INTRODUCCIÓN A LA QUÍMICA: APUNTE DE ESTEQUIOMETRÍA Prof.: Marina Ghiglia 5º año ES En química, la estequiometría (del griego "stoicheion” (elemento) y "métrón” (medida) es el cálculo de las relaciones cuantitativas entre reactivos y productos en el transcurso de una reacción química. El primero que enunció los principios de la estequiometría fue Jeremias Benjamin Richter (17621807), en 1792. Escribió: La estequiometría es la ciencia que mide las proporciones cuantitativas o relaciones de masa en la que los elementos químicos que están implicados. Principio científico
En una reacción química se observa una modificación de las sustancias presentes: los reactivos se modifican para dar lugar a los productos. A escala microscópica, la reacción química es una modificación de los enlaces entre átomos, por desplazamientos de electrones: unos enlaces se rompen y otros otr os se forman, pero los átomos implicados se conservan. Esto es lo que llamamos la ley de conservación de la materia, que implica las dos leyes siguientes: 1.- La conservación del número de átomos de cada elemento químico 2.- La conservación de la carga total
Las relaciones estequiométricas entre las cantidades de reactivos consumidos y productos formados dependen directamente directamente de estas leyes le yes de conservación, y están e stán determinadas por la ecuación (ajustada) de la reacción. Ajustar o balancear una reacción
¿Qué significa ajustar o balancear una reacción? Una ecuación química (que es la representación escrita de una reacción química) ajustada debe respetar las leyes de conservación del número de átomos y de la carga total. Para respetar estas reglas, se pone delante de cada especie química un número llamado coeficiente estequiométrico, que indica la proporción de cada especie involucrada (se puede considerar como el número de moléculas o de átomos, o de iones o de moles; es decir, la cantidad de materia que se consume o se treansforma). Por ejemplo: En la reacción de combustión de metano (CH4), éste se combina con oxígeno molecular (O2) del aire para formar dióxido de carbono (CO2) y agua (H2O). La reacción sin ajustar (sólo representando los elementos que interactúan) será: Esta reacción no es correcta, porque no cumple la ley de conservación de la materia. Para el elemento hidrógeno (H), por ejemplo, hay 4 átomos en los reactivos (CH4) y sólo 2 en los productos (H2O). Se ajusta la l a reacción introduciendo delante de las fórmulas químicas de cada compuesto un coeficiente estequiométrico adecuado. De esta manera, si se pone un 2 delante del H 2O: se respeta la conservación para el carbono (C) y el hidrógeno (H), pero no para el oxígeno (O), situación que puede corregirse poniendo otro 2 delante de O 2 en los reactivos: y se obtiene así, finalmente, la reacción ajustada. Ésta dice que 1 molécula de metano (CH4) reacciona con 2 moléculas de oxígeno molecular (O2) para dar 1 molécula de dióxido de carbono car bono (CO2) y 2 moléculas de agua (H 2O). Si verificamos el número de átomos veremos que en ambos lados de la ecuación hay 1 átomo de carbono (C), 4 átomos de hidrógeno (H) y 4 átomos de oxígeno (O). La materia (la (l a cantidad de átomos) se ha conservado una vez terminada la reacción química.
Coeficiente estequiométrico
Es el coeficiente (un número) que le corresponde a cada especie química (elemento) en una ecuación química dada. En el ejemplo anterior: El coeficiente del metano es 1, el del oxígeno 2, el del dióxido de carbono 1 y el del agua 2. Los coeficientes estequiométricos son en principio números enteros, aunque para ajustar ciertas reacciones alguna vez se emplean números fraccionarios. En esencia lo que indica este coeficiente es el número de moléculas de cada sustancia. Mezcla/proporciones/condiciones estequiométricas
Cuando los reactivos de una reacción están en cantidades proporcionales a sus coeficientes estequiométricos se dice: • • •
La mezcla es estequiométrica; Los reactivos están en proporciones estequiométricas; La reacción tiene lugar en condiciones estequiométricas;
Las tres expresiones tienen el mismo significado. En estas condiciones, si la reacción es completa, todos los reactivos se consumirán dando las cantidades estequiométricas de productos correspondientes. Ejemplo ¿Qué cantidad de oxígeno es necesaria para reaccionar con 100 gramos de carbono produciendo dióxido de carbono? •
Masa atómica del oxígeno = 16. Masa atómica del carbono = 12. La reacción es: para formar una molécula de dióxido de carbono, hacen falta un átomo de carbono y dos de oxígeno, o lo que es lo mismo, un mol de carbono y dos mol de oxígeno. 1 mol de carbono 12 gramos de carbono
2 mol de oxígeno 2 • 16 gramos de oxígeno
100 gramos de carbono despejando x y realizadas las operaciones:
x gramos de oxígeno x = 266,6 gramos de oxígeno
Para entender la estequiometría hay que tener claridad conceptual de los siguientes términos: Elementos -----> Átomos Compuestos -----> Moléculas Reacciones Químicas (cambios químicos)
------> ------> ------->
Símbolos Fórmulas Ecuaciones Químicas
Símbolo es la representación gráfica de un elemento. El símbolo de un elemento representa no solamente su nombre, sino también un átomo o un número prefijado (“ mol”) de átomos de ese
elemento.
