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INSTITUCION EDUCATIVA DIVERSIFICADO DE CHIA MATERIAL PARA ESTUDIAR ESTEQUIOMETRIA

1. MOTIVACION Analice la siguiente ecuación, la cual expresa la combustión completa de un pedazo de carbón sólido: C(s) + O2 (g) ------------ CO2(g) 1. ¿Cuáles son los reactivos y cuáles los productos de la reacción? 2. ¿Es una ecuación estequiometria? 3. ¿Cuántos moles de oxígeno se requieren para la combustión completa de un mol de carbono? 4. ¿Cuántas moléculas de CO2 se producen con 1 átomo de carbono y 2 átomos de oxígeno? 5. Establezca algunas diferencias y semejanzas entre una ecuación química y una ecuación matemática. 2. CONTEXTUALIZACIÓN: Una ecuación química contiene abundante información acerca de las cantidades de reactivos y productos que participan en el proceso. Las ecuaciones químicas pueden interpretarse en términos de átomos y moléculas, o bien en términos de gramos, moles y litros. Por ejemplo, de acuerdo con la ecuación química que describe la combustión del butano: 2C4H10 (g) + 13 O2 (g) -------------- 8 CO2 (g) + 10 H2O (l) Se puede afirmar que 2 moles de butano se combinan con 13 moles de oxígeno para formar 8 moléculas de dióxido de carbono y 10 moléculas de agua. Basándonos en la misma ecuación podemos decir que 2 moles de butano reaccionan con 13 moles de oxígeno para formar 8 moles de dióxido de carbono y 10 moles de agua. También es posible interpretar la ecuación anterior en términos de gramos, para lo cual basta calcular a cuántos gramos equivale el mol de cada una de las sustancias que participan en la reacción y multiplicar por el número de moles que hay de cada una de ellas. En nuestro caso, 116 gramos de butano reaccionan con 416 gramos de oxígeno para formar 352 gramos de dióxido de carbono y 180 gramos de agua. De lo anterior se desprende que una ecuación química balanceada, contiene la información necesaria para predecir cuál será la cantidad de reactivo que se necesita para preparar una cierta cantidad de producto, o bien, cuánto producto se obtiene de cierta cantidad de reactivo. Si se dispone de la ecuación química ajustada, correspondiente a una reacción química, se pueden establecer relaciones entre las cantidades de dos sustancias cualesquiera que intervienen en la reacción y, calcular, a partir de dichas relaciones, la cantidad de una sustancia si se conoce la otra, Estos cálculos reciben el nombre de cálculos estequiométricos. 3. EXPLORACIÓN DIAGNÓSTICA Como se vio anteriormente, una ecuación química nos ofrece información cualitativa (reactivos y productos) y cuantitativa, con relación a la cantidad de materia que participa y la que se produce. Puesto que en una reacción química no se crea ni se destruye la materia, la masa de los reactivos debe ser igual a la masa de los productos. De la misma manera, la carga eléctrica en ambos lados de la ecuación debe ser la misma. Los cálculos anteriores requieren saber interpretar cuantitativamente las ecuaciones en términos de número de moles y gramos. Cuando en las reacciones químicas están involucrados los gases, los cálculos estequiométricos implican la relación de volumen. Con base en la siguiente ecuación, determine:

