soluciones ejercicios estequiometría 4º eso

PROBLEMA 1.
Se hace reaccionar 50 gramos de calcio con ácido clorhídrico 2 M para dar hidrógeno gaseoso y
cloruro de calcio.
a) Calcular el volumen de disolución de ácido clorhídrico necesario para que reaccione
totalmente el calcio.
b) Calcular el volumen de hidrógeno gaseoso que se recupera a 35 ºC y 1’5 atm de presión.
c) Calcular la cantidad de cloruro de calcio recuperado.
DATOS: Masas atómicas: Ca = 40 g/mol, H = 1 g/mol, Cl = 35’5 g/mol; R = 0’082 atm·l·K-1·mol-1
RESOLUCIÓN DEL PROBLEMA:
PRIMER PASO: LECTURA DEL PROBLEMA:
En la primera frase del enunciado del problema se dice que hay una reacción química, entre el Ca
sólido y el HCl que está en disolución ( nos dan la molaridad de ésta ): Éstos serán los reactivos,
siendo los productos el H2 y el CaCl2 ( en el enunciado pone para dar hidrógeno gaseoso y cloruro de
calcio ).
SEGUNDO PASO: ESCRIBIR LA REACCIÓN QUÍMICA Y AJUSTARLA.
Ca +
2 HCl
→
CaCl2
+
H2
La ecuación química ajustada nos da la relación entre el número de moles de reactivo que reaccionan
y el número de moles de productos que se originan.
TERCER PASO: RELACIONAMOS LOS DATOS QUE NOS DAN CON LO QUE SE PIDE EN EL PROBLEMA.
Los datos que se dan en el ejercicio son 50 gramos de Ca y la concentración del HCl. Por lo tanto a
partir de ahora trabajaremos con estos datos para responder a todas las cuestiones planteadas.
Las relaciones de proporcionalidad con las que vamos a trabajar a partir de ahora serán entre el Ca y
el compuesto que se pida en la pregunta.
A partir de la ecuación química se podrán obtener relaciones de proporcionalidad entre moles de
compuestos, pero tenemos como dato la masa del Ca. Por lo tanto debemos decidir pasar los 50
gramos de Ca a moles y trabajar a partir de ahora en moles o pasar las relaciones de
proporcionalidad a gramos y trabajar a partir de ahora en gramos. Pasamos los 50 gramos de Ca a
moles:
En el apartado a) se pregunta por el volumen de disolución de HCl. Remarcamos de disolución, por lo
que no se podrá utilizar la ecuación de los gases ideales. Para responder a este apartado en primer
lugar hay que hallar el número de moles de HCl que reaccionan con los 50 gramos de Ca, o lo que es
lo mismo con 1’25 moles de Ca.
La relación de proporcionalidad entre el Ca y el HCl se obtiene de la ecuación química ajustada:
El HCl proviene de una disolución 2 M en HCl, por lo que podemos obtener su volumen despejando
de la fórmula:
En el apartado b) se pide hallar el volumen de H2 gaseoso producido. En primer lugar habrá que
hallar el número de moles de H2 producido, por lo que utilizaremos la relación de proporcionalidad
entre el Ca ( Que como recordamos es el dato que nos dan en el problema y que utilizamos como
base de cálculo para hallar todo lo demás) y el H2, que obtenemos de la ecuación química.
Al ser el H2 un gas, utilizo la ecuación de los gases ideales, colocando la temperatura en grados
Kelvin: T = 273’1 + 35 = 308’1 K
En el apartado c) se pide hallar la cantidad de CaCl2 producido en la reacción. Para ello utilizaremos la
relación de proporcionalidad entre el Ca y el CaCl2, ya que estamos trabajando desde el principio con
el dato de Ca que nos dan en el problema.
La masa de CaCl2 será:
Masa = Moles · Masa molecular: m = 1’25 moles · 111 g/mol
M = 138’75 gramos de CaCl2
PROBLEMA 2
1º. Se hace reaccionar hidrógeno gaseoso con nitrógeno gaseoso para dar amoníaco también en
forma gaseosa. Si partimos de 40 gramos de hidrógeno y 300 gramos de nitrógeno, calcular:
a) Reactivo en exceso y que cantidad sobra.
b) Cantidad de amoníaco formado.
c) Volumen de amoníaco formado medido a 30 ºC y 3 atmósferas de presión.
