INSTITUCIÓN EDUCATIVA EMILIANO GARCÍA Girardota-Antioquia Correo electrónico: [email protected] Área: Ciencias Naturales Química Grado: 11 Educadora: Olga Eugenia Cadavid Longas Periodo: 1 e-mail: [email protected] TEMAS LOGROS Reactivo límite Determina el reactivo limitante en una reacción química. Pureza de los reactivos Identifica que en una reacción química las materias primas presentan impurezas. Rendimiento o eficiencia de una reacción. Determina la eficiencia de una reacción química. INDICADOR CALCULOS QUÍMICOS A PARTIR DE UNA EUACIÓN QUÍMICA BALANCEADA PARA TENER EN CUENTA Cuando queremos preparar algo en la cocina, debemos tener en cuenta la cantidad de comida que deseamos preparar, para así calcular la medida exacta de cada uno de los ingredientes que vamos a necesitar para así evitar que nos falte o nos sobre y no desperdiciar, igualmente ocurre en la industria química, el laboratorio se debe tener presente la cantidad de producto que se quiere obtener y la cantidad de reactivo que se requiere. La estequiometría es la ciencia que permite conocer exactamente las cantidades de las sustancias involucradas en una reacción, haciendo posible predecir sobre la cantidad de sustancia que debe reaccionar para obtener cierta cantidad de producto. La palabra estequiometría proviene del griego stoicheion, que significa “medir los elementos”, es decir, el estudio de reactivos y de productos en una reacción química. Los cálculos estequiométricos representan la única forma de determinar las cantidades de materia que participan en una reacción química. Cuánto Sabes? -Cómo calcularías la cantidad de CO2 que produce un automóvil al consumir cinco galones de gasolina? -Qué relación encuentras entre los preparativos para hacer una torta en la cocina de tu casa y los cálculos necesarios para obtener un producto en el laboratorio? LA ESTQUIOMETRÍA Se basa en estudia Ecuaciones químicas balanceadas Las relaciones Para realizar molares Cálculos químicos De masa Mediante el De las Factor Molar sustancias como Que intervienen en Mol-mol Masa-masa Una reacción química Mol-masa Implementos de laboratorio usados en la estequiometría En una reacción química Es importante conocer El reactivo limitante Que corresponde Reactivo La pureza de los reactivos Que se da en porcentaje El rendimiento o La eficiencia Presente en Que nunca alcanza Menor cantidad molar El 100% Reactivo limitante El reactivo que se consume por completo y está en menor cantidad molar de acuerdo con la proporción estequiométrica se denomina reactivo limitante, porque limita la cantidad de nuevos productos que se pueden formar. El reactivo sobrante se llama en exceso, el cual, a nivel industrial, es el reactivo más económico. Por esta razón, es importante que el reactivo más costoso se consuma en su totalidad. Para determinar el reactivo limitante en una reacción química, se debe tener en cuenta: 1. Utilizar cantidades conocidas, para establecer el número de moles de cada reactivo. 2. Establecer el reactivo limite, el cual se determina dividiendo el número de moles de cada reactivo con el coeficiente estequiométrico, y el menor valor que se da es el reactivo límite. 3. Una vez determinado el reactivo límite, se determina las cantidades de productos de la reacción. Ejemplo de reactivo límite y eficiencia de una reacción 7,5 gramos de hierro se hacen reaccionar con 80 gramos de ácido clorhídrico, para obtener cloruro de hierro II. Determina el reactivo límite y la cantidad de producto producido. La reacción que plantea el problema se describe a continuación: Fe(s) + 2HCL (l) FeCl2 (s) + H2(g) Inicialmente debemos conocer las cantidades dadas en gramos de cada reactive en moles. Peso molecular del Hierro: 55.84 gr/mol Peso molecular del ácido clorhídrico: 36.45 gr/mol. Determinamos las moles de cada reactivo así: Moles de Fe0= 7,5 gramos x 1 mol de Fe = 0.134 mol de Fe 55.84 gr/mol Moles de HCL= 80 gramos x 1 mol de HCl = 2.19 mol de HCl 36.45 gramos/mol Ahora dividimos las moles por el coeficiente estequiométrico: 0.134/1 = 0.134 del hierro 2.19/2= 1.095 del HCl El menor de los dos es el 0.134 por lo tanto el reactivo límite es el hierro y el exceso es el HCl. Con las moles de Fe determinamos la cantidad de producto, ósea del cloruro de hierro II. Moles de FeCl2 = 0.134 mol de Fe x 1 mol de FeCl2 = 0.134 mol de FeCl2. 