Estequiometria y reacciones químicas
En química, la estequiometria es el cálculo de las relaciones cuantitativas entre reactivos y productos en el transcurso de una reacción química. En una reacción química se observa una modificación de las sustancias presentes: los reactivos se consumen 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 se forman, pero los átomos implicados se conservan. Esto es lo que llamamos la ley de conservación de la masa, que implica las dos leyes siguientes:
* la conservación del número de átomos de cada elemento químico
* la conservación de la carga total
Las relaciones estequiométricas entre las cantidades de reactivos consumidos y productos formados dependen directamente de estas leyes de conservación, y están determinadas por la ecuación (ajustada) de la reacción.
Una ecuación química (que no es más que la representación escrita de una reacción química) ajustada debe reflejar lo que pasa realmente en antes de comenzar y al finalizar la reacción y, por tanto, 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/átomos/iones o moles, es decir, la cantidad de materia que se consume o seforma).
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 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 y sólo 2 en los productos. Se ajusta la reacción introduciendo delante de las fórmulas químicas de cada compuesto un coeficiente estequiométrico adecuado.
De esta manera, si se pone un 2 delante del H2O:
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 O2 en los reactivos:
y se obtiene así, finalmente, la reacción ajustada.
Ésta dice que 1 molécula de metano reacciona con 2 moléculas de oxígeno para dar 1 molécula de dióxido de carbono y 2 moléculas de agua.
Método del tanteo: sirve bien cuando la reacción es simple. Consiste en fijar arbitrariamente un coeficiente e ir deduciendo los demás haciendo balances a los átomos implicados en la especie inicial. Si aparecen fracciones, se multiplican todos los coeficientes por el mcm (mínimo común múltiplo) de los denominadores. En reacciones más complejas, como es el caso de las reacciones redox, se emplea el método del ion-electrón.
Se recomienda ir balanceando siguiendo el orden: metales, no metales, hidrógenos, oxígenos.
Las reacciones oxido- reducción: (también conocidas como reacciones redox)son las reacciones de transferencia de electrones. Esta transferencia se produce entre un conjunto de elementos químicos, uno oxidante y uno reductor (una forma reducida y una forma oxidada respectivamente).
Para que exista una reacción redox, en el sistema debe haber un elemento que ceda electrones y otro que los acepte:
* El agente reductor es aquel elemento químico que suministra electrones de su estructura química al medio, aumentando su estado de oxidación, es decir; oxidándose.
* El agente oxidante es el elemento químico que tiende a captar esos electrones, quedando con un estado de oxidación inferior al que tenía, es decir; reducido.
Cuando un elemento químico reductor cede electrones al medio se convierte en un elemento oxidado, y la relación que guarda con su precursor queda establecida mediante lo que se llama un par redox. Análogamente, se dice que cuando un elemento químico capta electrones del medio se convierte en un elemento reducido, e igualmente forma un par redox con su precursor reducido.
El número de oxidación: es un número entero que representa el número de electrones que un átomo pone en juego cuando forma un enlace determinado.
* Aumenta si el átomo pierde electrones (el elemento químico que se oxida), o los comparte con un átomo que tenga tendencia a captarlos.
* Disminuye cuando el átomo gana electrones (el elemento químico que se reduce), o los comparte con un átomo que tenga tendencia a cederlos.
Reglas para asignar el número de oxidación:
* El número deoxidación de un elemento sin combinar es cero.
* El número de oxidación del hidrógeno combinado es +1, excepto en los hidruros, donde su número de oxidación es –1.
* El número de oxidación del oxígeno combinado es –2, excepto en los peróxidos, donde su número de oxidación es –1.
* El número de oxidación en los elementos metálicos, cuando están combinados es siempre positivo y numéricamente igual a la carga del ion.
* El número de oxidación de los halógenos en los hidrácidos y sus respectivas sales es –1, en cambio el número de oxidación del azufre en su hidrácido y respectivas sales es –2.
* El número de oxidación de una molécula es cero.
La valencia: es una medida de la cantidad de enlaces químicos formados por los átomos de un elemento químico. A través del siglo XX, el concepto de valencia ha evolucionado en un amplio rango de aproximaciones para describir el enlace químico, incluyendo estructura de Lewis (1916), la teoría del enlace de valencia (1927), la teoría de los orbitales moleculares (1928), la teoría de repulsión de pares electrónicos de la capa de valencia (1958) y todos los métodos avanzados de química cuántica.
