estamos colocando en la disolución.

masade harinaimpura=100g deharina pura ( 100gde harinaimpura95g deharina pura )=105.26 gde harinaimpuraPor último ahora tomamos en cuenta al agua

Necesitamos convertir el volumen de agua a masa y esto lo realizamos con la densidad.

masade agua=250mLdeagua ( 1 gdeagua1mLdeagua )=250 gdeagua .Como el agua es 100% pura, 250g de agua es la cantidad que necesitamos agregar.

Lo único que nos falta ahora para poder calcular el %m/m es la masa de la disolución. Esta masa será la suma de la masa de todo lo que agreguemos a la solución.

masade disolución=250g deagua+105.26 gde harinaimpura+35.71gde azúcar impura=390.97g dedisolución .

Con este último dato podemos calcular el %m/m

%mm

= 35g deazúcar pura390.97g dedisolución

x100=8.95%

La respuesta para el inciso b) es la siguiente

b) 0.10 mol de azúcar

Pueden contestar 0.10mol, 0.10 moles de azúcar y sigue estando correcto.

Si aciertan la realimentación positiva es la siguiente:

¡Correcto! Ya casi terminamos esta sección.

Si se equivocan aparece el siguiente mensaje:

No te desanimes, poco a poco te irás convirtiendo en un experto. Recuerda que para calcular los moles del azúcar es necesario que calcules la masa molar de la sacarosa, también ten en cuenta que la masa que debes utilizar es la de la azúcar pura. Vuelve a intentarlo.

Si incurren en el error otra vez aparece la siguiente resolución:

Ya tenemos la masa de azúcar pura presente (dato directo). Solamente necesitamos calcular la masa molar de la sacarosa. Con su fórmula y una tabla periódica podemos obtenerla fácilmente como se presenta a continuación:

Masa molar

Masa molar

12xC 12x12g/mol

144g/mol

22xH 22x1g/mol 22g/mol

11xO 11x16g/mol

176g/mol

C12H22SO11 Total 342g/mol

Ahora calculamos los moles de azúcar (sacarosa)

moles deazúcar=35 gdeazúcar ( 1molde azúcar342gde azúcar )=0.10mol deazúcar

La respuesta al inciso c) es la siguiente:

c) 0.0078mol de azúcar

Si aciertan la realimentación positiva es:

Perfecto, ya estás listo para seguir con la siguiente sección. Estas son las bases para lo demás.

Si se equivocan aparece el siguiente mensaje:

Ya estas a punto de terminar, vuelve a intentarlo.

Si incurren en el error de nuevo aparece la siguiente resolución:

Si contestaste los incisos anteriores, ya debes tener casi todos los datos para concluir el problema. Una manera de resolverlo es el siguiente:

Ya conocemos el %m/m de la disolución, la masa molar del azúcar y los gramos que ocuparemos de la disolución para el cálculo.

moles deazúcar=30 gdedisolución( 8.95 gde azúcar100 gdedisolución )( 1mol deazúcar342 gdeazúcar )=0.0078moldeazúcar

El siguiente tema es el de concentración molar

La imagen de la pantalla al dar clic en la figura 2 puede ser la siguiente:

Fig 5

La parte donde dice texto debe decir lo siguiente:

Otra forma de expresar la concentración de una disolución es la concentración molar, esta indica el número de moles de soluto por cada litro de disolución que se tenga.

Esta expresión se puede expresar de la siguiente manera

[ M ]= molesde solutovolumende disolución

En la parte que dice animación debe verse algo similar

Este objeto es un matraz Erlenmeyer de 500mL, las rayas horizontales corresponden a la graduación.

Dentro del matraz deben verse 4 esferas moviéndose dentro de él. Estas corresponden a partículas. Cuando den clic sobre la animación debe desplegarse un cuadro que diga lo siguiente:

En este matraz hay 4 partículas en un volumen de 500mL. Una expresión de concentración puede ser la siguiente:

C=4 partículas0.5L

=8 partículasL

Ahora imagina que son moles. Recuerda que cada mol equivale a 6.022x1023 unidades, las cuales pueden ser átomos, moléculas o iones. Entonces si hubiera 4 moles de partículas en la disolución la concentración molar sería:

[ M ]=4moles0.5 L

=8 molesL

=8molar

Cuando den clic a la flecha de siguiente debe aparecer una pantalla idéntica a la figura 4. En el problema ejemplo viene lo siguiente:

¿Cuál es la concentración de una disolución de sulfato cuproso también conocido como sulfato de cobre (I) ( Cu2SO4 ), si se disolvieron 20g de esta sal hasta llegar a un volumen de 250mL con agua destilada?

R:

Al calcular la masa molar de Cu2SO4 obtenemos que es de 223.15g/mol. Sabemos que masa tenemos de esta sal, entonces es posible calcular el número de moles

molesC u2SO4=20 gCu2SO4 ( 1molCu2SO 4

223.15gCu2SO4)=0.0896molCu2SO4

Tenemos como dato directo el volumen (250mL=0.250L), entonces podemos calcular la concentración molar

[Cu2SO4 ]=0.0896molC u2SO4

0.250L=0.3584

molCu2SO 4

L=0.3584M

Los ejercicios son los siguientes:

Se tomó una muestra de 40 g del agua de mar. Se determinó que el agua de mar tiene una densidad de 1.025g/mL y que tiene una cantidad de sales disueltas de 45g/L. Considera que el 70% en peso de las sales disueltas es cloruro de sodio (NaCl).

a) ¿Cuántos moles de NaCl se encuentran presentes en los 40g de la muestra?b) ¿Cuál es la concentración molar del cloruro de sodio en el agua de mar?