1 mol de Fe Relación estequimétrica Pureza de los reactivos Los reactivos que se emplean en la industria por lo general presenta impurezas, afectando así la calidad. SP=SI*%P 100 Donde: SP corresponde a la sustancia pura. SI se refiere a la sustancia impura. %P equivale a l porcentaje de pureza. Ejemplo: Retomando el ejercicio anterior y plantear en el problema que el Fe tiene una pureza del 50% y el HCl tiene un pureza del 75% GASES Cuánto Sabes? • ¿Porqué los gases no presentan forma ni volumen definidos? • ¿Por qué al destapar un frasco de perfume, podemos percibir los olores? Se denomina gas al estado de agregación de la materia que no tiene forma ni volumen propio. Su principal composición son moléculas no unidas, expandidas y con poca fuerza de atracción, haciendo que no tengan volumen y forma definida, provocando que este se expanda para ocupar todo el volumen del recipiente que la contiene, con respecto a los gases las fuerzas gravitatorias y de atracción entre partículas resultan insignificantes. Es considerado en algunos diccionarios como sinónimo de vapor, aunque no hay que confundir sus conceptos, ya que el termino de vapor se refiere estrictamente para aquel gas que se puede condensar por presurización a temperatura constante. Gas, sustancia en uno de los tres estados diferentes de la materia ordinaria, que son el sólido, el líquido y el gaseoso. Los sólidos tienen una forma bien definida y son difíciles de comprimir. Los líquidos fluyen libremente y están limitados por superficies que forman por sí solos. Los gases se expanden libremente hasta llenar el recipiente que los contiene, y su densidad es mucho menor que la de los líquidos y sólidos. Estados de materia: Depende de las condiciones de presión y de temperatura. EL ESTADO GASEOSO Presenta propiedades como Se explica mediante Para su estudio son necesarias las leyes de La teoría cinética compresibilidad Boyle V1/V2=P2/P1 Charles V1/V2=T1/T2 expansibilidad Gay-Lussac P1/P2=T1/T2 Dalton Mezcla de gases Graham VA/VB= MB/MA Condiciones de las que dependen los gases. LA TEMPERATURA Según la teoría cinética, la temperatura es una medida de la energía cinética media de los átomos y moléculas que constituyen un sistema. Dado que la energía cinética depende de la velocidad, podemos decir que la temperatura está relacionada con las velocidades medias de las moléculas del gas. Hay varias escalas para medir la temperatura; las más conocidas y utilizadas son las escalas Celsius (ºC), Kelvin (K) y Fahrenheit (ºF). Escalas de Temperatura C= (ºF - 32)/1.8 ºC=K - 273.15 K=(ºF-32)*5/9+273.15 K=ºC + 273.15 ºF=(ºC * 1.8) + 32 ºF=(K-273.15)*9/5+32 LA PRESIÓN En Física, llamamos presión a la relación que existe entre una fuerza y la superficie sobre la que se aplica: P = F/S Dado que en el Sistema Internacional la unidad de fuerza es el newton (N) y la de superficie es el metro cuadrado (m2), la unidad resultante para la presión es el newton por metro cuadrado (N/m2) que recibe el nombre de pascal (Pa) 1 Pa = 1 N/m2 Otra unidad muy utilizada para medir la presión, aunque no pertenece al Sistema Internacional, es el milímetro de mercurio (mm Hg) que representa una presión equivalente al peso de una columna de mercurio de 1 mm de altura. Esta unidad está relacionada con la experiencia de Torricelli que encontró, utilizando un barómetro de mercurio, que al nivel del mar la presión atmosférica era equivalente a la ejercida por una columna de mercurio de 760 mm de altura. En este caso la fuerza se correspondería con el peso (m·g) de la columna de mercurio por lo que P = m·g/S Como la masa puede expresarse