Fórmula es la representación gráfica de un compuesto. La fórmula de una sustancia indica su
composición química.
Ecuación Química es la representación gráfica de un cambio químico. Una reacción química
siempre supone la transformación de una o más sustancias en otra u otras; es decir, hay un reagrupamiento de átomos o iones, y se forman otras sustancias.
Peso Atómico: Se puede definir como la masa en gramos de un mol de átomos. En términos más
específicos, el peso atómico es el peso total de las masas de los isótopos naturales del elemento.
Reactivo limitante es el reactivo que en una reacción química determina, o limita, la cantidad de
producto formado.
Generalmente cuando se efectúa una reacción química los reactivos no se encuentran en cantidades estequiométricamente exactas, es decir, en las proporciones que indica su ecuación balanceada. En consecuencia, algunos reactivos se consumen totalmente, mientras que otros son recuperados al finalizar la reacción. El reactivo que se consume en primer lugar es llamado reactivo limitante, ya que la cantidad de éste determina la cantidad total de producto formado. Cuando este reactivo se consume, la reacción se detiene. El o los reactivos que se consumen parcialmente son los reactivos en exceso. Ejemplo
La ecuación balanceada para la oxidación del monóxido de carbono a dióxido de carbono es la siguiente: Si se tienen 4 moles de monóxido de carbono y 3 moles de oxígeno, ¿cuál es el reactivo limitante? Aplicando el procedimiento anterior tenemos que 2 moles CO 1mol O2 4 moles de CO x = 2 moles de O2 Como tenemos 3 moles disponibles de O 2, entonces el CO es el reactivo limitante. En efecto, cuatro moles de CO sólo necesitan dos moles de O2 para reaccionar, por lo que un mol de O 2 quedará como exceso una vez finalizada la reacción. La cantidad de producto que se suele obtener de una reacción química, puede ser menor que la cantidad teórica, esto suele depender de la pureza del El rendimiento de una reacción se calcula mediante la siguiente fórmula: Rendimiento de una reacción:
Cuando uno de los reactivos esté en exceso, el rendimiento deberá calcularse respecto al reactivo limitante. Y el rendimiento depende del calor que expone la reacción.
INTRODUCCIÓN A LA QUÍMICA: APUNTE DE GASES IDEALES Prof.: Marina Ghiglia 5º año ES Características de Gas Ideal: Se considera que un gas ideal presenta las siguientes
características: - El número de moléculas es despreciable comparado con el volumen total de un gas. - No hay fuerza de atracción entre las moléculas. - Las colisiones son perfectamente elásticas. - Evitando las temperaturas extremadamente bajas y las presiones muy elevadas, podemos considerar que los gases reales se comportan como gases ideales. Propiedades de los gases: Los gases tienen 3 propiedades características:
- Son fáciles de comprimir, - Se expanden hasta llenar el contenedor, - Ocupan mas espacio que los sólidos o líquidos que los conforman. La ecuación de estado: describe
normalmente la relación entre la presión, el volumen, la temperatura y la cantidad (en moles) de un gas ideal es:
Donde: • • • • •
P= Presión absoluta (medida en atmósferas) V= Volumen (medida en litros) n= Moles de Gas R= Constante universal de los gases ideales (R = 0,082 atm·L/(mol·K)) T= Temperatura absoluta (medida en K)
Relaciones de unidades:
Presión: 1atm = 760 mm de Hg Volumen 1 lt = 1000 ml = 1000 cm3 Moles = masa/peso molecular Temperatura = T(K) = T(ºC) + 273 CNPT: Son las condiciones normales de presión y temperatura, siguiendo los criterios de la IUPAC
(International Union of Pure and Applied Chemistry) El término "Condiciones Normales" se suele utilizar habitualmente para la medición de volúmenes de gases, correspondiéndose a: Temperatura = 0 °C (o 273,15 K) Presión = 1 atm. Volumen = 22,4 L. CEPT: Son las condistiones estandar de presión y temperatura, que corresponden a la versión del NIST (National Institute of Standards and Technology) Temperatura = 20 °C (293,15 K ) Presión = 1 bar = 100 kPa Volumen = 22,7 L
