Química-básica-Semestre-I-Taller Química-básica-Semestre-I-Taller-4-Reaccione -4-Reacciones: s: Balanceo de ecuaciones estequiométricos, estequiométri cos, reactivo límite y porcentaje de rendimiento de una reacción
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inspección
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BALANCEO POR INSPECCIÓN O TANTEO Es necesario balancear las ecuaciones, debido a que es indispensable cumplir con la ley de la conservación de la masa, por lo que a lado y lado de una ecuación debemos tener las mismas cantidades, ya sea de masa, de moles, de átomos o de moléculas. Por el método de inspección no hay unas reglas especificas, pero si es posible seguir un orden para obtener resultados adecuados. Ejemplo: Balancee la ecuación entre dos disoluciones acuosas de hidróxido de calcio y ácido fosfórico, que producen
fosfato de calcio sólido y agua líquida
1. 2.
3. 4. 5. 6.
Pasos: Se escriben las fórmulas correctas de reactivos y de productos. Para finalmente mediante la ecuación representar la reacción. Comenzamos a balancear. Para esto podemos iniciar por los elementos de aquel compuesto que tenga la mayor cantidad de átomos o podemos balancear elemento por elemento, o podemos tomar los iones poliatómicos que hay en cada compuesto. De acuerdo a lo anterior podemos comenzar por el elemento metal, en ese orden siguen los no metales, y por lo general los últimos en balancear son el hidrógeno y el oxígeno, Balanceamos los hidrógenos y los oxígenos. Tenga en cuenta que si el oxígeno se balanceó con el ion poliatómico, ya no será necesario balancearlo. Verificamos que todos los coeficientes son números enteros y que están en las proporciones más pequeñas posibles. Verificamos reactivos y productos.
Ejercicios de balanceo por tanteo
Balancee por inspección cada una de las siguientes reacciones: A) En el laboratorio se pueden preparar pequeñas cantidades de oxigeno gaseoso mediante el calentamiento de clorato de potasio (KClO 3). Los productos son oxigeno gaseoso (O2) y cloruro de potasio (KCl) B) Considere la combustión del etano C 2H6, componente del gas natural, con el oxígeno del aire, produce dióxido de carbono y agua. C) Cuando el aluminio metálico se expone al aire, se forma en su superficie una capa protectora de óxido de aluminio (Al2O3). Esta capa evita que el aluminio siga reaccionando con el oxígeno; esta es la razón por la cual no sufren corrosión los envases de aluminio que se utilizan en las bebidas. [En el caso del hierro, la herrumbre u óxido de hierro(III) que se forma es demasiado poroso para proteger al hierro metálico que queda debajo, por lo que la corrosión continua. Escriba una ecuación balanceada para la formación del Al 2O3. D) Reacción del hierro con una solución acuosa de cloruro de hidrógeno para resultar cloruro de hierro (II) e hidrogeno molecular E) Reacción del hidróxido de aluminio sólido con ácido fosfórico en disolución acuosa para producir fosfato de aluminio que precipita y agua. F) La reacción de combustión entre el gas Butano, la cual produce dióxido de carbono y vapor de agua. G) Indique que tipo de reacción se da en las anteriores reacciones H) Realice cinco ejemplos por cada tipo de reacción y presente la ecuación balanceada. balanceada.
