U1 T4. Fórmula empírica y molecular.Composición centesimal

Flickr. Por Azote. Lic. CC.

¿Sabes lo que significa alguna de estas siglas: CR7, 11M,A92 o R5? Seguro que te has dado cuenta en seguida deque CR7 se refiere a Cristiano Ronaldo y al número de sucamiseta en el Real Madrid; 11M representa la fatídicafecha de los atentados de Madrid; A92, la autovía quecruza Andalucía y que se construyó para la ExposiciónUniversal de Sevilla de 1992; y R5 simboliza al Renault 5,un pequeño y elegante coche muy popular en los años 70y 80 del siglo pasado. Como ves, las siglas son unconjunto de caracteres con un significado propioconstruido con las iniciales de algunas palabras y quepueden incluir también números. Las anterioresrepresentan a un jugador de fútbol, a un atentadoterrorista, a una obra pública y a un modelo de coche.

Pues bien, algo parecido ocurre con las fórmulas químicas ya que contienen letras ynúmeros, y representan de manera abreviada a una sustancia pura.

Molécula de agua D.Públ

Sabes que el agua es una sustanciaformada por moléculas cuya fórmula esH2O. Pero, ¿qué significado tiene dicha

fórmula? Seguro que respondes a estapregunta diciendo que el agua estáformada por los elementos hidrógeno yoxígeno, y que en cada molécula deagua se unen dos átomos de hidrógenoa un átomo de oxígeno.

Pues exactamente esa es la informaciónque podemos extraer de la fórmula de una sustancia molecularcomo el agua: es una expresión que indica los elementosquímicos que forman una sustancia (que se representan mediante sus símbolos), y el número deátomos de esos elementos que hay en una molécula, (que se indican mediante subíndices que seescriben a la derecha del símbolo del elemento y que tienen que ser números enteros mayores quecero).

Pero como hemos visto en el tema anterior, no todas las sustancias están formadas por moléculas,en muchas sustancias sólidas millones de átomos están ordenados en el espacio formando redes ocristales. En los cristales no existen moléculas y la fórmula química indica la relación en la que seencuentran los átomos de los elemento en la red. Así, la fórmula del cloruro de sodio (NaCl) indicaque en la red cristalina, por cada átomo de sodio hay un átomo de cloro.

En este tema vas a aprender a diferenciar entre fórmula empírica y fórmula molecular, a hallardichas fórmulas a partir de datos experimentales obtenidos en los laboratorios, y a calcular lacomposición centesimal de un compuesto.

Curiosidad

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Cristal NaCl Dominio Público

En una molécula de amoníaco (NH3) hay átomo de nitrógeno y átomos de

hidrógeno.

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Rellena los espacios en blanco con los números adecuados.

AV - Actividad de Espacios en Blanco

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1. Fórmula empírica y molecular

Partículas de Dalton Dominio Público

Habrás oído hablar de la alquimia. Fue unapráctica desarrollada por distintascivilizaciones desde la antigüedad hastafinales del siglo XVI, que combinabadistintas artes: química, medicina, física,astrología, magia, etc. Los alquimistas,que buscaban con ahinco la piedra filosofalpara poder transformar otros metales enoro y para fabricar el elixir de la largavida, ya utilizaban símbolos pararepresentar las sustancias que conocían.

Posteriormente Dalton (1808), que comoviste en el primer tema fue el padre de laprimera teoría atómica con una baseexperimental, propuso utilizar círculos enlos que incluía trazos y letras pararepresentar a los elementos, y así podercombinar el número adecuado de estos círculos para representar a los compuestos.

Poco después Berzelius (1814) suprimió los círculos y propuso designar a loselementos con la letra inicial de su nombre en latín, y la segunda letra si eranecesario. Una vez establecidos los símbolos de los elementos se pudo empezar arepresentar la composición química de los compuestos mediante fórmulas muysimilares a las que utilizamos actualmente. De esta manera se adoptó un lenguajecomún para todos los estudiosos de la química, que es universal y fácil de entender.

