3 Estequiometría de la reacción y Reactivo limitante
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Química General e Inorgánica Ingeniería Ambiental - 2do Cuat. 2016 Guía de problemas N° 3: Reacciones y estequiometría de la reacción. Marco teórico de Reacciones Químicas. Reacción Química (Definición) Una reacción química o cambio químico es todo proceso en el cual una o más sustancias (llamadas reactivos o reactantes) se transforman en otra u otras sustancias (llamadas productos). Los reactivos y productos pueden ser tanto elementos como compuestos. La ecuación química es la representación simbólica de una reacción química. Los productos obtenidos a partir de ciertos tipos de reactivos dependen de las condiciones bajo las que se produce la reacción química. No obstante, aunque los productos pueden variar según cambien las condiciones, determinadas cantidades permanecen constantes en cualquier reacción química. Estas magnitudes conservadas durante procesos químicos son: el número de cada tipo de átomo presente, la carga eléctrica y la masa total. Tipos de Reacciones Químicas La clasificación de las reacciones químicas no es excluyente en general, es por ello que una reacción química puede a veces ser tipificada en varios de los tipos especificados en la clasificación que se dará a continuación: 1. Reacciones de Oxido-Reducción o Reacciones Redox: Con el término oxidación se hace referencia al incremento del número de oxidación y consecuente pérdida o aparente pérdida de electrones de un elemento como resultado de una reacción química. Por el contrario; con el término reducción se hace referencia al decremento o aparente decremento del número de oxidación de un elemento a consecuencia de una reacción química. Las reacciones de óxido-reducción son aquellas en las que un elemento o elementos se oxidan mientras que otro u otros se reducen. Son procesos acoplados e inseparables. Ejemplo: 2. Reacciones de Combinación o Síntesis: Son aquellos cambios químicos en los cuales dos o más sustancias se combinan para formar un compuesto. • Elemento + Elemento → Compuesto Ejemplo • Elemento + Compuesto → Compuesto Ejemplo • Compuesto + Compuesto → Compuesto Ejemplo Química General e Inorgánica Ingeniería Ambiental - 2do Cuat. 2016 3. Reacciones de Descomposición: Son aquellos fenómenos químicos en los cuales un compuesto se transforma en dos o más sustancias. • Compuesto → elemento + elemento Ejemplo • Compuesto → elemento + compuesto Ejemplo • Compuesto → compuesto + compuesto Ejemplo 4. Reacciones de Desplazamiento o simple sustitución: Son aquellas reacciones químicas en las cuales un elemento desplaza a otro elemento desde un compuesto para la generación de otro compuesto nuevo. • Me más activo + sal de Me menos activo → sal de Me más activo + Me menos activo Ejemplo • Me activo + ácido no oxidante → hidrógeno gas + sal de Me menos activo Ejemplo • NoMe activo + sal de NoMe menos activo → NoMe menos activo + sal de NoMe activo Ejemplo 5. Reacciones de Metátesis o doble sustitución: En muchas reacciones en solución, los iones pueden cambiar su contra ión formándose dos nuevos compuestos, sin la necesidad de que exista un cambio de número de oxidación. • Reacciones de Neutralización: Ejemplo • Reacciones de Precipitación: Ejemplo • Reacciones con desprendimiento de gas: Ejemplo Química General e Inorgánica Ingeniería Ambiental - 2do Cuat. 2016 Reacciones Químicas y Estequiometría. 1. ¿Cuántos gramos de solución de amoníaco al 30% se podrán obtener a partir de la combinación de 85 g de hidrógeno gas y nitrógeno gaseoso en cantidad necesaria? Rta: Se podrán obtener 1605,7 g de solución de amoníaco al 30%. 