como el producto de la densidad por el volumen (m = d·V), si sustituimos será: P = d·V·g/S y dado que el volumen es el producto de la superficie de la base por la altura (V = S·h), tenemos P = d·S·h·g/S EL VOLUMEN El volumen es el espacio que ocupa un sistema. Recuerda que los gases ocupan todo el volumen disponible del recipiente en el que se encuentran. Decir que el volumen de un recipiente que contiene un gas ha cambiado es equivalente a decir que ha cambiado el volumen del gas. En el laboratorio se utilizan frecuentemente jeringuillas como recipientes de volumen variable cuando se quiere experimentar con gases. Hay muchas unidades para medir el volumen. En este trabajo usaremos el litro (L) y el mililitro (mL) Su equivalencia es: 1L = 1000 mL Como 1 L es equivalente a 1 dm3, es decir a 1000 cm3, tenemos que el mL y el cm3 son unidades equivalentes. CANTIDAD DE GAS La cantidad de gas está relacionada con el número total de moléculas que se encuentran en un recipiente. La unidad que utilizamos para medir la cantidad de gas es el mol. Un mol es una cantidad igual al llamado número de Avogadro: 1 mol de moléculas= 6,022·1023 moléculas 1 mol de átomos= 6,022·1023 átomos ¡¡¡ 602.200.000.000.000.000.000.000 !!! La masa molar de una sustancia pura es la masa que corresponde a 1 mol de dicha sustancia: masa en gramos masa molar = -------------------cantidad de moles Teoría Cinético-Molecular de los Gases En 1738 Daniel Bernouilli dedujo la Ley de Boyle aplicando a las moléculas las leyes del movimiento de Newton, pero su trabajo fue ignorado durante más de un siglo. Los experimentos de Joule demostrando que el calor es una forma de energía hicieron renacer las ideas sostenidas por Bernouilli y en el período entre 1848 y 1898, Joule, Clausius, Maxwell y Boltzmann desarrollaron la teoría cinético-molecular, también llamada teoría cinética de los gases, que se basa en la idea de que todos los gases se comportan de la misma manera en lo referente al movimiento molecular . En 1905 Einstein aplicó la teoría cinética al movimiento browniano de una partícula pequeña inmersa en un fluido y sus ecuaciones fueron confirmadas por los experimentos de Perrín en 1908, convenciendo de esta forma a los energéticos de la realidad de los átomos. La teoría cinética de los gases utiliza una descripción molecular para explicar el comportamiento macroscópico de la materia y se basa en los siguientes postulados: POSTULADOS 1.Los gases están constituidos por partículas que se mueven en línea recta y al azar 2.Este movimiento se modifica si las partículas chocan entre sí o con las paredes del recipiente 3.El volumen de las partículas se considera despreciable comparado con el volumen del gas 4.Entre las partículas no existen fuerzas atractivas ni repulsivas 5.La Ec media de las partículas es proporcional a la temperatura absoluta del gas LEYES DE LOS GASES Ley de Avogadro Relación entre la cantidad de gas y su volumen Esta ley, descubierta por Avogadro a principios del siglo XIX, establece la relación entre la cantidad de gas y su volumen cuando se mantienen constantes la temperatura y la presión. Recuerda que la cantidad de gas la medimos en moles. El volumen es directamente proporcional a la cantidad de gas: •Si aumentamos la cantidad de gas, aumentará el volumen. •Si disminuimos la cantidad de gas, el volumen disminuye. ¿Por qué ocurre esto? Vamos a suponer que aumentamos la cantidad de gas. Esto quiere decir que al haber mayor número de moléculas aumentará la frecuencia de los choques con las paredes del recipiente lo que implica (por un instante) que la presión dentro del recipiente es mayor que la exterior y esto provoca que el émbolo se desplace hacia arriba inmediatamente. Al haber ahora mayor distancia entre las paredes (es decir, mayor volumen del recipiente) el número de choques de las moléculas contra las paredes disminuye y la presión vuelve a su valor original. Según hemos visto en la animación anterior, también podemos expresar la ley de Avogadro así: (el cociente entre el volumen y la cantidad de gas es constante) Supongamos que tenemos una cierta cantidad de gas n1 que ocupa un volumen V1 al comienzo del experimento. Si variamos la cantidad de gas hasta un nuevo valor n2, entonces el volumen cambiará a V2, y se cumplirá: que es otra manera de expresar la ley de Avogadro. Ejemplo: Sabemos que 3.50 L de un gas contienen 0.875 mol. Si aumentamos la cantidad de gas hasta 1.40 mol, ¿cuál será el nuevo volumen del gas? (a temperatura y presión constantes) Solución: Usamos la ecuación de la ley de Avogadro : V1n2 = V2n1 (3.50 L) (1.40 mol) = (V2) (0.875 mol) Comprueba que si despejamos V2 obtenemos un valor de 5.60 L Ley de Boyle Relación entre la presión y el volumen de un gas cuando la temperatura es constante Fue descubierta por Robert Boyle en 1662. Edme Mariotte también llegó a la misma conclusión que Boyle, pero no publicó sus trabajos hasta 1676. Esta es la razón por la que en muchos libros encontramos esta ley con el nombre de Ley de Boyle y Mariotte. La ley de Boyle establece que la presión de un gas en un recipiente cerrado es inversamente proporcional al volumen del recipiente, cuando la temperatura es constante. El volumen es inversamente proporcional a la presión: •Si la presión aumenta, el volumen disminuye. •Si la presión disminuye, el volumen aumenta. ¿Por qué ocurre esto? Al aumentar el volumen, las partículas (átomos o moléculas) del gas tardan más en llegar a las paredes del recipiente y por lo tanto chocan menos veces por unidad de tiempo contra ellas. Esto significa que la presión será menor ya que ésta representa la frecuencia de choques del gas contra las paredes. Cuando disminuye el volumen la distancia que tienen que recorrer las partículas es menor y por tanto se producen más choques en cada unidad de tiempo: aumenta la presión. Lo que Boyle descubrió es que si la cantidad de gas y la temperatura permanecen constantes, el producto de la presión por el volumen siempre tiene el mismo valor. Como hemos visto, la expresión matemática de esta ley es: (el producto de la presión por el volumen es constante) Supongamos que tenemos un cierto volumen de gas V1 que se encuentra a una presión P1 al comienzo del experimento. Si variamos el volumen de gas hasta un nuevo valor V2, entonces la presión cambiará a P2, y se cumplirá: que es otra manera de expresar la ley de Boyle. Ejemplo: 4.0 L de un gas están a 600.0 mmHg de presión. ¿Cuál será su nuevo volumen si aumentamos la presión hasta 800.0 mmHg? Solución: Sustituimos los valores en la ecuación P1V1 = P2V2. (600.0 mmHg) (4.0 L) =(800.0 mmHg) (V2) Si despejas V2 obtendrás un valor para el nuevo volumen de 3L. Ley de Charles Relación entre la temperatura y el volumen de un gas cuando la presión es constante En 1787, Jack Charles estudió por primera vez la relación entre el volumen y la temperatura de una muestra de gas a presión constante y observó que cuando se aumentaba la temperatura el volumen del gas también aumentaba y que al enfriar el volumen disminuía. El volumen es directamente proporcional a la temperatura del gas: •Si la temperatura aumenta, el volumen del gas aumenta. •Si la temperatura del gas disminuye, el volumen disminuye. ¿Por qué ocurre esto?Cuando aumentamos la temperatura del gas las moléculas se mueven con más rapidez y tardan menos tiempo en alcanzar las paredes del recipiente. Esto quiere decir que el número de choques por unidad de tiempo será mayor. Es decir se producirá un aumento (por un instante) de la presión en el interior del recipiente y aumentará el volumen (el émbolo se desplazará hacia arriba hasta que la presión se iguale con la exterior). Lo que Charles descubrió es que si la cantidad de gas y la presión permanecen constantes, el cociente entre el volumen y la temperatura siempre tiene el mismo valor. Matemáticamente podemos expresarlo así: (el cociente entre el volumen y la temperatura es constante) Supongamos que tenemos