Wikimedia Armando-Martin CC

Hemos visto en los temas anteriores que las sustancias puras están formadas por entidadeselementales que pueden ser átomos (He, Ne,...), moléculas (O

2, CO

2, NH

3,...) o cristales (NaCl,

SiO2,...

).

Pues bien, una formula química es una expresión que representa a las sustancias constituidas pormoléculas o por cristales, indicando su composición química, es decir, los elementos que la forman,mediante sus símbolos, y la proporción entre el número de átomos de dichos elementos, mediantesubíndices que se escriben a la derecha de cada elemento (para simplificar se omite el subíndice 1).

Vamos a ver la diferencia entre la fórmula empírica y la fórmulamolecular de un compuesto con un ejemplo:

El peróxido de hidrógeno es una sustancia formada por moléculas enlas que se unen dos átomos de oxígeno y dos átomos de hidrógeno.

Por tanto, su fórmula molecular sera H2O

2. Como ves, la fórmula

molecular indica el número de átomos de cada elemento que formanuna molécula.

La fórmula empírica, en cambio, indica la relación más sencillaentre el número de átomos de los distintos elementos que forman uncompuesto. En el peróxido de hidrógeno, por cada átomo de H hayun átomo de O, y su fórmula empírica será HO.

Curiosidad

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Solo podemos asignar una fórmula molecular a los compuestos que están formados por moléculas.

Vamos a ver algunos ejemplos:

SUSTANCIA TIPO DE PARTÍCULAS FÓRMULA MOLECULAR FÓRMULA EMPÍRICA

Dioxígeno moléculas O2 O

Amoníaco moléculas NH3

NH3

Cloruro de sodio cristales - NaCl

Etino moléculas C2H2 CH

Benceno moléculas C6H6 CH

Si te fijas en el etino y el benceno observarás que tienen distinta fórmula molecular pero la mismafórmula empírica. La fórmula molecular es un múltiplo de la fórmula empírica. Por ejemplo, lafórmula molecular del benceno es seis veces su fórmula empírica.

La fórmula empírica de un compuesto indica la proporción más sencilla entre elnúmero de átomos de los distintos elementos que lo forman.

La fórmula molecular expresa el número de átomos de cada elemento que formanuna molécula. La formula molecular de una sustancia pura puede coincidir con sufórmula empírica o ser un múltiplo de ella.

La fórmula empírica de un compuesto orgánico es C2H4O. Si su masa molecular es 88

u, Indica cuál es su fórmula molecular.

C2H4O

C4H8O2

CH2O

C2H4O2

¿Qué representamos con la fórmula H2O?

A un nivel no observable A un nivel observable

Una molécula de aguaUna sustancia pura llamadaagua Un mol de agua

Importante

AV - Pregunta de Elección Múltiple

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Flickr. Aitor Agirregabiria. Lic Creative C. 1 mol de agua Imagen propia

Una fórmula química se puede interpretar de distintas maneras:

- A un NIVEL NO OBSERVABLE (que no podemos ver) representa a una molécula e indica elnúmero de átomos de cada elemento que la forman, o la relación entre el número de átomos de losdistintos elementos que forman un cristal. Por ejemplo, HNO

3 representa a una molécula de ácido

nítrico e indica que está formada por la unión de un átomo de hidrógeno, un átomo de nitrógeno ytres átomos de oxígeno; y NaCl indica que en un cristal de cloruro de sodio, por cada átomo de sodiohay un átomo de cloro.

- A un NIVEL OBSERVABLE representa:

A una sustancia pura. Por ejemplo, H2O representa al agua, una sustancia muy conocida por

nosotros e imprescindible para la vida.A un mol de dicha sustancia, indicando los moles de los distintos elementos contenidos en él.