RESOLUCIÓN DEL PROBLEMA
LECTURA DEL PROBLEMA: Reacción química entre H2 y N2 para dar NH3. Partimos de 40 gramos de H2
y 300 gramos de N2. Tenemos que ver cuál de los dos reactivos es el limitante, es decir, el que
reacciona totalmente y todavía queda parte del otro reactivo sin reaccionar.
AJUSTE DE LA REACCIÓN:
N2(g)
+
3 H2(g)
→ 2 NH3(g)
PASO A MOLES LAS CANTIDADES DE REACTIVO QUE NOS DAN EN EL ENUNCIADO
TOMO COMO BASE DE CÁLCULO UNO DE LOS REACTIVOS Y UTILIZANDO LA REACCIÓN AJUSTADA,
HALLO LA CANTIDAD DEL OTRO REACTIVO NECESARIO PARA AGOTARLO.
Necesitamos 6’67 moles de N2 para que reacciones totalmente el H2, por lo tanto, como tenemos
10’71 moles de N2, reaccionará totalmente el H2 ( reactivo limitante ) y sobrarán 10’71 – 6’67 = 4’03
moles de N2 ( reactivo en exceso ).
A PARTIR DE AQUÍ, LA BASE DE CÁLCULO SERÁ EL REACTIVO LIMITANTE, ES DECIR EL H2.
a) El reactivo en exceso será el N2 y sobran 4’03 moles. Si queremos saber la masa de N2 que
sobra, multiplico por la masa molecular del N2: 4’03·28 = 120’4 g de N2 sobran.
b) Para hallar la cantidad de NH3 que se obtiene tomamos como base de cálculo el H2 que es el
reactivo limitante, y la reacción ajustada.
Si quiero saber la masa de amoníaco que obtengo, multiplico el número de moles obtenido por la
masa molecular del amoníaco ( 14 + 3·1 = 17 g/mol).
Masa amoníaco = 13’33 · 17 = 226’67 gramos de amoníaco
c) El amoníaco es un gas, por lo que vamos a utilizar la fórmula de los gases ideales. Tendremos
que poner la temperatura en grados kelvin y la presión en atmósferas
PROBLEMA 3
Se tiene un 3 kg de un mineral que contiene un 70 % de magnesio y se le hace reaccionar con 2 litros
de una disolución 1’5 M de ácido sulfúrico. Sabiendo que se produce una reacción de
desplazamiento, calcular:
a) Reactivo limitante y cuanto sobra del reactivo en exceso.
b) Volumen de hidrógeno medido a -25 ºC y 1000 mm de Hg.
c) Masa de sulfato de magnesio formada.
LECTURA DEL ENUNCIADO: Hay una reacción química entre el Mg y el H2SO4, dando MgSO4 y H2, ya
que se ha producido una reacción de desplazamiento don el Mg metálico desplaza a la parte positiva
de la otra molécula, es decir el H. Tenemos las cantidades de los dos reactivos, por lo que tendremos
que hallar el reactivo limitante y tomarle como base de cálculo.
PRIMER PASO: AJUSTE DE LA REACCIÓN QUÍMICA:
Mg +
H2SO4
→
MgSO4
+
H2
SEGUNDO PASO: Obtener los moles de los reactivos:
Mg: Tenemos un mineral con una riqueza del 70 % en Mg. Hallamos la cantidad de Mg puro que hay
en él:
H2SO4: Tenemos 2 litros de disolución 1’5 M.
Es decir, tenemos 86’24 moles de Mg y 3 moles de H2SO4, por lo que vemos que el reactivo que está
en exceso es el Mg y el H2SO4 es el reactivo limitante.
a) Reactivo limitante H2SO4. Cantidad en exceso de Mg:
Moles de Mg en exceso = moles iniciales de Mg – moles de Mg que reaccionan
Moles de Mg en exceso = 86’42 – 3 = 83’42 moles de Mg en exceso.