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CÁLCULOS ESTEQUIOMÉTRICOS El método general para resolver problemas de estequiometria se resume a continuación. Escriba una ecuación balanceada de la reacción. Convierta la cantidad conocida del reactivo, que esté en gramos u otras unidades, a número de moles. Utilice la relación molar de la ecuación balanceada para calcular el número de moles del producto formado. Convierta los moles de producto en gramos (u otras unidades) de producto. Algunas veces podemos requerir que se calcule la cantidad de un reactivo que se necesita para formar una •
•
•
•
•
Ejemplos de ejercicios estequiométricos (A) Ejercicios de estequiometria masa-masa. Calcular la cantidad en gramos de oxígeno que se necesitan para
quemar 72.0 g de Etano (C2H6) hasta CO2 y H2O. Presente la ecuación balanceada. (B) Ejercicios de estequiometria masa-moles y moles-masa. Calcule los moles de oxígeno que se producen al calentar 1.65 g de clorato de potasio. Presente la ecuación balanceada. - Calcule el número de gramos de O2 Que se producen al calentar 0,105 mol de KClO3 (C) Ejercicios de estequiometria moles-moles. Si reaccionan 0.15 moles de átomos de Na con agua, calcule el número de moles de moléculas de H 2 que se producen. Presente la ecuación balanceada y completa
REACTIVO LÍMITE, REACTIVO EN EXCESO Y PORCENTAJE DE RENDIMIENTO
Cuando se efectúa una reacción, generalmente los reactivos no están presentes en las cantidades estequiométricas exactas, es decir, en las proporciones que indica la ecuación balanceada. Debido a que la meta de una reacción es producir la cantidad máxima de un compuesto útil a partir de las materias primas, con frecuencia se suministra un gran exceso de uno de los r eactivos para asegurar que el reactivo más costoso se convierta por completo en el producto deseado. Por ejemplo, en un reactor químico, un equipo diseñado para maximizar la conversión y selectividad de cualquier reacción química con el menor costo posible, se ingresa una sustancia en mayor proporción, por lo tanto, queda como sobrante al finalizar la reacción, esta sustancia será el reactivo en exceso (R.E.), mientras que aquella sustancia que ingresa al reactor químico en menor proporción y al agotarse limita la cantidad máxima del producto obtenido, será el reactivo limitante (R.L.) Hagamos una analogía, si vamos a una discoteca, y hay 14 varones y solo 9 mujeres, únicamente se podrán completar 9 parejas mujer/varón, por lo que 5 varones se quedarán sin pareja. Así, el número de mujeres limita el número de varones que podrán bailar y se presenta un exceso de varones. Ejemplo: La síntesis industrial del metanol CH3OH es a partir del monóxido de carbono CO y el hidrógeno gaseoso H2 a altas °T . La reacción química que tiene lugar en el reactor químico es la siguiente: () + () → () ∆
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El reactor tiene una entrada del monóxido de carbono gaseoso y otra entrada diferente para el hidrógeno gaseoso, un encargado programa la cantidad que desea de cada uno de los gases, pero la cantidad de uno de los dos gases reactantes es mayor que la del otro. Cómo llega usted a saber cuál es el reactivo que limita la producción de metanol? Para saber esto es necesario comprender que el reactivo limite producirá la menor cantidad del producto. Supongamos que la cantidad de monóxido es de 112, 04 g y la de hidrógeno es de 12,096 g , con cuál de los dos se producirá menor cantidad del producto? 1. Lo primero que debemos saber son los moles que hay en esa cantidad tanto de CO, como de H2 2. Lo segundo es saber cuántos moles de producto, es decir metanol producen los moles de cada uno de los gases, haciendo uso de la ecuación balanceada. 3. A partir de los datos obtenidos concluir cuál es el reactivo límite y cuál es reactivo en exceso. Ahora bien, en la industria todo proceso debe ser controlado con el fin de conocer qué tan rentable es ese proceso, y mediante diferentes aspectos se puede conocer esto. Entre esos aspectos también es necesario incluir el conocer qué tan eficiente es la reacción que se genera en un reactor, es decir, se habla en términos de porcentajes, que nos van a indicar cómo fue el rendimiento de la reacción, sabiendo que el mejor rendimiento será aquel igual o próximo al 100%. La fórmula para hallar el rendimiento de una reacción es la siguiente: % =
() ()
× %
El encargado antes de abrir las válvulas de entrada de cada gas, debió realizar los cálculos de porcentaje de rendimiento y obtuvo un rendimiento teórico del metanol producido. Pero después de la reacción que se dio en el reactor, obtuvo en realidad 73.02 g de metanol. Cómo obtiene este rendimiento teórico del metanol producido? 1. 2. 3. 4.
Sabiendo cuál es el reactivo límite conocemos los moles de metanol producidos, Entonces hallamos los gramos de metanol en esos moles y esos gramos serían el rendimiento teórico. El rendimiento real, son los que en realidad obtuvo en el reactor. Ahora reemplazamos en la fórmula.
Ejemplo: Halle para el ejemplo el RL, la cantidad en moles y gramos de CH3OH que se obtuvieron, los moles y gramos del RE que reaccionaron y los que quedan, el rendimiento teórico en gramos, y el % de rendimiento.