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4 Fe + 3 O2 ----------- 2 Fe2O3 1. ¿Es una ecuación estequiométrica? 2. ¿Cuántas moles de oxígeno se requieren para oxidar los 4 moles de hierro? 3. Cantidad en gramos de cada reactivo y del producto 4. MARCO DE REFERENCIA: Los cálculos estequiométricos se utilizan para calcular las cantidades proporcionales de las sustancias químicas que participan en una reacción, cuando se conocen la ecuación química balanceada y cantidad de unos de los reactivos o productos. Se puede hacer usos de los coeficientes numéricos de la ecuación química balanceada para escribir las relaciones molares de todos los pares de sustancias químicas que participan en la reacción. El número de moles de una sustancia se puede emplear para calcular el número de moles de una segunda sustancia, lo que se representa como sigue: Moles de A ----------- Moles de B Para efectuar esta conversión, se multiplica el número de moles de una sustancia dada por la relación molar apropiada para obtener el número de moles de la segunda sustancia. Esta operación de conversión adopta la forma general: Moles de B Moles de A x___________ = ? moles de B Moles de A Cuando se conoce la masa de cualquier reactivo o productos (gramos de A), secuencia de conversión para establecer la masa de cualquier otra sustancia que participe en la reacción (gramos de B), se puede escribir como: Gramos de A---------- Moles de A ----------- Moles de B----------- Gramos B La serie de conversiones adopta la forma general: Moles de A Moles de B Gramos de B Gramos A X ------------------ X ----------------- X -------------------- = ? Gramos de B Gramos de A Moles de A Moles de B Si la cantidad de la primera sustancia se da en moles en vez de gramos, se omite el primer paso de conversión de la secuencia. De manera similar, si la cantidad final se desea en moles, se omite el paso final de la secuencia. En el caso de los gases que participan en reacciones químicas, las relaciones de sus volúmenes son equivalentes a las relaciones molares (a presión y temperaturas constantes). El reactivo que se consume por completo en una reacción se llama reactivo limitante, el rendimiento teórico es el rendimiento máximo de producto que se puede obtener de una reacción completa, con base en cálculos estequiométricos. El rendimiento real es la cantidad del producto deseado que se obtiene en último término cuando se efectúa una reacción. El rendimiento porcentual de una reacción se calcula como sigue: Rendimiento real ------------------------- X 100% = Rendimiento porcentual. Rendimiento teórico El calor de reacción, o cambio de entalpía de una reacción, depende de las cantidades de las sustancias que reaccionan. En el caso de una reacción exotérmica, se libera energía calorífica y el cambio de entalpía tiene un valor negativo. Si la reacción es endotérmica, se absorbe energía calorífica y el cambio de entalpía presenta un valor positivo.

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No importa si se trata de la manufactura de plásticos, medicamentos, agentes de limpieza o fibras sintéticas, de la producción de metales a partir de sus minerales, de la formación de gases contaminantes en la atmósfera o del metabolismo de los alimentos; todos estos procesos estequiométricos. En ellos y en todos los demás cambios químicos intervienen cantidades definidas de sustancias químicas y cambios específicos de energía. Durante las reacciones químicas no se crea ni se destruye la materia o la energía, lo que permite emplear cálculos estequiométricos para establecer las cantidades específicas que intervienen. 5. FASE DE ELABORACIÓN ESTRATEGIA DE APRENDIZAJE: No. 1 Identificar es reconocer las características de algo, en este caso balancea las ecuaciones estequiométricas, que te permitan establecer relaciones en términos de masa, mol, átomos y moléculas. 1. Considerando las masas atómicas del carbono (12 u.m.a.) del hidrógeno (1 u.m.a.) y del oxígeno (16 u.m.a.), teniendo en cuenta la reacción de combustión de la gasolina: C8H18 + O2 ------------ CO2 + H2O Calcular: a. La cantidad de reactivos en gramo y compárala con la cantidad de productos en gramos (Ley de conservación de la masa). b. ¿Cuántas moles de gasolina se quemarán para producir 300 gramos de CO2? c. ¿Cuántos gramos de oxígeno se requieren para quemar 3,5 moles de gasolina? d. ¿Cuántas libras de H2O se producirán a partir de 25 libras de O2? e. ¿Cuántos litros de agua se producirán al quemar 6,5 kilogramos de gasolina? 2. La descomposición del HCl por el Al se representa por la siguiente ecuación: Al (s) + HCl (ac) -------------- AlCl3 (ac) + H2 a. ¿Cuántos moles de hidrógeno se producen a partir de 2 moles de HCl? b. ¿Cuántos átomos – gramos de Al se requieren para reaccionar con 2 moles de HCl? 3. La obtención industrial del amoniaco a partir de sus elementos, se representa por la siguiente ecuación: H2 + N2 --------------- NH3 a. ¿Cuántas moles de amoniaco se obtienen a partir de 9 moles de hidrógeno? b. ¿Calcule cuántas moles de hidrógeno se requieren para producir 0,5 moles de amoniaco? 4. Calcule los gramos de KClO3 que se requieren para producir 9 moles oxígeno. Escriba y balancee la ecuación. 5. ¿Cuántos gramos de yoduro de potasio se pueden obtener a partir de 100 gramos de potasio? K + I2 ------------- KI ESTRATEGIA DE APRENDIZAJE: No. 2 Diferencia entre: reactivo limitante y reactivo en exceso; rendimiento teórico y rendimiento real; porcentaje de rendimiento y pureza en una reacción química. REACTIVO LÍMITE Y REACTIVO EN EXCESO Cuando una reacción química se lleva a cabo, por lo general un reactivo se puede consumir completamente sin que los demás se hayan acabado. Al reactivo que se consume totalmente se llama reactivo limitante o reactivo limite; de él depende la cantidad máxima de producto que se forma. Cuando la reacción cesa es porque el reactivo límite ha reaccionado hasta consumirse por completo. El reactivo que sobra se llama reactivo en exceso o reactivo excedente.