2. El siguiente diagrama representa la reacción a alta temperatura entre metano y agua. Observando la imagen, ¿cuántos moles de cada producto pueden obtenerse si inicialmente se tienen 4 moles de metano? En la imagen los átomos en color negro son carbonos, en color rojo o gris son oxígenos y en gris más claro hidrógenos. Rta: Si inicialmente hay 4 moles de metano presentes, entonces se obtienen como producto 4 moles de monóxido de carbono y 12 moles de hidrógeno gas. 3. El hidruro de calcio reacciona con el agua para producir hidróxido de calcio e hidrógeno gas, i) escriba la ecuación balanceada para esta reacción, ii) ¿cuántos gramos de hidruro de calcio son necesarios para producir 5 gr de hidrógeno? Rta: ii) Son necesarios 52,5 g de CaH2 para producir 5 g de H2. 4. ¿Cuál es la masa de cloruro de cobalto (II) y de ácido fluorhídrico necesaria para la preparación de 15 moles de fluoruro cobaltoso (la reacción es de doble desplazamiento o doble sustitución) Rta: Para la preparación de 15 moles de fluoruro cobaltoso son necesarios 600 g de ácido fluorhídrico y 1947,5 g de cloruro cobaltoso. 5. Se produce una reacción de combustión completa de 24 g de metano en presencia de oxigeno necesario. ¿Cuántas moléculas de agua se producen? Rta: Se producen 1,81 1024 moléculas de agua. 6. Por reacción de ácido sulfúrico sobre aluminio (con formación de sulfato de aluminio) se desprende hidrógeno en una reacción de simple sustitución. Este hidrógeno desprendido se usa para reducir oxido cúprico con producción de agua y cobre metálico. ¿Cuánto oxido cúprico puede reducirse con el hidrogeno desprendido por el ataque sufrido de 100 g de aluminio con exceso de ácido sulfúrico? Rta: Se pueden reducir con hidrogeno gas 441,9 g de óxido cúprico. 7. La reacción de neutralización completa de una cierta cantidad de ácido fosfórico (H3PO4) con hidróxido de sodio, implica la neutralización de sus tres protones progresivamente y genera un consumo de 5 moles de hidróxido. i) ¿Cuántos moles de hidróxido se habrán consumido hasta la neutralización de dos de los hidrógenos ácidos? ii) ¿Cuantos gramos de sal se formaran cuando se haya producido la neutralización completa? Rta: i) Hasta la neutralización de los dos hidrógenos ácidos se habrán consumido 3,33 moles de hidróxido de sodio, ii) si se produjera la neutralización completa del ácido fosfórico se producirían 273,28 g de fosfato de sodio. Química General e Inorgánica Ingeniería Ambiental - 2do Cuat. 2016 8. Para la obtención de fluoruro de hidrógeno se puede proceder por reacción del ácido sulfúrico sobre el fluoruro de calcio, generando sulfato de calcio como subproducto. En un proceso industrial se trataron 6,00 kg de fluoruro de calcio con un exceso de ácido sulfúrico produciéndose 2,86 kg de fluoruro de hidrógeno. ¿Cuál es el rendimiento de la reacción? Rta: El rendimiento de la reacción es 93%. 9. El tetracloruro de silicio se puede generar mediante el calentamiento de silicio sólido en presencia de cloro gaseoso. Si el cloro se encuentra impurificado en un 10%, y se tiene silicio en cantidad necesaria, ¿cuántos gramos y moles de tetracloruro de silicio se pueden obtener por reacción de 5 kg del cloro impurificado sabiendo además que la reacción de cloro puro posee un rendimiento del 75%? Rta: Los gramos de tetracloruro de silicio que se pueden obtener por reacción de gas cloro impurificado al 10% con un rendimiento del 75% son 8085 g (47,53 mol de tetracloruro de silicio). 10. La producción anual de dióxido de azufre como resultado de quemar hulla, derivados del petróleo y otras fuentes es de unos 26 millones de toneladas. Si el dióxido generado se oxidara a trióxido, i) ¿cuántos moles de oxígeno serían necesarios para producir una reacción donde se consumiera el 85% del dióxido? ii) ¿Cuántas toneladas de SO3 se generarían? iii) ¿Cuántas toneladas de SO2 no reaccionarían? Rta: i) Se consumirían 5,53 millones de toneladas de oxígeno gaseoso, ii) se generarían 27,625 millones de toneladas de trióxido de azufre, iii) son remanentes 3,9 millones de toneladas de dióxido de azufre. 11. De un mineral argentífero que contiene 12,46% de cloruro de plata se extrae este metal con una eficiencia de 90,4%. La plata obtenida se transforma en una aleación que contiene 916 mg de plata por cada gramo de aleación. Calcular la cantidad de aleación en kilogramos que puede obtenerse a partir de 2750 kg de mineral. Rta: Se pueden obtener 254,5 kg de aleación de Ag a partir de 2750 kg del mineral. 