Por ejemplo, CO2 representa a un mol de dióxido de carbono, es decir, a 44 g de CO

2, e indica

que en ese mol hay 1 mol de átomos de carbono (12 g) y 2 moles de átomos de oxígeno (2 x 16g = 32 g).

FÓRMULAS ESTRUCTURALES

La fórmula molecular indica el número de átomos de cada elemento que forman una molécula, perono nos da información de cómo están estos unidos entre sí.Para ello se utilizan, sobre todo en química orgánica, las fórmulas estructurales, que muestran elorden en el que se unen los átomos y el tipo de enlace que se produce entre ellos (como veremosmás adelante, los átomos de una molécula se pueden unir por enlaces simples, dobles o triples).

En las fórmulas estructurales de los compuestos orgánicos se pueden indicar los enlaces entre todoslos átomos (fórmulas desarrolladas) o sólo los enlaces entre los átomos de carbono (fórmulassemidesarrolladas):

CompuestoFórmula

molecularFórmula desarrollada

Fórmulasemidesarrollada

metano CH4 —

butano C4H10

CH3-CH

2-CH

2-CH

3

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etanol C2H6O

CH3-CH

2OH

eteno C2H4

CH2=CH

2

etino C2H2

CH≡CH

La mayoría de las moléculas son tridimensionales y las fórmulas estructurales no nosproporcionan información a cerca de cómo están dispuestos en el espacio los distintosátomos que forman la molécula. Para entender mejor la estructura de las moléculas ycómo tienen lugar las transformaciones químicas, se utilizan desde hace muchotiempo las fórmulas en perpestiva, las proyecciones en un plano y los modelosmoleculares de distinto tipo, que indican gráficamente la geometría de la molécula;es decir, cómo se disponen en el espacio los distintos átomos, los ángulos que formanlos distintos enlaces y la distancia relativa entre los átomos que forman estos enlaces.

Hoy en día existen numerosos programas informáticos que generan modelosmoleculares que se pueden girar para observar las moléculas desde distintos puntosde vista.

CH4

(metano)

Fórmula molecular Fórmula en perpestiva Modelo de bolas y varillas Modelo compacto

Wikimedia. Dominio Público

Curiosidad

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Teniendo en cuenta que la masa atómica relativa del carbono es 12 u y que el Número

de Avogagro es 6,022.1023, indica cuáles de las siguientes cantidades se encuentranen una bombona que contiene 200 moles de butano (C

4H10):

200 moléculas de butano.

2000 moles de átomos de hidrógeno.

9600 gramos de carbono.

200 x 6,022.1023 moléculas de butano.

AV - Pregunta de Elección Múltiple

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2. Composición centesimal

Aparato para Análisis elemental. Scai. UMA.

En los laboratorios de química se puedenobtener los porcentajes en masa de loselementos que forman un compuesto,siguiendo distintos procedimientos deanálisis. A partir de estos porcentajes,como veremos en el último apartado deltema, se puede calcular la fórmula delcompuesto. Esta información es muy útilporque a partir de ella podemosidentificar a una sustancia desconocida, oconfirmar que hemos obtenido en ellaboratorio un compuesto determinado.

Scai. Universidad de Málaga

La composición centesimal indica el porcentaje enmasa de cada elemento en un compuesto.Cuando decimos que la composición centesimaldel CO

2 es 27,3% en carbono y 72,7% en

oxígeno, queremos indicar, por ejemplo, que en100 gramos del compuesto hay 27,3 gramos decarbono y 72,7 gramos de oxígeno; o bien, queen una tonelada de CO

2 hay 27,3 toneladas de C

y 72,7 tonelades de O; etc. Es decir, lacomposición centesimal indica las unidades de

masa de cada elemento que hay en 100 unidades de masa del compuesto.

La composición centesimal de un compuesto indica el porcentaje en masa de suselementos. Es decir, las unidades de masa de cada elemento que hay en 100 unidadesde masa del compuesto.