CALCULOS QUÍMICOS
El reactivo limitante es aquel que en una reacción química, se acaba antes y determina la cantidad de producto o productos obtenidos. La reacción depende del reactivo limitante (o R.L.), pues, según la ley de las proporciones definidas, los demás reactivos no reaccionarán cuando uno se haya acabado.
Cuando se ha balanceado una ecuación, loscoeficientes representan el número de átomos de cada elemento en los reactivos y en los productos. También representan el número de moléculas y de moles de reactivos y productos.
El reactivo en exceso son los reactivos presente en mayor cantidad durante una reacción química los cuales sirven para hacer reaccionar en su totalidad el reactivo limitante q por cualquier razón se encuentra en menor proporción ya sea por su escases o su costo económico
Rendimiento de una reacción: es la cantidad de producto que se suele obtener de una reacción química, es menor que la cantidad teórica. Esto depende de varios factores, como la pureza del reactivo, las reacciones secundarias que puedan tener lugar, etc.
El rendimiento de una reacción se calcula mediante la siguiente fórmula:
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
Disoluciones
En química, una disolución es una mezcla homogénea, la cual a nivel molecular o iónico de dos o más especies químicas no reaccionan entre sí; cuyos componentes se encuentran en proporción que varía entre ciertos límites. Toda disolución está formada por un soluto y un medio dispersante denominado disolvente. También se define disolvente cómo la sustancia que existe en mayor cantidad que el soluto en la disolución y en la cual se disuelve el soluto. Si ambos, soluto y disolvente, existen en igual cantidad (como un 50% de etanol y 50% de agua en una disolución), lasustancia que es más frecuentemente utilizada como disolvente es la que se designa como tal (en este caso, el agua). Una disolución puede estar formada por uno o más solutos y uno o más disolventes. Una disolución será una mezcla en la misma proporción en cualquier cantidad que tomemos (por pequeña que sea la gota), y no se podrán separar por centrifugación ni filtración.
Se distingue de una suspensión, que es una mezcla en la que el soluto no está totalmente disgregado en el disolvente, sino dispersado en pequeñas partículas. Así, diferentes gotas pueden tener diferente cantidad de una sustancia en suspensión. Mientras una disolución es siempre transparente, una suspensión presentará turbidez, será traslúcida u opaca. Una emulsión será intermedia entre disolución y suspensión.
Clasificación de las disoluciones:
Por su estado de agregación:
Sólidas
* Sólido en Sólido: Cuando tanto el soluto como el solvente se encuentran en estado sólido. Un ejemplo claro de éste tipo de disoluciones son las aleaciones, como el Zinc en el Estaño (tupac).
* Gas en Sólido: Como su definición lo dice, es la mezcla de un gas en un sólido. Un ejemplo puede ser el Hidrógeno (g) en el Paladio(s).
* Líquido en Sólido: Cuando una sustancia líquida se disuelve junto con un sólido. Las Amalgamas se hacen con Mercurio (l) mezclado con Plata(s).
Líquidas
* Sólidos en Líquidos: Este tipo de disoluciones es de las más utilizadas, pues se disuelven por lo general pequeñas cantidades de sustancias sólidas (solutos) engrandes cantidades líquidas (solventes). Ejemplos claros de este tipo son la mezcla del Agua con el Azúcar, también cuando se prepara un Té, o al agregar Sal a la hora de cocinar.
* Gases en Líquidos: Un ejemplo es cuando se agrega Oxígeno en Agua.
* Líquidos en Líquidos: Este es otra de las disoluciones más utilizadas. En prácticas de química por ejemplo, se han realizado mezclas de Alcohol con Agua para comprobar su densidad; después de mezclarlas, un método para volverlas a separar es por destilación.
Gaseosas *
* Sólidos en Gases: Existen infinidad de disoluciones de este tipo, pues las podemos encontrar en la contaminación al estudiar los componentes del humo por ejemplo, se encontrará que hay varios minerales disueltos en gases.
* Gases en Gases: De igual manera, existe una gran variedad de disoluciones de gases con gases en la atmósfera, como el Oxígeno en Nitrógeno.
* Líquidos en Gases: Este tipo de disoluciones se encuentran en las nieblas.
Por su concentración
Disoluciones Empíricas
También llamadas disoluciones cualitativas, esta clasificación no toma en cuenta la cantidad numérica de soluto y disolvente presentes, y dependiendo de la proporción entre ellos se clasifican como sigue:
* Disolución diluida: Es aquella en donde la cantidad de soluto que interviene está en mínima proporción en un volumen determinado.
* Disolución concentrada: Tiene una cantidad considerable de soluto en un volumen determinado.
* Disolución insaturada: No tiene la cantidad máximaposible de soluto para una temperatura y presiones dadas.
* Disolución saturada: Tienen la mayor cantidad posible de soluto para una temperatura y presión dadas. En ellas existe un equilibrio entre el soluto y el solvente.
* Disolución sobresaturada: Tienen más soluto del máximo posible para una solución saturada, lo cual puede suceder en ciertas circunstancias. Si se calienta una disolución saturada y se le puede agregar más soluto, y esta solución es enfriada lentamente y no se le perturba, puede retener ese soluto en exceso. Sin embargo, son sistemas inestables, con cualquier perturbación, este soluto en exceso se precipitará y la solución quedará saturada.
Disoluciones Valoradas
A diferencia de las disoluciones empíricas, las disoluciones valoradas cuantitativas, sí toman en cuenta las cantidades numéricas exactas de soluto y solvente que se utilizan en una disolución. Este tipo de clasificación es muy utilizada en el campo de la ciencia y la tecnología, pues en ellas es muy importante una alta precisión.
Las medidas más utilizadas para expresar la concentración de las disoluciones cuantitativas son:
* Molaridad
* Normalidad
* Partes por millón (p.p.m.)
* Porcentaje (masa-masa, volumen-volumen, y masa-volumen)
UNIDADES FÍSICAS
-% masa/masa (% m/m): expresa la cantidad de gramos de soluto que existen por cada 100 gramos de disolución
-% masa/volumen (% m/V): expresa la cantidad en gramos de soluto que hay por cada 100 cm3 de disolución
-% volumen/ volumen: expresa lacantidad de cm3 de soluto que hay por cada 100 cm3 de disolución
Concentración en g/L: expresa la cantidad en gramos de soluto que hay por cada litro de disolución
UNIDADES QUÍMICAS
-Concentración en mol/L: (molaridad) La concentración en mol/L expresa la cantidad de moles de soluto que hay por cada decímetro cúbico (dm3) de disolución; o la cantidad de milimoles (mmol) de soluto por cada centímetro cúbico de la disolución, (1 mol = 1000 mmol).
-Concentración en equivalente-gramo/litro: expresa la cantidad de equivalentes gramos de soluto por cada litro de disolución, o miliequivalentes-gramos por cada centímetro cúbico de disolución.
-MOLALIDAD: expresa la cantidad en moles de soluto que se encuentran por cada kilogramo de disolvente. Se representa con la letra m.
-FRACCION MOLAR: expresa la cantidad de moles de cada componente en relación a la totalidad de los moles de la disolución
-CÁLCULO DEL PESO EQUIVALENTE: Para calcular el peso equivalente de una sustancia se debe considerar si la misma es un ácido, una base o hidróxido, una sal o un elemento
ESTADOS DE AGREGACION DE LA MATERIA
La materia se nos presenta en muchas fases o estados, todos con propiedades y características diferentes:
-Fase Sólida,
-Fase Líquida,
-Fase Gaseosa,
En física y química se observa que, para cualquier cuerpo o estado material, modificando las condiciones de temperatura y/o presión, pueden obtenerse distintos estados o fases de agregación, denominados estados de agregación de la materia, relacionadas con lasfuerzas de unión de las partículas (moléculas, átomos o iones) que constituyen la materia.
Los cambios de estado descritos también se producen si se incrementa la presión manteniendo constante la temperatura. Para cada elemento o compuesto químico existen determinadas condiciones de presión y temperatura a las que se producen los cambios de estado, debiendo interpretarse, cuando se hace referencia únicamente a la temperatura de cambio de estado, que ésta se refiere a la presión de la atm. (La presión atmosférica). De este modo, en "condiciones normales" (presión atmosférica, 0 °C) hay compuestos tanto en estado sólido como líquido y gaseoso (S, L y G).
Cambio de estado: es la evolución de la materia entre varios estados de agregación sin que ocurra un cambio en su composición. Los tres estados básicos son el sólido, el líquido y el gaseoso.
Los dos parámetros de los que depende que una sustancia o mezcla se encuentre en un estado o en otro son: temperatura y presión. La temperatura es una medida de la energía cinética de las moléculas y átomos de un cuerpo. Un aumento de temperatura o una reducción de la presión favorecen la fusión, la evaporación y la sublimación, mientras que un descenso de temperatura o un aumento de presión favorecen los cambios opuestos.