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Para determinar cuál es el reactivo limite y cuál es el reactivo en exceso en una reacción química se procede así:

Se balancea la ecuación. Se toma las cantidades dadas de reactivos y se hace una comparación, en términos de

relación estequiométricas entre ellos, bien sea en moles o en gramos. Se analiza el resultado y se determina cuál reactivo sobra y cuál limita la reacción.

Ejemplo: El Boro puede obtenerse en forma elemental a partir del óxido de boro y el magnesio, según la ecuación: B2O3 + 3Mg ------------- 2B + 3MgO Si se hacen reaccionar 97,44 gramos de B2O3 con 122 gramos de magnesio. a. ¿Cuál de los dos reactivos es el limitante? b. ¿Qué cantidad en gramos queda sin reaccionar?

Primero calculamos las masas que reaccionarían en forma teórica. Planteamos el factor de conversión, comenzando con la cantidad real de unos de los

reactivos, por ejemplo con el óxido, lo cual significa que éste será el reactivo limite. Luego se plantea el factor de conversión con el otro reactivo, en este caso el Mg, lo cual nos da entender que será el reactivo limite en exceso.

Para saber la cantidad en gramo que queda sin reaccionar, simplemente restamos la cantidad que reacciono de la cantidad inicial. RENDIMIENTO DE LAS REACCIONES La cantidad de producto que se obtiene cuando finaliza una reacción química se llama rendimiento de la reacción. Se expresa en términos de rendimiento teórico y rendimiento real.

El rendimiento teórico es la cantidad máxima de producto que teóricamente debería obtenerse al reaccionar todo el reactivo limitante.

El rendimiento real es la cantidad que se obtiene en la práctica, una vez que se ha separado el producto de la reacción.

Hay algunas reacciones en las cuales el rendimiento teórico es igual al rendimiento real. En cambio en otras reacciones, el rendimiento real es menor que el teórico.

El rendimiento teórico se puede relacionar con el rendimiento real por medio de una proporción llamada rendimiento porcentual o porcentaje de rendimiento.

Que la de los reactivos sea el 100% % = Masa obtenida del producto X 100 Masa esperada del producto Ejemplo: a. Calcula el rendimiento teórico de cloruro de sodio que produce la reacción de 20.0 gramos de NaHCO3 con 50 ml de HCl 6 M, con base en la siguiente ecuación química. NaHCO3 + HCl ---------------------------- NaCl + H2O + CO2 b. ¿Cuál es el rendimiento porcentual si en la práctica se obtuvieron 12,3 gramos de NaCl? Solución: Para la parte (a) se requieren los siguientes pasos: calcular el número de moles de cada reactivo. Moles de NaHCO3 = 20.0 g de NaHCO3 x 1 mol NaHCO3 = 0,238 mol de NaHCO3 84 g NaHCO3 Moles de HCl = 0.050 L HCl x 6 mol = 0,300 mol de HCl 1 litro Establecer cuál sustancia es el reactivo limitante. De acuerdo con la ecuación química, la reacción consume el mismo número de moles de NaHCO3 que de HCl, de modo que 0.238 mol