un cierto volumen de gas V1 que se encuentra a una temperatura T1 al comienzo del experimento. Si variamos el volumen de gas hasta un nuevo valor V2, entonces la temperatura cambiará a T2, y se cumplirá: que es otra manera de expresar la ley de Charles. Esta ley se descubre casi ciento cuarenta años después de la de Boyle debido a que cuando Charles la enunció se encontró con el inconveniente de tener que relacionar el volumen con la temperatura Celsius ya que aún no existía la escala absoluta de temperatura. Ejemplo: Un gas tiene un volumen de 2.5 L a 25 °C. ¿Cuál ser á su nuevo volumen si bajamos la temperatura a 10 °C? Recuerda que en estos ejercicios siempre hay que usar la escala Kelvin. Solución: Primero expresamos la temperatura en kelvin: T1 = (25 + 273) K= 298 K T2 = (10 + 273 ) K= 283 K Ahora sustituimos los datos en la ecuación: 2.5L V2 ----- = ----- 298 K 283 K Si despejas V2 obtendrás un valor para el nuevo volumen de 2.37 L. Ley combinada de los gases Las relaciones entre la presión, el volumen y la temperatura deducidas empíricamente en la ley de Boyle y la primera y la segunda ley de Gay-Lussac, pueden combinarse matemáticamente. La expresión resultante se denomina ley combinada de los gases. Para una determinada masa de gas, tenemos: P1XV1/T1 =P2XV2/T2 Donde el subíndice 1 corresponde a las condiciones iniciales del gas y el subíndice 2 a las condiciones finales del gas. Esta ecuación se puede aplicar para cualquier cambio en las variables p, V y T que experimente una misma masa de un gas. Recuerda que la temperatura se expresa en la escala Kelvin. Si conocemos cinco cualquiera de las cantidades de la ecuación la sexta puede calcularse despejándola de la ecuación. Dados 20 dm3 de oxígeno a 25 °C y 760 mmHg de presi ón, determina su volumen a 100 °C y 800 mmHg de presión. Condiciones iniciales Condiciones finales p1_760 mmHg p2_800 mmHg V1_20 dm3 V2_? T1_298 K T2_373 K _ ; V2_ _17,4 dm3 La ecuación de estado La ecuación que describe normalmente la relación entre la presión, el volumen, la temperatura y la cantidad (en moles) de un gas ideal es: Donde: • = Presión. • = Volumen. • = Moles de gas. • = Constante universal de los gases ideales . =0.082 atmxlit/mol·K • = Temperatura en Kelvin. Realizar ejercicios del libro Quimica 1 de editorial norma, que se encuentra en la biblioteca de la institución. QUÍMICA ORGÁNICA Se basa en el estudio de los hidrocarburos y compuestos derivados del carbono como el petróleo. El carbono tiene la capacidad de unirse a si mismo formando cadena carbonadas. Los carbonos en estas cadenas se clasifican en primario cuando se une a un átomo de carbono, secundario cuando se une a dos átomos de carbono, terciario cuando se une a tres átomos de carbono y cuaternario cuando se une a cuatro átomos de carbono. Ejemplo: C1 C1 – C2- C2- C2- C4 - C3- C2- C2- C1 C1 C1 Los hidrocarburos son compuestos formados por carbono e hidrógeno, estos se clasifican como se muestra a continuación: CLASIFICACIÓN DE LOS HIDROCARBUROS HETEROCICLICOS HOMOCICLICOS Alcanos Alquenos Presentan enlace simple, su formula molecular es CnH2n+2, estado de hibridación sp3. Presentan enlace doble, su formula molecular es CnH2, estado de hibridación sp2. Alquinos Presentan enlace triple, su formula molecular es CnH2n-2, estado de hibridación sp. Ciclo alcano ciclo alqueno ciclo alquino Derivados del benceno Son estructuras cerradas y forman figuras geométricas. s NOMENCLATURA ORGÁNICA Consiste en nombrar y formular hidrocarburos con base a la norma internacional IUPAC. Norma IUPAC. 1. Identificar la cadena más larga. 2. Numerar la cadena del extremo donde se encuentre el primer radical. 3. Identificar los radicales. 4. Nombrar los radicales y ubicar la posición donde se encuentran, si el radical está repetido, utilizar los prefijos: di, tri, tetra, penta. 