* La fusión es el cambio de estado de sólido a líquido. Por el contrario la solidificación es el cambio inverso, de líquido a sólido.
* La vaporización es el cambio de estado de líquido a gas. Contrariamente la licuación o condensación es elcambio inverso, de gas a líquido.
* La sublimación es el cambio de estado de sólido a gas, y el cambio inverso recibe el nombre de sublimación regresiva.
El diagrama PVT : es la representación en el espacio tridimensional Presión - Volumen específico - Temperatura de los estados posibles de un compuesto químico.
Estos estados configuran en el espacio PVT una superficie discontinua, debiéndose las discontinuidades a los cambios de estado que sufre el compuesto al variarse las condiciones de presión y temperatura, que son las variables que suelen adoptarse como independientes en los estudios y cálculos termodinámicos, principalmente por la relativa sencillez de su medida.
Las superficies delimitan las zonas de existencia de la fase sólida, la fase líquida y la fase gaseosa.
Nótese que para una fase dada P, V y T están relacionados por la ecuación de estado (tal como la ecuación de los gases perfectos o la ley de deformación elástica para los sólidos). Existe un cuarto parámetro, n, la cantidad de sustancia, responsable de que no existan zonas prohibidas en el diagrama variando simultáneamente P, V y T.
Diagrama de fase: es la representación gráfica de las fronteras entre diferentes estados de la materia de un sistema, en función de variables elegidas para facilitar el estudio del mismo. Cuando en una de estas representaciones todas las fases corresponden a estados de agregación diferentes se suele denominar diagrama de cambio de estado.
En ciencia de materiales se utilizan ampliamente los diagramasde fase binarios, mientras que en termodinámica se emplean sobre todo los diagramas de fase de una sustancia pura.
Un típico diagrama de fase. La línea de puntos muestra el comportamiento anómalo del agua. La línea verde marca el punto de congelación y la línea azul, el punto de ebullición. Se muestra cómo varían con la presión.
Equipos para medir la presión.
* barómetro
* manómetro
* tubo de Pitot (utilizado para determinar la velocidad)
* anemómetro (utilizado para determinar la velocidad del viento)
Un barómetro es un instrumento que mide la presión atmosférica. La presión atmosférica es el peso por unidad de superficie ejercida por la atmosfera
Los barómetros son instrumentos fundamentales para medir el estado de la atmósfera y realizar predicciones meteorológicas. Las altas presiones se corresponden con regiones sin precipitaciones, mientras que las bajas presiones son indicadores de regiones de tormentas y borrascas.
La unidad de medida de la presión atmosférica que suelen marcar los barómetros se llama hectopascal, de abreviación (hPa).
Un manómetro es un aparato de medida que sirve para medir la presión de fluidos contenidos en recipientes cerrados. Existen, básicamente, dos tipos: los de líquidos y los de gases.
El tubo de Pitot, inventado por el ingeniero francés Henri Pitot en 1732, sirve para calcular la presión total, también llamada presión de estancamiento, presión remanente o presión de remanso (suma de la presión estática y de la presión dinámica).
El anemómetro esun aparato meteorológico que se usa para la predicción del tiempo y, específicamente, para medir la velocidad del viento.(No siempre es exacto a menos que sea un anemómetro digital).
Medidas de presión.
* La presión absoluta mide con relación al cero absoluto de presión
* La presión atmosférica es la presión ejercida por la atmosfera terrestre medida mediante un barómetro. A nivel del mar, esta presión es próxima a 760 mm (29,9 pulgadas) de mercurio absolutas o 14,7 psia (libras por pulgada cuadrada absolutas) y estos valores definen la presión ejercida por la atmosfera estándar.
* La presión relativa es la determinada por un elemento que mide la diferencia entre la presión absoluta y la atmosférica del lugar donde se efectúa la medición (punto B de la figura). Hay que señalar que al aumentar o disminuir la presión
* atmosférica, disminuye o aumenta respectivamente la presión leída (puntos
* (B yB'), si bien ello es despreciable al medir presiones elevadas.
* La presión diferencial es la diferencia entre dos presiones, puntos C y C'. El vacío es la diferencia de presiones entre la presión atmosférica existente y la presión absoluta, es decir, es la presión medida por debajo de la atmosférica (puntos D, D' y D"). Viene expresado en mm columna de mercurio, mm columna de agua o pulgadas de columna de agua. Las variaciones de la presión atmosférica influyen considerablemente en las lecturas del vacío.
Temperatura de mezclas frigoríficas
Supongamos que se parte de agua pura que seenfría, no importa ahora por qué mecanismo. El enfriar significa extraer energía de líquido, concretamente, energía cinética de sus moléculas. Cuando se alcanza los 0 ºC, a 1 atm, empiezan a producirse cristales de hielo. Si se continua extrayendo calor las moléculas de agua que se van ralentizando chocan con el hielo y se incorporan al cristal (no se olvide que la temperatura representa una medida promedio de la energía cinética molecular). Sin embargo, en estas condiciones, algunas de las moléculas del cristal de hielo se liberan y vuelven al líquido.
Existe pues un estado de equilibrio y la temperatura permanece constante. En algunos casos, por ejemplo si se enfría muy lentamente, es posible bajar del punto de congelación sin que se forme hielo, es el subenfriado (se trata de un estado metaestable), existe un equilibrio entre sólido y liquido. Cuando prácticamente toda el agua se ha solidificado continúa el descenso de la temperatura, pero ahora el calor específico ha cambiado de valor, ha pasado, aproximadamente, de 1 cal/ºC g (el del agua) a 0,5 cal/ºC g (el del hielo).
Si en el seno del líquido hay una sal soluble, por ejemplo cloruro de sodio, que es el componente mayoritario de la sal común, parte de ésta se disuelve en el líquido que rodea el hielo formando una disolución saturada que ya no está en equilibrio con el hielo debido a su menor presión de vapor (debido a que algunas moléculas de agua están atraídas por los iones que provienen de la sal). Para alcanzar el equilibrio la disolución tiende adiluirse y el hielo a enfriarse, lo que se logra por fusión parcial de hielo que extrae el calor necesario enfriando el sistema, sobre todo debido al calor latente de fusión (y también en mucho menor grado, al de disolución), como el sistema esta abierto en contacto por una parte con la masa a helar y por otra parte con el medio, se produce una extracción de calor de ambos. Como las paredes de la heladera son malas conductoras del calor, la mayor parte se extrae de la mezcla a helar, a través de las paredes metálicas del recipiente.
Evidentemente, como la sal está en exceso, continúa disolviéndose en el agua de fusión con lo que el proceso no se estabiliza hasta que se alcanza el equilibrio entre la disolución saturada, el hielo, y la sustancia soluble en exceso.
El papel de la sal puede explicarse del siguiente modo. En ausencia de la sal hay un equilibrio entre las moléculas de agua líquida y las el hielo, de modo que ambas velocidades, de congelación y fusión se igualan. La presencia de iones Na+ y Cl- hace que algunas moléculas de agua, debido a su carácter dipolar se unan a ellos formando una agregado. Se dice entonces que los iones están solvatados. Estos racimos también chocan con el hielo, pero no se quedan en él, en suma, la velocidad de congelación es menor y el equilibrio se destruye. En consecuencia, debido a que la velocidad de fusión no cambia, el hielo en términos netos funde, lo que trae como consecuencia, por una parte un descenso de la temperatura, por otro una disminución de laconcentración de la disolución. Si se agota el soluto libre se alcanzará un nuevo equilibrio pero a una temperatura inferior a cero, si no la temperatura seguirá descendiendo hasta el punto eutéctico.
En cualquier caso, el sistema no está aislado y habrá un paso de calor, principalmente del helado, en consecuencia el hielo continuará fundiendo para compensar el efecto.
Baños líquidos
Se usan normalmente para calibraciones de alta exactitud, para calibración de termómetros de líquidos en vidrio e incluso en termómetros cuyas formas geométricas sean un poco caprichosas. Por su alta estabilidad y uniformidad son la opción perfecta en calibraciones donde se requiere de una incertidumbre baja. Existen una gran variedad de baños que permiten que algunos sean portátiles (microbaños) o que sean semiportátiles (baños compactos).
Características:
-Alta exactitud
-Adaptable a distintos diámetros y profundidades de inmersión de termómetros
-Cambios lentos de temperatura
-Requiere de termómetros de referencia externa.
Tabla de presión de vapor de agua a diferentes temperaturas.
Temperatura " presión " temperatura " Presión "
05101520253035 " 4.586.549.2112.7917.5423.831.842.2 " 40455060708090100 " 55.371.992.5149.4234355526760 "
UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO
FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES ZARAGOZA
INGENIERÍA QUÍMICA
Alumno:
Hernández Morales Heriberto
Grupo: 3154
Mesa: 2
Laboratorio de ciencia básica 1
Profesor(a):
Zula Genny Sandoval Villanueva
Reporte de Investigación