CAMBIOS EN LAS REACCIONES QUÍMICAS

CAMBIOS EN LAS REACCIONES QUÍMICAS
En el tema anterior hemos introducido el concepto de reacción química, un proceso en el
que se obtienen nuevas sustancias (productos) a partir de otras anteriores (reactivos) Ahora
profundizaremos en el estudio cuantitativo de las reacciones. Nuestro objetivo será, por
ejemplo, conocer qué cantidades de ciertos reactivos se pueden necesitar para obtener una cierta
cantidad de un producto, o viceversa. Las relaciones macroscópicas entre las cantidades de los
reactivos se pueden ligar con las existentes entre las entidades elementales que intervienen
(moléculas, átomos), a través de una magnitud química fundamental: la cantidad de sustancia.
Definiremos esta magnitud y, luego, la utilizaremos para realizar y entender mejor los cálculos
sobre las cantidades de las sustancias que intervienen en las reacciones químicas.
I. LA MAGNITUD CANTIDAD DE SUSTANCIA Y SU UNIDAD: EL MOL.
A.1 Utilizad el modelo atómico-molecular de la materia, para interpretar las reacciones
adjuntas. Escribid las ecuaciones químicas correspondientes y estableced relaciones entre las
sustancias participantes en número de moléculas, en unidades de volumen y en unidades de
masa.
hidrógeno (g) + oxígeno (g) ----> agua (g)
metano (CH4) (g) + oxígeno (g) ----> agua (g) + dióxido de carbono (CO2)(g)
Como vemos, la ecuación química de una reacción, además de proporcionar una información
cualitativa sobre las sustancias que intervienen y su estado físico, permite obtener información
cuantitativa sobre las proporciones moleculares, sobre las proporciones en masa y (si se trata de
gases) sobre las proporciones volumétricas. Interesa establecer una conexión entre la
información molecular de una reacción y la información macroscópica. Para ello se introduce en
química una nueva magnitud, que ahora estudiaremos: la cantidad de sustancia.
A.2 El profesor aportará a definición de la magnitud cantidad de sustancia y su unidad: el mol.
También dará a conocer el valor y el significado del número de Avogadro.
A.3 Considerad la reacción de combustión del carbono: C(s) + O2(g) ------> CO2(g)
Contestad a las siguientes cuestiones: a) ¿Cuánto vale la masa de un mol de átomos de carbono
(C), de moléculas de oxígeno (O2) y de moléculas de dióxido de carbono (CO2)?. b) ¿Cuántas
moléculas hay en 100g de oxígeno gaseoso?
A.4 Las moléculas de azufre en estado sólido están formadas por ocho átomos. Calculad: a) La
masa molecular del azufre en estado sólido. b) La cantidad de sustancia que corresponde a 21.8g
de azufre sólido. c) La masa de 0.56 moles de azufre. d) El número de átomos contenidos en
O.001g de azufre sólido. e) La masa en gramos de una molécula de azufre.
A.5 El gas butano tiene la fórmula C4H10. Completad la siguiente tabla:
moles
moléculas
gramos
átomos de C
átomos de H
0.25
50
1023
A.6 Expresad en moles y número de moléculas 10g de CaCO3
2. DISOLUCIONES
Muchas reacciones transcurren en disolución. Por ello es necesario conocer la cantidad de cada
sustancia presente en un volumen determinado, es decir, la concentración de la disolución.
Dicha concentración se expresa habitualmente dando el número de moles de sustancia disuelta
por cada litro de disolución o molaridad.
A.7 Calculad el número de moles de sal común (NaCl) que hay en 150ml de una disolución
cuya concentración es de 2.5g/l. Expresad la concentración de esta disolución en mol/l
A.8 Expresad en g/l la concentración de una disolución de ácido sulfúrico (H2SO4) 2M
A.9 Explicad cómo hay que preparar 250ml de una disolución 1M de hidróxido sódico (NaOH)
A.10 Se prepara una disolución disolviendo 20g de cloruro potásico (KCl) en un litro de agua.
Calculad la molaridad de la disolución resultante, sabiendo que su densidad es 1.015g/cm3
(densidad del agua: 1.00g/cm3)
A.11 Se mezclan 50g de etanol (C2H6O) y 50 g de agua para obtener una disolución cuya
densidad es 954 kg/m3. Sabiendo que la densidad del agua es 1000kg/m3, calculad la molaridad
de la disolución respecto al etanol.
2. CALCULOS ESTEQUIOMETRICOS EN REACCIONES QUIMICAS.
Ya sabemos establecer relaciones entre las cantidades de reactivos en un nivel macroscópico y
en un nivel microscópico; también sabemos calcular cantidades de sustancia en una disolución o
en una muestra material que la contenga. Ahora usaremos estos conceptos para realizar cálculos
de cantidades de sustancias que pueden reaccionar u obtenerse en procesos químicos.
A.12 El gas propano (C3H8) se puede quemar con oxígeno para obtener dióxido de carbono
(CO2) y vapor de agua. a) Construid la ecuación química de esta reacción y estableced
relaciones cuantitativas entre las sustancias que intervienen. b) Calculad la cantidad de dióxido
de carbono que se produce al quemar 200g de gas propano.
A.13 Se toman 1000Kg de caliza (con una pureza del 75%) y se lleva al horno, donde tiene
lugar la siguiente reacción:
CaCO3(s) --> CaO(s) + CO2(g)
Calculad la cantidad de cal viva (CaO) obtenida en este proceso.
A.14 Los antiguos tipos de cerillas de madera empleaban un sulfuro de fósforo (P4S3) como
material inflamable para la cabeza de la cerilla. El sulfuro se prepara calentando una mezcla de
azufre y fósforo rojo. Escribid la ecuación química correspondiente y calculad la masa de
fósforo necesaria para producir 2000Kg de P4S3 con un rendimiento del 80%
A.15 El magnesio reacciona con oxígeno para formar óxido de magnesio (MgO). Escribid la
ecuación química correspondiente y calculad la cantidad de MgO que se puede obtener a partir
de 1.2g de magnesio y 2.1g de oxígeno. Dad los gramos de reactivo en exceso
A.16 Algunas estructuras de acero se protegen de la corrosión con una capa de minio (Pb3O4).
El minio se obtiene al reaccionar plomo con oxígeno. Escribid la ecuación química de la
reacción y calculad la cantidad de plomo necesaria para disponer de 20Kg de minio, suponiendo
un rendimiento de la reacción del 70%
A.17 La reacción entre el hidróxido de litio (LiOH) y el dióxido de carbono (CO2) para formar
hidrogenocarbonato de litio (LiHCO3) se usó en el programa Apolo para eliminar de las cabinas
el dióxido exhalado por los astronautas. Obtened la cantidad de hidróxido necesaria para
eliminar el 90% del dióxido de una cabina de 3m3 donde se ha acumulado una concentración de
0.5moles/m3 de CO2
A.18 La dureza del agua es debida principalmente a la presencia de sulfato de calcio (CaSO4).
Una de las formas de eliminar este sulfato es añadir carbonato de sodio (Na2CO3), provocando
la siguiente reacción:
CaSO4(aq) + Na2CO3(aq) --> CaCO3(s) + Na2SO4(aq)
¿Qué masa de carbonato de sodio debe añadirse para eliminar todo el sulfato de calcio que hay
en 2·105m3 de agua que contiene CaSO4 en una concentración de 1.8·10-3M? (Esta es la
cantidad aproximada de agua que se puede consumir a diario en una ciudad grande)
A.19 El carbonato de magnesio, MgCO3 reacciona con el ácido fosfórico, H3PO4 y da lugar a
fosfato de magnesio, Mg3(PO4)2, dióxido de carbono (CO2) y agua. Se mezclan 40g de
carbonato de magnesio y 35ml de disolución de ácido fosfórico 11.5M. Escribid la ecuación
química de la reacción y calculad la masa de fosfato de magnesio que se obtiene
3. CAMBIOS ENERGETICOS EN LAS REACCIONES QUÍMICAS
Finalizaremos este tema haciendo alusión a una característica importante de las reacciones, su
balance energético. El conocimiento de la energía intercambiada es uno de los aspectos que
interesa determinar en una reacción química, no sólo para comprenderla mejor, sino además
porque la utilidad de muchas reacciones no deriva de los productos que pueden generar, sido del
aporte energético que pueden proporcionar. De hecho, casi el 90% de las necesidades mundiales
de energía se cubre a partir de combustiones.
A.21 Nombrad algunas reacciones químicas utilizadas por su aportación energética
A.22 Calculad la energía que se desprende en la combustión completa de 1g de glucosa
(C6H12O6) El calor de combustión de la glucosa es ΔH = - 2816 kJ/mol. En el proceso se
obtiene agua líquida.
A.23 Calculad la energía que se desprende cuando se queman 5Kg de carbón sabiendo que en la
combustión del carbono se desprenden 393.51 kJ/mol.
A.24 Calcula la cantidad de calor que se desprende cuando arden 10l de propano gas en
condiciones normales de presión y temperatura (ΔH = - 2043.9 kJ/mol)