Curiosidad

Importante

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Al analizar una muestra de un compuesto se obtiene que está formado por azufre yoxígeno, y que contiene un 50,1% en masa de azufre.

¿Cuál será el porcentaje en masa de oxígeno en el compuesto?

Monóxido de carbono

Dióxido de carbono

Detector de CO de un garaje. Dominio PúblicoComo ves, una molécula dedióxido de carbono (CO

2) tiene un

átomo de oxígeno más que unamolécula de monóxido de carbono (CO). Por tanto, el porcentaje en masa de oxígenoserá mayor en el primer compuesto que en el segundo.

Por eso, cuando se queman combustibles de carbono (gasolina, carbón, madera, gas,etc) en un ambiente con la suficiente cantidad de oxígeno, se produce dióxido decarbono; pero si la cantidad de oxígeno es insuficiente, se forma monóxido de carbonoque es un gas tóxico muy peligroso. ¿Sabes por qué?

Has estudiado que la hemoglobina de los glóbulos rojos se encarga de transportar eloxígeno que respiramos desde los pulmones a las células de nuestro cuerpo.

Pues bien, cuando inhalamos monóxido de carbono, es absorbido por los pulmones yse une a la hemoglobina, impidiendo que esta pueda transportar todo el oxígenonecesario para que los tejidos puedan mantenerse vivos, produciéndose elenvenenamiento por CO que puede provocarnos la muerte.

La combustión incompleta de dichos combustibles se puede producir, por ejemplo, enun automóvil arrancado en un garaje sin ventilación, en los aparatos domésticos(estufas, calentadores, hornillas, etc) que utilizan gas, carbón o leña, si no estáncorrectamente instalados, fallan en su funcionamiento o no tienen una ventilaciónadecuada. Por eso es muy importante revisar periódicamente estos aparatos.

Curiosidad

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3. Cálculo de la composición centesimal apartir de la fórmula

Imagen propia

Como ya hemos indicado, la composicióncentesimal de una sustancia se puede obtener enel laboratorio por distintos procedimientos, y apartir de estos datos se puede hallar su fórmula.

Pero si conocemos de antemano la fórmulaempírica o molecular de un compuesto, podemoshallar su composición centesimal mediante unsencillo cálculo matemático.

La fórmula molecular (o la unidad fórmula) nosindica, como hemos visto, la relación entre elnúmero de átomos o el número de moles de cadaelemento del compuesto.

Así, en 1 mol de H2SO

4 (2x1 g + 32 g + 4x16 g

= 98 gramos) hay 2 moles de H (2 x 1 g = 2 g),1 mol de S (32 g) y 4 moles de O (4 x 16 g = 64g).

Como sabes desde hace mucho tiempo, dividir es repartir. Si, por ejemplo, queremos repartir 20canicas entre 5 niños, tendremos que dividir 20 entre 5 para saber las canicas que le corresponden acada uno de los niños. Pues de la misma manera, si dividimos 2 g de hidrógeno entre 98 g de H

2SO

4,

obtenemos los gramos de hidrógeno que corresponden a cada gramo del compuesto. Ahoratendremos que multiplicar por 100 para calcular la masa de hidrógeno en 100 gramos de H

2SO

4.

Pues así vamos a calcular el porcentaje de cada uno de los elementos que forman el compuesto:

Para calcular el tanto por ciento en masa de un elemento en un compuestorealizaremos la siguiente operación:

En "masa del compuesto" pondremos su masa molar y en "masa del elemento", lamasa del elemento en cuestión en un mol del compuesto.

Importante

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Halla la composición centesimal del nitrato de potasio (KNO3).

Masas atómicas: K= 39,1 u; N = 14,0 u; O = 16,0 u.