Masa de Mg en exceso = Moles de Mg · Masa atómica Mg = 83’42 moles · 24’3 g/mol = 2027’1 g de
Mg en exceso
b) Para hallar el volumen de H2 que se produce tenemos que hallar en primer lugar el número
de moles de H2 que se produce.
Tomamos como base de cálculo la cantidad de reactivo limitante, es decir, el H2SO4.
Como el H2 es un gas, para hallar el volumen utilizamos la ecuación de los gases ideales, poniendo la
presión en atmósferas y la temperatura en grados Kelvin ;
c) Para hallar la masa de MgSO4 , tomamos como base de cálculo el reactivo limitante, es decir,
el H2SO4.
Masa de MgSO4 = moles MgSO4 · Masa molecular de MgSO4
Masa MgSO4 = 3 moles · 120’3 g/mol = 360’9 g de MgSO4
PROBLEMA 4
El magnesio reacciona con dióxido de azufre gaseoso para dar óxido de magnesio y azufre ambos
sólidos.
Calcular la cantidad de magnesio necesario para reaccionar completamente con 20 litros de dióxido
de azufre medidos a 40 ºC y 2 atmósferas de presión.
Calcular las cantidades de óxido de magnesio y azufre formadas en la reacción.
LECTURA DEL PROBLEMA: Es una reacción química, por lo que primero debo escribirla, identificando
los reactivos y los productos y luego ajustarla. A continuación busco en el enunciado que compuesto
será la base de cálculo ( será aquel del que me den datos). En este caso la base de cálculo será el SO2.
AJUSTE DE LA REACCIÓN:
2
Mg +
SO2
→
2
MgO +
S
CÁLCULOS: Me piden la cantidad de Mg que reacciona con cierta cantidad de SO2. De la ecuación
química se que la proporción en moles entre ambos es 2:1, por lo tanto puedo relacionar los moles
de ambas especies.
Busco los moles de SO2 con los que se parte. Como es un gas y nos dan como datos el volumen a una
temperatura y presión dados utilizamos la ecuación de los gases ideales:
Relaciono las cantidades en moles de Mg y SO2 con la relación estequiométrica ( obtenida en la
ecuación química ajustada )
Para hallar la cantidad de MgO tomamos como base de cálculo el SO2 y la relación estequiométrica
entre ambos compuestos:
Y la masa de MgO que obtenemos será:
Masa MgO = moles MgO · Masa molar MgO = 125’74 gramos de MgO
La masa de azufre que obtenemos será:
Masa S = moles S · masa atomic S = 49’92 gramos de S
PROBLEMA 5
A partir del siguiente dato:
C(S) + O2(g)
→
CO2(g) Calor de reacción -393’5 kJ/mol
Se pide hallar la cantidad de energía liberada al quemar 3 kg de grafito.
LECTURA DEL PROBLEMA: En la ecuación química ajustada nos dice la cantidad de energía que se
libera por cada mol de C quemado. Nos dan como dato la masa de C, por lo que debemos pasarlo a
moles y a partir de ahí hallar la energía liberada.
SOLUCIÓN: Se liberan 98375 kJ de energía.
PROBLEMA 6
Se hacen reaccionar 2 litros de una disolución 2 M de ácido nítrico con 1 litro de una disolución al 40
% de hidróxido de calcio y densidad 1’2 g/ml. Calcular:
a) reactivo limitante y cantidad en exceso del otro reactivo.
b) Cantidad de nitrato de calcio formado.
LECTURA DEL PROBLEMA: Tenemos una reacción química entre un ácido y una base (neutralización).
Como resultado obtenemos una sal y agua. Como dato tengo las cantidades de ácido nítrico y de
hidróxido de calcio, por lo que tengo que hallar el reactivo limitante y tomarlo como base de cálculo.
2
2
AJUSTE DE LA REACCIÓN:
HNO3 + Ca(OH)2 → Ca(NO3)2 +
H2O
a) Para hallar el reactivo limitante tengo que hallar la cantidad de HNO3 necesario para que
reaccione todo el Ca(OH)2, utilizando la relación de proporcionalidad que me da la ecuación
química ajustada. Si la cantidad que se obtiene es mayor que la cantidad de HNO3 presente
en la reacción el Ca(OH)2 no reaccionará totalmente, por lo que no será el reactivo limitante
y lo será el HNO3.