Las respuestas son las siguientes:

a)0.021 mol , 0.021 mol de NaCl, 0.021 mol NaCl

Si aciertan la realimentación es la siguiente:Muy bien, esa es la cantidad de cloruro de sodio presente en la muestra.

La realimentación si se equivocan:Recuerda que necesitas calcular la masa del NaCl en la muestra y después calcular los moles.

Si reinciden en el error aparece la resolución del ejercicio:

Tenemos como dato directo los 40g de la disolución, la densidad de la disolución y la cantidad de sales disueltas en un litro de disolución. También conocemos el %m/m de NaCl en las sales. Una forma de resolver este ejercicio es el siguiente:

moles de NaCl=40 gdisolución( 1mLdis1.025 gdis

)( 1Ldis1000mLdis

)( 45g desale s1 Ldis

)(70 gde NaCl100 gsales

)( 1mol NaCl58.44 g NaC l

)

moles de NaCl=0.021molNaCl

b)0.539M, 0.539mol NaCl/L

Si aciertan la realimentación es la siguiente:

Correcto, como puedes darte cuenta es una concentración considerable.

Si se equivocan la realimentación es la siguiente:

Recuerda que concentración molar es mol/L, entonces necesitas encontrar esta relación.

Si reinciden en el error se da el procedimiento con el resultado:

Podemos partir de del resultado obtenido en el inciso a) y dividirlo entre el volumen de los 40g de la disolución. El volumen puede obtenerse con la densidad. Otra manera de resolverlo es la siguiente:

[ NaCl ]=( 45g desale s1 Ldis )(70 gde NaCl100 gsales )( 1mol NaCl58.44 gNaC l )=0.539 mol NaClL=0.539M

El siguiente tema es de diluciones antes de comenzar con el objeto. Cabe recalcar que el usuario puede acceder a estas secciones para ver cómo se resuelven ejercicios de este tipo.

Fig 6

Referencias

Lo que debe de decir el texto:

Una dilución es un proceso en el cuál se disminuye la concentración de un soluto en una disolución. Esto se logra adicionando más disolvente a la misma cantidad de soluto.

Lo que debe verse en la animación es un GIF sencillo, en el cuál hay una disolución dentro de un vaso de precipitado de color intenso. Se debe observar que se agrega más agua con una probeta, y la disolución debe tener el mismo color pero mucho menos intenso. Los pasos son los siguientes y los materiales son los siguientes:

Vaso de precipitado:

1.

2. Probeta:

Debe verse algo similar a lo siguiente:

Esta sección no contendrá ejercicios más que uno de demostración:

Se toma una alícuota de 15mL de una disolución 0.5M de ácido clorhídrico (HCl), se coloca en un matraz volumétrico y se afora a 250mL, ¿cuál es la concentración de la disolución resultante?

Hay dos maneras de resolver este ejercicio como se muestran a continuación:

1:

Con los datos de la alícuota tomada, podemos calcular los moles presentes en ella. Tenemos el volumen de la alícuota y la concentración que tiene ya que es la misma que de la disolución que fue tomada.

moles HCl=0.015 Ldis( 0.5moles HCl1 Ldis )=7.5 x10−3moles HClEntonces estos moles son los que se transferirán al matraz aforado. Otro dato es el volumen final que tendrá la disolución por lo que podemos calcular la nueva concentración de la nueva disolución

[ HCl ]=7.5x 10−3moles HCl0.250L

=0.03M=0.03molar

2:

De hecho esta forma de hacerlo es igual a lo anterior pero de una forma directa

Considerando el subíndice 1 como condiciones iniciales y 2 como condiciones finales.

C1 y V1 son la concentración y el volumen de la alícuota respectivamente.C2 y V2 son la concentración y el volumen de la disolución final.El producto C*V=moles como vimos anteriormente, la masa del soluto en la alícuota es la misma que la disolución resultante se puede hacer la siguiente igualdad:

C1V 1=C2V 2

La única incógnita de esta igualdad es C2

C2=C1V 1

V 2

=(0.5M ) (0.015L )

0.250 L=0.03M

Un detalle muy importante que hay que recordar es que hay que tener en cuenta el efecto de la dilución cuando se mezclan disoluciones.

Segunda actividad: Estequiometría

Esta es la sección principal del objeto donde el alumno aprenderá a realizar cálculos estequiométricos.

La propuesta de pantalla es la siguiente:

1- http://www.euskadi.net/contenidos/informacion/aai_eia_bial/es_aai/adjuntos/ 13_FS_Acido_sulfurico.pdf Revisado 10 de octubre de 2014, Hojas de seguridad de www. merck millipore.com

2- Prácticas de química general; Joaquín Serrano Aniorte; Universidad de Murcia;1988; Pg 12.3- Química III , un enfoque constructivista; Gabriela Pérez Aguirre; PERSON EDUCACIÓN, México,

2007; Pg 126.4- http://es.wikipedia.org/wiki/Agua_de_mar#Composici.C3.B3n revisado el 2 de diciembre de

2014.