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4. Cálculo de la fórmula a partir de lacomposición centesimal

RECUERDAYa sabes que los subíndices que están a la derecha de lossímbolos de los elementos en la fórmula empírica de uncompuesto, indican la proporción entre el número deátomos o entre el número de moles de los elementos quelo forman, ya que ambas coinciden. Por ejemplo, CaCO

3

es la fórmula del carbonato de calcio e indica que porcada átomo de calcio, hay un átomo de carbono y tresátomos de oxígeno. Pero también indica que en cualquiermuestra de dicho compuesto hay 1 mol de Ca y 1 mol deC por cada 3 moles de O.

Entonces, para calcular lafórmula empírica de uncompuesto del queconocemos el porcentaje enmasa de los elementos quelo forman, nos bastaría conhallar la proporción entre elnúmero de moles de losdistintos elementos en unacantidad cualquiera delcompuesto, por ejemplo,en 100 gramos (la fórmulatiene que ser la misma,independientemente de lamasa de sustancia quetomemos), y expresarla enforma de números enterosy sencillos.

Lo entenderás mejor conun ejemplo:

Vamos a calcular la fórmulaempírica de un compuestocuya composición en masaes del 36% en aluminio y64% en azufre:

Si suponemos quetenemos 100 gramos del compuesto, los porcentajes en masa indicarán los gramos de cadaelemento en esos 100 gramos. Habrá 36 g de Al y 64 g de S.Utilizando la masa atómica de cada elemento, podemos transformar su masa en número de

moles. De esta manera hallamos la relación entre el número de moles de los distintos elementos,pero seguramente no estará expresada en forma de números enteros y sencillos:

Por cada 1,33 moles de aluminio habrá 2,00 moles de azufre.

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Para expresar la relación anterior en forma de números enteros y sencillos, dividimos elnúmero de moles de cada elemento entre el número de moles menor de todos ellos.

Relación de moles:

moles Al = 1,33 mol / 1,33 mol = 1

moles S = 2 mol / 1,33 mol = 1,5

Es posible que, aún así, no se obtenga una relación de números enteros, y tengas quemultiplicar por un número sencillo para conseguirlo. En el ejemplo, vemos que una relación demoles de 1 mol de Al por 1,5 moles de S, es lo mismo que decir que por cada 2 moles de Al hay3 moles de S. Por tanto, tenemos que multiplicar ambas cantidades por 2:

Relación de moles:

moles Al = 1 x 2 = 2

moles S = 1,5 x 2 = 3

La fórmula empírica del compuesto será, por tanto, Al2S

3

Halla la fórmula empírica de una sal de cobre sabiendo que su composición centesimales 20.06% de S, 40,12% de O y el resto de Cu.Datos. Masas atómicas relativas: S = 32,06 u; O = 16,00 u; Cu = 63,54 u.

Ya vimos que la fórmula molecular puede coincidir con la fórmula empírica o ser un múltiplo deella. En este caso, para hallar la fórmula molecular multiplicaremos la fórmula empírica por unnúmero entero "n", que será el cociente de dividir la masa molecular entre la masa de la fórmulaempírica. En el butano, por ejemplo, la fórmula empírica es C

2H5 y su masa molecular es 58 u. Como

la masa de la fórmula empírica es 29 u, es evidente que tendremos que multiplicar por 2 (n= 58u/29 u = 2) la fórmula empírica para obtener la molecular:

Fórmula molecular del butano = (C2H5)2 = C

4H10

Importante

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múltiplo de ella.

Fórmula molecular = (Fórmula empírica)n

n = masa molecular / masa fórmula empírica

Si n=1, la fórmula empírica y molecular coinciden.

Al analizar un compuesto orgánico resultó que contenía 64,80% de C, 13,61 % de H yel resto de oxígeno. Si su masa molecular es 74 u, calcula:

a) Su fórmula empírica.b) Su fórmula molecular.

Datos. Masas atómicas relativas: C = 12 u; H = 1 u; O = 16 u.

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