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NaHCO3 requieren 0.238 mol de HCl. Como se tiene un exceso de HCl (0.300 mol, el NaHCO3 es el reactivo limitante. Luego utilizamos el número de moles de NaHCO3, que es el reactivo limitante para calcular el rendimiento teórico de NaCl. 0.238 mol de NaCO3, x 1 mol de NaCl x 58.5 g NaCl = 13.9 g NaCl 1 mol de NaHCO3 1 mol de NaCl Rendimiento teórico Para hallar el rendimiento porcentual procedemos así: 12.3 g (rendimiento real) x 100% = 88.5 g 13.9 g (rendimiento teórico) Desarrolla los siguientes ejercicios l: 1. La reacción del aluminio metálico con el bromo, un no metal líquido es espontánea. Las cantidades de las sustancias que se mezclan se indican debajo de los reactivos. 2 Al + 3Br2(l) --------------- 2AlBr3 4.00 g 42.g a. ¿Qué sustancia es el reactivo limitante? b. ¿Cuál es el rendimiento teórico de AlBr3? c. Si el rendimiento real es de 32.2 g de AlBr3 ¿Cuál es el rendimiento porcentual? 2. Calcule el rendimiento teórico de AlCl3 para la reacción de 3 moles de Al en la ecuación: 2 Al + 3Cl2 ---------------- 2AlCl3 3. Cuando se agrega un trozo de fósforo a bromo líquido, la reacción es espontánea y libera calor. Las cantidades de las sustancias que se mezclan se indican debajo de los reactivos. P4 + 6Br2(l) ----------------- 4PBr3 5 g 40.5 g 4. El plomo y el ácido sulfihídrico reaccionan para producir sulfuro de plomo e hidrógeno. Escriba la ecuación balanceada. ¿Cuál es el rendimiento teórico del PbS al hacer reaccionar 0.4 g de H2S y 2.0 g Pb? Infórmate por medio de una consulta porque es importante el control de calidad en una industria. ESTRATEGIA DE APRENDIZAJE: No. 3 Sintetiza en la lectura “La fotografía” como proceso químico en la cual se utilizan cantidades exactas de reactivos; los aspectos más relevantes. LA FOTOGRAFÍA La fotografía es un proceso químico en el cual es necesario utilizar cantidades exactas de reactivos para revelar las imágenes que se toman con las cámaras. La fotografía es un procedimiento químico, es decir, para que se realice es necesaria la intervención de la luz. Se basa en la descomposición de dos compuestos químicos formados por plata y bromo o cloro; el bromuro de plata y el cloruro de plata(halogenuros). El primero es amarillo y el segundo es de color blanco; cuando incide la luz sobre ellos ambos se ennegrecen. Las películas fotográficas contienen bromuro de plata en suspensión sobre una capa de gelatina. Cuando se iluminan las películas, algunos iones de plata se transforman en átomos de plata. Este método no da lugar a un ennegrecimiento visible, por lo cual hay que someter la película a otro proceso: el revelado. Durante el revelado se obtiene un negativo en el cual los lugares que han recibido más cantidad de luz son los que aparecen más ennegrecidos. ORÍGENES DE LA FOTOGRAFÍA: La invención de la fotografía se remonta al descubrimiento de compuestos detectan y fijan la imagen generada en el interior de una cámara oscura.

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En 1800 T. Wedgwood obtuvo imágenes impresas aprovechando esta propiedad, para ello colocaba una pieza de cuero blanco impregnada en solución de nitrato de plata bajo un cristal con dibujos hechos a tinta. La luz formaba en el cuero una imagen negativa, pero como la reacción no se detenía se ennegrecía toda la pieza. El francés J.N.Niepce, fue probablemente el primero en registrar químicamente la imagen proyectada por la cámara oscura. Tomó la fotografía de un paisaje que, aunque era reconocible tenía poco detalle. EL DAGUERROTIPO: El primer procedimiento de revelado práctico fue ideado por Louis Daguerre, en 1839 publicó detalles de su técnica del Daguerrotipo, que empleaba una placa plateada pulida expuesta en una caja a los vapores de yodo hasta conseguir la formación de una capa sensible de yoduro de plata. Una exposición del yoduro de plata daba lugar a una imagen muy débil que se intensificaba por el tratamiento con vapor de mercurio. La reacción química se detenía por inmersión en solución salina para fijar la imagen. El daguerrotipo alcanzó una gran popularidad, en pocos años el perfeccionamiento del método y de los objetivos de las cámaras permitió reducir el tiempo necesario para obtener la imagen y fue posible hacer un retrato en sólo 20 segundos. EL REVELADO EN BLANCO Y NEGRO: El proceso para revelar una película en blanco y negro es el siguiente: 1. La película impresionada por la luz se mete en un líquido revelador. Este convierte en plata metálica todos los cristales de halogenuros afectados por la luz y amplifica millones de veces la imagen. 2. La película se mete en un líquido fijador que transforma los halogenuros restantes no expuestos a la luz en sales de plata, que son solubles. 3. Se realiza un lavado de la película con agua para eliminar las sales solubles. 4. Por último la película se seca al aire. 6. Fase de salida:

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12. Determine la cantidad de reactivos y producto en gramos, en cada una de las reacciones.

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