12. La reacción del sulfuro de aluminio con agua forma hidróxido de aluminio y sulfuro de hidrogeno. Escriba la ecuación igualada y responda cuantos gramos de hidróxido pueden obtenerse a partir de 10,5 g del sulfuro. ¿Cuántos gramos se obtendrían si el avance de reacción fuera solamente 67%? Rta: Si reaccionan 10,5 g de sulfuro de aluminio, para una reacción de rendimiento del 100% se obtendrían 10,9 g de hidróxido de aluminio, para un rendimiento de 67% se obtienen 7,3 g. 13. Una pieza de aluminio de 1 cm2 de sección y 0,550 mm de espesor (δ=2,699 g/cm3) se hace reaccionar con Br2, formándose bromuro de alumnio. i) ¿Cuántos moles de bromo se consumieron? ii) ¿cuántos gramos de bromuro de aluminio se forman suponiendo que la eficiencia de la reacción es de 95%? Rta: i) se consumieron 8,25 10-3 mol de bromo, ii) con una eficiencia de 95% se obtienen 1,39 g de bromuro de aluminio. 14. ¿Qué masa de clorato de potasio se necesita para obtener la cantidad apropiada de oxígeno que se requiere para quemar 71,06 g de metano? 2 KClO3 → 2 KCl + 3 O2 CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O Rta: Se requieren 725,8 g KClO3 para 71,06 g de metano Química General e Inorgánica Ingeniería Ambiental - 2do Cuat. 2016 Concepto de Reactivo limitante Cuando se ha ajustado una ecuación, los coeficientes 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. Cuando una ecuación está ajustada, la estequiometría se emplea para saber los moles de un producto obtenidos a partir de un número conocido de moles de un reactivo. La relación de moles entre reactivo y producto se obtiene de la ecuación ajustada. A veces se cree equivocadamente que en las reacciones se utilizan siempre las cantidades exactas de reactivos. Sin embargo, en la práctica lo normal suele ser que se use un exceso de uno o más reactivos, para conseguir que reaccione la mayor cantidad posible del reactivo menos abundante. Cuando una reacción se detiene porque se acaba uno de los reactivos, a ese reactivo se le llama reactivo limitante. Aquel reactivo que se ha consumido por completo en una reacción química se le conoce con el nombre de reactivo limitante pues limita la cantidad de producto formado. POR LO TANTO reactivo limitante es aquel que se encuentra en defecto basado en la ecuación química ajustada. 15. Considere la siguiente reacción para la obtención de la urea [(NH2)2CO] Supongamos que se mezclan 637,2 g de NH3 con 1142 g de CO2. ¿Cuántos gramos de urea se obtendrán? Rta: Se pueden obtener 1124,5 g de urea. 16. Si se hacen a reaccionar 100 g de BaCl2 con 115 g de Na2SO4 para obtener cloruro sódico y sulfato de bario. a) ¿Qué sustancia es el reactivo limitante? b) ¿Cuántos g de NaCl se pueden preparar? Rta: a) Cloruro de bario b) 56,15 g 17. Se mezclan 35,4 g de cloruro de sodio en solución acuosa con 99,8 gramos de nitrato de plata. a) Calcule los gramos de cada reactivo que reaccionan. b) ¿Cuánto cloruro de plata precipita? Rta: a) 34,4 g de cloruro de sodio y 99,8 g de nitrato de plata. b) 84,2 g de cloruro de plata. 18. El disulfuro de carbono arde con oxígeno. La combustión completa da: CS2 + 3 O2 → CO2 + 2 SO2. a) Calcule los gramos de dióxido de azufre producidos por la reacción de 15,0 g de disulfuro de carbono con 35 g de oxígeno. b) ¿Cuál es el reactivo limitante?. c). ¿Cuántos gramos de reactivo quedan sin reaccionar? Rta.: a) Se forman 24,6 g de SO2. b) CS2 es reactivo limitante. c) Sobran 16,5 g de O2. 19. Se mezclan 200 g de una solución al 25% de hidróxido de bario con 100 g de una solución al 80% de sulfato (VI) de hidrógeno con la consecuente precipitación de sulfato (VI) de bario. Responda: i) ¿quién es el reactivo limitante?, ii) Exprese en porcentaje en peso la masa del reactivo excedente. Rta: i) el reactivo limitante es el hidróxido de bario, ii) el excedente presenta una concentración de 17,13%.