5. Si la cadena presenta enlaces simples se utiliza el sufijo ANO, doble ENO, triple INO. A continuación se relacionan los Radicales más utilizados: -CH3 Metil -CH2-CH3 Etil -CH2-CH2-CH3 Propil -CH2-CH2-CH2-CH3 Butil De acuerdo al número de la cadena y para nombrarla utilizamos la siguiente tabla. Número de Carbono Sufijo 1 Met 2 Et 3 Prop 4 But 5 Pent 6 Hex 7 Hept 8 Oct 9 Non 10 Dec ALQUENOS Son hidrocarburos de cadena abierta que se caracterizan por tener uno o más dobles enlaces, C=C. ¿Cómo se nombran? Se nombran igual que los alcanos, pero con la terminación en "-eno". De todas formas, hay que seguir las siguientes reglas: Se escoge como cadena principal la más larga que contenga el doble enlace. De haber ramificaciones se toma como cadena principal la que contenga el mayor número de dobles enlaces, aunque sea más corta que las otras. 3-propil-1,4-hexadieno Se comienza a contar por elextremo más cercanoa un doble enlace, con lo que el doble enlace tiene preferencia sobre las cadenas laterales a la hora de nombrar los carbonos, y se nombra el hidrocarburo especificando el primer carbono que contiene ese doble enlace. 4-metil-1-penteno En el caso de que hubiera más de un doble enlace se emplean las terminaciones, "-dieno", "-trieno", etc., precedidas por los números que indican la posición de esos dobles enlaces. 1,3,5-hexatrieno Si nos dan la fórmula CH2 = CH – CH – CH- CH – CH3 CH3 - CH2 CH3 Busca la cadena más larga que contenga todos los dobles enlaces, en este caso es de 5 carbonos. Numera los carbonos comenzando por el extremo que tenga más cerca una insaturación, es decir, un doble enlace. Marca los radicales y fíjate a qué carbonos están unidos. Nombra los localizadores seguidos de los nombres de los radicales por orden alfabético. Por último, nombra la cadena principal con el prefijo correspondiente y terminada en -eno. Si nos dan el nombre 2,4- DIMETIL PENTENO CH3 CH3 CH2 = C- CH2- CH- CH3 Ejemplos eteno (etileno) propeno 1-buteno 2-buteno etenilo (vinilo) 2-propenilo (alilo) 1-propenilo 1,3-butadieno 3-etil-4-metil-1-penteno 6-metil-3-propil-1,3,5heptatrieno Qué son? Son hidrocarburos de cadena abierta que se caracterizan por tener uno o más triples enlaces, Carbono-Carbono. ¿Cómo se nombran? En general su nomenclatura sigue las pautas indicadas para los alquenos, pero terminando en "-ino". Más interesante es la nomenclatura de los hidrocarburos que contienen dobles y triples enlaces en su molécula. En este caso, hay que indicar tanto los dobles enlaces como los triples, pero con preferencia por los dobles enlaces que serán los que dan nombre al hidrocarburo. 1-buten-3-ino La cadena principal es la que tenga mayor número de insaturaciones (indistintamente), pero buscando que los números localizadores sean los más bajos posibles. En caso de igualdad tienen preferencia los carbonos con doble enlace. 4-(3-pentinil)-1,3-nonadien-5,7-diino Si nos dan la fórmula Busca la cadena más larga que contenga todos los triples enlaces, en este caso es de 5 carbonos. Numera los carbonos comenzando por el extremo que tenga más cerca una insaturación, es decir, un triple enlace. Marca los radicales y fíjate a qué carbonos están unidos. Nombra los localizadores seguidos de los nombres de los radicales por orden alfabético. Por último, nombra la cadena principal con el prefijo correspondiente y terminada en -ino. Si nos dan el nombre Escribe la cadena más larga de carbonos, en este caso 5 carbonos. Sitúa los triples enlaces en los carbonos que nos indican los localizadores, el 1 y 4. Sitúa los radicales sobre la cadena con la ayuda de los localizadores. Completa el esqueleto de carbonos con hidrógenos hasta completar los cuatro enlaces de cada carbono. Ejemplos etino (acetileno) propino 1-butino 2-butino etinilo 2-propinilo 1-pentino Actividad Metodología Valoración Trabajo individual Evaluación de la estructura del carbono. Nombrar y formular alquenos y alquinos Evaluación estequiometria Evaluación gases Talleres de aplicación 20% Fecha Tentativas Mayo 20% Mayo 10% 10% Mayo Durante el período. Trabajo individual Trabajo individual Trabajo en grupo en clase