EJERCICIOS DE REPASO (A) Los alimentos son degradados o desdoblados para proporcionar la energía necesaria para el crecimiento y otras funciones. La ecuación general global para este proceso, está representada por la degradación de la glucosa (C6H12 O6 ) en presencia de O2, y se descompone en CO2 y H2O. Si una persona consume 856 g de C6H12 O6 cuál será la masa de CO2 producida, presente la ecuación completa (B) Calcule el número de gramos de moléculas de cloro que se producen al hacer reaccionar 22,1 g de óxido de manganeso (IV), con ácido clorhídrico en exceso. Presente la ecuación balanceada. (C) Calcule el número de moles de cromo que se pueden producir a partir de la reacción de 28,5 g de óxido de Cromo (III) con Aluminio en exceso. Presente la ecuación balanceada. (D) Calcule el número de moles de cromo que se pueden producir a partir de la reacción de 0,225 moles de oxido de Cromo (III) con Aluminio en exceso. Presente la ecuación balanceada.
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(E) Todos los metales alcalinos reaccionan con agua para formar hidrogeno gaseoso y el hidróxido correspondiente. Una reacción común es la que ocurre entre el litio y el agua: Li(s) + H2O(l) → LiOH(ac) + H2(g) Cuantos gramos de Li se necesitan para producir 9.89 g de H2? (F) La urea [(NH2)2CO] se prepara por la reacción del amoniaco con dióxido de carbono: NH3(g) + CO2(g) → (NH2 )2CO(ac) + H2O(l) En un proceso se hacen reaccionar 637.2 g de NH3 con 1.142 g de CO 2. a) ¿Cuál de los dos reactivos es el reactivo limitante?
b) Calcule la masa de (NH2 )2CO que se formara. c) ¿Cuánto del reactivo en exceso (en gramos) quedara sin reaccionar al finalizar la reacción? (G) En la industria, el vanadio metálico, que se utiliza en aleaciones de acero, se puede obtener al hacer reaccionar oxido de vanadio(V) con calcio a temperaturas elevadas: Ca
+
V 2O5
→
CaO
+
V
En un proceso reaccionan 1.54 × 10 g de V 2O5 con 1.96 × 103 g de Ca. 3
a) Calcule el rendimiento teórico de V. b) Calcule el porcentaje de rendimiento si se obtienen 803 g de V.
(H) En un reactor se pone una muestra de 50 g de carbonato de calcio se deja reaccionar con 35 g de ácido fosfórico a) Halle y diga cuál es el RL y RE b) ¿Cuántos gramos de fosfato de calcio se producirán? c) Cuántos moles del RE reaccionaron y cuántos quedan al final de la reacción sin reaccionar La ecuación es: __() + __ ()
→
__ ( )() + __() + __ ()
(I) El propileno 3 6 reacciona con amoniaco 3 y oxígeno 2 para formar acrilonitrilo 3 3 , la reacción balanceada es la siguiente: + +
→
∆
+
Al reactor se le colocan 10 moles en total de los tres reactivos, de los cuales se sabe que hay 50 g de propileno, 1.5 moles de amoniaco y el resto es de oxigeno a) Cuál es el RL y RE´s b) Cuántos moles quedan sin reaccionar de los reactivos en exceso c) Cuántos moles de agua se producen (J) Se deja reaccionar una muestra de 20.2 g de carbonato de calcio con 13.2 g de ácido clorhídrico. Calcule a) El número de g de cloruro de calcio que se pueden producir b) La cantidad de moles del RE que reaccionan y que quedan al final de la reacción
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c) El porcentaje de rendimiento, si en realidad se obtienen 18.3 g de cloruro de calcio +
() →
() + + ()
(K) La aspirina 9 8 4 (ácido acetil salicílico) se prepara a partir de la reacción entre el ácido salicílico 7 6 3 y el anhídrido acético 4 6 3 , según la reacción: +
→ +
En una industria farmacéutica se hacen reaccionar 185 kg de ácido salicílico con exceso de anhídrido acético. Determine la cantidad real de aspirina que se obtiene si el proceso tiene un rendimiento del 80,0 %. (L) Explique claramente con sus palabras, la diferencia entre a) Rendimiento teórico y rendimiento real b) Reactivo limitante y reactivo en exceso (M) Consulte en que consiste el calor en las reacciones químicas