Hallo las cantidades en moles de HNO3 y Ca(OH)2 presentes en la reacción:
HNO3:
NaOH: Tengo como datos, el tanto por ciento en masa, el volumen de disolución y la densidad de
ésta, y me interesa obtener el número de moles de NaOH.
Moles Ca(OH)2 = 6’48 moles Ca(OH)2
En la ecuación química ajustada se observa que la relación en moles entre el HNO3 y Ca(OH)2 es de 2
moles del primero por cada mol del segundo. Al haber en la disolución 4 moles de HNO3 y 6’48 moles
de Ca(OH)2 y ser la relación estequiométrica del doble de moles de HNO3 que de Ca(OH)2 se observa
que el reactivo limitante será el HNO3. Verificamos que es el reactivo limitante y hallamos la cantidad
de Ca(OH)2 que reacciona:
Al tener en disolución 6’48 moles de Ca(OH)2 y reaccionar 2 moles hay 4’48 moles de Ca(OH)2 sin
reaccionar.
Masa Ca(OH)2 sobrante = moles Ca(OH)2· masa molecular Ca(OH)2 = 4’48 · 74’1 = 331’97 gramos
El reactivo limitante es el HNO3 y sobran 331’97 gramos de Ca(OH)2
b) Para hallar la cantidad de Ca(NO3)2 producido tomamos como base de cálculo el reactivo
limitante ( HNO3), y utilizamos la relación estequiométrica entre ambos
La masa de Ca(NO3)2 formada será:
m Ca(NO3)2 = moles Ca(NO3)2 · masa molar Ca(NO3)2 = 2 ·164’1 = 328’2 gramos de Ca(NO3)2
PROBLEMA 7
Determínese la cantidad de calor que se libera cuando se producen 1’26·104 g de amoniaco, de
acuerdo con la ecuación:
N2(g)
+
3 H2(g)
→ 2 NH3(g) Calor de reacción = - 92’6 kJ/mol
LECTURA DEL PROBLEMA: La lectura de la ecuación química nos dice que al hacer reaccionar 1 mol
de N2 con 3 moles de H2 se va a producir 2 moles de NH3 y se liberarán 92’6 kJ de energía.
También nos dan la cantidad de amoníaco producido en gramos, por lo que si lo pasamos a moles y
utilizamos la relación anterior, podemos hallar la cantidad de calor liberada en la reacción.
Moles NH3 = masa NH3/masa molar NH3 = 1’26·104/17 = 741’18 moles de NH3
Solución: Se liberan 34316’6 kJ de energía al producirse 1’26·104 g de NH3.
PROBLEMA 8
Calcular el volumen de hidrógeno gaseoso medido en c.n. que debe reaccionar con exceso de cloro
para obtener cloruro de hidrógeno que al introducir en 2 litros de agua nos de una disolución de
riqueza 24 % en peso y densidad 1’24 g/ml.
LECTURA DEL PROBLEMA: En el problema nos dan varias reacciones que son consecutivas, a saber:
El H2 reacciona con el Cl2 para dar HCl gaseoso. Si introducimos el HCl gaseoso en agua se disuelve
dando ácido clorhídrico.
Como el dato que tenemos es de la disolución de ácido clorhídrico, debemos tomar como base de
cálculo la disolución de HCl para hallar el número de moles de HCl que tenemos en la disolución, para
hallar finalmente la cantidad de H2 necesario para obtener esa cantidad de HCl.
HALLAR NÚMERO DE MOLES DE HCl EN LA DISOLUCIÓN FINAL.
Número de moles HCl = 16’31 moles de HCl necesitamos para obtener esa disolución con la
concentración indicada.
Los 16’31 moles de HCl proceden de la reacción entre el H2 y el Cl2.
H2 +
Cl2
→
2 HCl
Como me piden la cantidad de H2 tomo como base de cálculo el HCl formado y la relación
estequiométrica entre ambos:
Preguntan por el volumen de H2 medido en condiciones normales. Como cada mol de un gas en c.n.
ocupa un volumen de 22’4 litros: