CAMBIOS QUÍMICOS 1. LA CIENCIA QUÍMICA. LA NATURALEZA DE LOS CAMBIOS. EL NACIMIENTO DE LA CIENCIA QUÍMICA. NATURALEZA DE LAS INTERACCIONES QUÍMICAS. 2. CAMBIOS Y REACCIONES QUÍMICOS. CÓMO SE PRODUCE UN CAMBIO QUÍMICO. REACTIVOS Y PRODUCTOS. FÓRMULAS DE LOS COMPUESTOS. ECUACIONES QUÍMICAS. 3. LAS LEYES DE LA QUÍMICA. LEY DE CONSERVACIÓN DE LA MASA. LEY DE LAS PROPORCIONES DEFINIDAS. 4. LAS MEDIDAS EN QUÍMICA. MEDIDA DE MASAS. CONTÁNDO ÁTOMOS Y MOLÉCULAS. LA UNIDAD QUÍMICA: EL MOL OTRA UNIDAD QUÍMICA: LA MASA MOLAR. 5. ALGUNOS TIPOS DE REACCIONES QUÍMICAS. REACCIONES DE SÍNTESIS. REACCIONES DE DESCOMPOSICIÓN. REACCIONES EXOTÉRMICAS Y ENDOTÉRMICAS. RELACIONES ESTEQUIOMÉTRICAS. 1. LA CIENCIA QUÍMICA LA NATURALEZA DE LOS CAMBIOS Si doblamos, cortamos o arrugamos un papel, cambia de aspecto pero sigue siendo papel. Decimos que es un CAMBIO FÍSICO. Pero si lo quemamos, al final no queda papel: hay humo y cenizas. Es un CAMBIO QUÍMICO. LA NATURALEZA DE LOS CAMBIOS En los CAMBIOS FÍSICOS, las sustancias mantienen su naturaleza y sus propiedades esenciales, es decir, siguen siendo las mismas sustancias. •En los CAMBIOS QUÍMICOS, las sustancias iniciales se transforman en otras distintas, que tienen propiedades diferentes. NITRÓGENO LÍQUIDO (sustancias que normalmente se encuentra en estado gaseoso. Para volverse líquido hay que bajar la temperatura a -196º C) , este hierve vivamente al adquirir la temperatura ambiente. La OXIDACIÓN, en su sentido original, se refiere a la combinación de oxígeno con otra sustancia para producir un compuesto llamado óxido. El hierro, en presencia de agua, reacciona con el oxígeno de la atmósfera formando un óxido de hierro hidratado, conocido comúnmente como orín. EL NACIMIENTO DE LA CIENCIA QUÍMICA John Dalton (1766-1844) La materia está formada por átomos EL NACIMIENTO DE LA CIENCIA QUÍMICA Antoine Laurent Lavoisier (1743-1794) NATURALEZA DE LAS INTERACCIONES QUÍMICAS LAS FUERZAS ELECTROMAGNÉTICAS SON LAS CAUSA DE LOS ENLACES QUÍMICOS LOS ÁTOMOS SE ATRAEN O REPELEN DEBIDO A LAS CARGAS ELÉCTRICAS QUE HAY EN SU INTERIOR 2. CAMBIOS Y REACCIONES QUÍMICAS CÓMO SE PRODUCE UN CAMBIO QUÍMICO: REACTIVOS Y PRODUCTOS Fíjate en estos espeleólogos en el interior de una cueva. ¿Cómo consiguen iluminar el camino? La mejor solución es aprovechar un curioso cambio químico conocido desde tiempos lejanos. experimento que se produce en el casco de los espeleólogos Las lámparas de los espeleólogos funcionan mediante una cambio químico que se produce entre el carburo de calcio (CaC2) y el agua (H2O): Se vierte el agua sobre el carburo y se desprende un gas llamado acetileno (C2H2). Si acercamos una llama o una chispa, el acetileno arderá produciendo una llama brillante. En todo este proceso ocurren varias reacciones químicas: 1) La producción de acetileno a partir de agua y carburo de calcio. 2) La combustión del acetileno para desprender luz. Una reacción química es un proceso en el que unas sustancias llamadas reactivos se transforman en otras distintas llamadas productos. CÓMO SE PRODUCE UN CAMBIO QUÍMICO: REACTIVOS Y PRODUCTOS UNA REACCIÓN QUÍMICA ES EL PROCESO EN EL QUE, MEDIANTE UNA REORGANIZACIÓN DE ENLACES Y ÁTOMOS, UNA O MÁS SUSTANCIAS INICIALES SE TRANSFORMAN EN OTRAS DISTINTAS. FORMULAS DE LOS COMPUESTOS CO2 1 MOLÉCULA DE DIÓXIDO DE CARBONO 1 ÁTOMO DE CARBONO 2 ÁTOMOS DE OXÍGENO ECUACIONES QUÍMICAS Las reacciones químicas se representan con ecuaciones que contienen las fórmulas de los reactivos en el PRIMER MIEMBRO, y las fórmulas de los productos en el SEGUNDO, separados por una flecha que indica el sentido en el que se produce la reacción. Esta es la reacción de oxidación del pentano: C5H12 + O2 → CO2 + H2O En el primer miembro de esta ecuación tenemos 5 átomos de carbono, mientras que en el segundo solo 1. Asimismo, tenemos 12 átomos de hidrógeno a la izquierda, y solo 2 a la derecha. Decimos que esta ecuación química no está ajustada. COEFICIENTE C5H12 + 8 O2 → 5 CO2 + 6 H2O 3. LAS LEYES DE LA QUÍMICA LEY DE CONSERVACIÓN DE LAS MASAS La combustión, uno de los grandes problemas de la química del siglo XVIII, despertó el interés de LAVOISIER porque éste trabajaba en un ensayo sobre la mejora de las técnicas del alumbrado público de París. Comprobó que al calentar metales como el estaño y el plomo en recipientes cerrados con una cantidad limitada de aire, estos se recubrían con una capa de calcinado hasta un momento determinado en que ésta no avanzaba más. Si se pesaba el conjunto (metal, calcinado, aire, etc.) después del calentamiento, el resultado era igual al peso antes de comenzar el proceso. Si el metal había ganado peso al calcinarse, era evidente que algo del recipiente debía haber perdido la misma cantidad de masa. Ese algo era el aire. Por tanto, LAVOISIER demostró que la calcinación de un metal no era el resultado de la pérdida del misterioso flogisto, sino la ganancia de algo muy material: una parte de aire. En toda reacción química la masa se conserva, esto es, la masa total de los reactivos es igual a la masa total de los productos AJUSTE DE ECUACIONES QUÍMICAS En un cambio químico, el número y la clase de átomos que intervienen se conserva; solo cambia las moléculas (la forma en que los átomos están unidos) C5H12 + O2 → CO2 + H2O TIPO DE ÁTOMOS NÚMERO DE ATÓMOS (REACTIVOS) NÚMERO DE ÁTOMOS (PRODUCTOS) C 5 1 H 12 2 O 2 3 ECUACIÓN NO AJUSTADA AJUSTE DE ECUACIONES QUÍMICAS a C5H12 + b O2 → c CO2 + d H2O TIPO DE ÁTOMOS NÚMERO DE ATÓMOS (REACTIVOS) NÚMERO DE ÁTOMOS (PRODUCTOS) C 5a = 1c H 12 a = 2d O 2b = 2c + 1d a=1 5 (1) = c ; 5 = c ; c = 5 12 (1) = 2 d ; 12 = 2 d ; 12/2 = d ; d =6 ; d = 6 2 b = 2 (5) + 1 (6) ; 2 b = 10 + 6 ; 2b = 16 ; b = 8 C5H12 + 8 O2 → 5 CO2 + 6 H2O LEY DE LAS PROPORCIONES DEFINIDAS •Cuando dos o más elementos químicos se combinan para formar un determinado compuesto, lo hacen según una relación constante entre sus masas. •Cuando un determinado compuesto se separa en sus elementos, las masas de éstos se encuentran en una relación constante que es independiente de cómo se haya preparado el compuesto, de si se ha obtenido en el laboratorio o de su procedencia. Joseph Louis Proust El azufre y el hierro se combinan para formar sulfuro de hierro (II) en la siguiente proporción: 4 gramos de azufre por cada 7 gramos de hierro Azufre + Hierro Sulfuro de hierro Azufre Hierro Sulfuro de hierro Inicio 4g 7g 0g Final 0g 0g 11 g Azufre + Hierro Sulfuro de hierro Azufre Hierro Sulfuro de hierro Inicio 4g 10g 0g Final 0g 3g 11g Azufre + Hierro Sulfuro de hierro Azufre Hierro Sulfuro de hierro Inicio 12g 30g 0g Final 0g 9g 33g Azufre + Hierro Sulfuro de hierro Azufre Hierro Sulfuro de hierro Inicio 11g 33g 0g Final 3g 19g 22g Se sabe que 8 g de azufre reacciona con 12 g de oxígeno para dar 20 g de trióxido de azufre: a) ¿Cuántos gramos de oxígeno reaccionarán con 1 g de azufre y qué cantidad de trióxido de azufre se obtendrá; b) si se descomponen 100 g de trióxido de azufre ¿cuántos gramos de azufre se obtendrán? Azufre + Oxigeno Trióxido de azufre azufre oxígeno Trióxido de azufre Inicio 8g 12g 0g Final 0g 0g 20g a) 1g ¿m? ¿m? b) ¿m? ¿m? 100g 8g azufre 1g azufre ------------ = -----------------12g oxígeno xg oxígeno 1g 12 g m O2 1,5 g 8g 8g azufre xg azufre --------------- = ------------------------------20g trióxido 100g trióxido de azufre 8g azufre 1g azufre --------------- = ------------------------------20g trióxido xg trióxido de azufre 1g 20 g m SO3 2,5 g 8g 100 g 8 g m S 40g 20 g 4. LAS MEDIDAS EN QUÍMICA MEDIDA DE MASAS Lavoisier inició la etapa científica de la química, porque comenzó a utilizar la balanza para medir la masa de todas las sustancias que intervenían en una reacción. CONTANDO ÁTOMOS Y MOLÉCULAS ES EL NÚMERO Y LA CLASE DE PARTÍCULAS LO QUE DEFINE LAS PROPIEDADES QUÍMICAS DE LAS SUSTANCIAS Y SU REACTIVIDAD H2 O 1 MOLÉCULA DE AGUA ISÓTOPOS DE HIDRÓGENO Masa atómica = 1u. Masa atómica = 2u. ISÓTOPOS DE OXÍGENO Masa atómica = 16u. Masa atómica = 17u. Masa atómica = 18u. ÁTOMO NÚMERO MASA ATÓMICA Nº ÁTOMOS X MASA ATÓMICA H 2 1u 2 O 1 16u 16 MASA MOLECULAR 18u ÁTOMO NÚMERO MASA ATÓMICA Nº ÁTOMOS X MASA ATÓMICA H 2 2u 4 O 1 18u 18 MASA MOLECULAR 22u EL MOL MOL ES LA CANTIDAD DE SUSTANCIA DE UN SISTEMA QUE CONTIENE 6,022 x 10 23 partículas 1 mol = 6,022 x 10 23 partículas NÚMERO DE AVOGADRO (NA) NA = 6,022 x 10 23 seiscientos mil trillones = 600.0003000.0002000.0001000.000 ELEMENTO QUÍMICO MASA ATÓMICA MASA (g) NÚMERO DE ÁTOMOS Argón (Ar) 40u 40g 6,022 x 10 23 Hidrógeno (H) 1u 1g 6,022 x 10 23 COMPUESTO QUÍMICO MASA molécular MASA (g) NÚMERO DE ÁTOMOS Agua (H2O) 18u 18g 6,022 x 10 23 Lorenzo Romano Amedeo Metano (CH4) 16u 16g 6,022 x 10 23 Carlo Avogadro MASA MOLAR MASA MOLAR ES LA MASA DE UN MOL DE SUSTANCIA 1 MOL NÚMERO DE PARTÍCULAS MASA (g) VOLUMEN (L) Compuesto gaseoso en condiciones normales de temperatura y presión agua (H2O) 1 MOL 6,022 x 10 23 NÚMERO DE PARTÍCULAS 18 MASA (g) VOLUMEN (L) Compuesto gaseoso en condiciones normales de temperatura y presión metano (CH4) 6,022 x 10 23 16 Masa molar del agua M = 18g/mol Masa molar del metano M = 16g/mol 22,4 RELACIÓN ENTRE CANTIDAD DE SUSTANCIA Y MASA MOLAR MASA CANTIDAD DE SUSTANCIA = ---------------------MASA MOLAR m (g) n (mol) = ---------------------M (g/mol) Calcula la cantidad de agua (H2O), en mol, que hay en 36g de esta sustancia. ¿Cuántas moléculas hay? ¿Cuántos átomos de hidrógeno y oxígeno hay en dicha cantidad de sustancia? Se calcula la masa molecular del agua 18u Se calcula la masa molar 18g/mol Se calcula la cantidad de sustancia (n) n= 36g/18g/mol ; n= 2mol Se calcula el número de moléculas de agua 1mol H2O / 6,023 x1023 moléculas H2O = 2mol H2O / x moléculas H2O x = 1,20 x1024 moléculas H2O Se calcula el número de átomos de hidrógeno y el número de átomos de oxígeno 1molécula H2O / 2 átomos H= 1,20 x1024 moléculas H2O / x átomos H2 x = 2,4 x1024 átomos H 1molécula H2O / 1 átomos O = 1,20 x1024 moléculas H2O / x átomos O2 x = 1,2 x1024 átomos O 5. ALGUNOS TIPOS DE REACCIONES QUÍMICAS REACCIONES DE SÍNTESIS Son aquellas donde dos o más sustancias simples, elementos o compuestos, reaccionan para dar un único compuesto . Reactivo Reactivo Producto Ecuación química Elemento metálico Elemento no metálico Compuesto iónico Fe (s) + S (s) FeS (s) Elemento no metálico Elemento no metálico Compuesto covalente S (s) + O2 (g) SO2 (g) Oxido metálico Agua Hidróxido MgO (s) + HO2 (l) Mg(OH)2 (g) Oxido no metálico Agua Oxoácido CO2 (g) + HO2 (l) H2CO3 (aq) Oxido no metálico Oxido no metálico Oxisal NaO2 (s) + CO2 (g) Na2CO3 (s) A+B+…C+ REACCIONES DE SÍNTESIS C (s) + O2 (g) CO2 (g) N2 (g) + 3 H2 (g) 2 NH3 (g) 2H2(g) + O2 (g) 2 H2O(g) REACCIONES DE DESCOMPOSICIÓN Son aquellas en las que una sustancia se transforma en otras más sencillas. DESCOMPOSICIÓN TÉRMICA (la energía absorbida se suministra mediante calor) 2 Ag2O (s) 4 Ag (s) + O2 (g) DESCOMPOSICIÓN ELECTROLÍTICA (la energía absorbida se suministra mediante electricidad) 2 H2O (l) 2H2 (g) + O2 (g) A B+C+… REACCIONES DE DESCOMPOSICIÓN CaCO3 (s) → CaO (s) + CO2 (g) REACCIONES EXOTÉRMICAS Y ENDOTÉRMICAS REACCIONES EXOTÉRMICAS Y ENDOTÉRMICAS RELACIONES ESTEQUIOMETRICAS N2 (g) + 3 H2 (g) 2 NH3 (g) REACTIVOS PRODUCTOS COMPUESTOS QUÍMICOS Nitrógeno e hidrógeno molecular Amoniaco ESTADO FÍSICO Ambos reacttvos son gaseosos gaseoso INTERPRETACIÓN MICROSCÓPICA 1 molécula de N2 3 moléculas de H2 MOLÉCULAS 2 moléculas de NH3 INTERPRETACIÓN MACROSCÓPICA MOLES 1 mol de N2 3 moles de H2 2 moles de NH3 VOLÚMENES (sustancias gaseosas) 1volumen de N2 3 volúmenes de H2 2 volúmenes de NH3 MASA (gramos) (nº moles x Masa Molecular ) 28g de N2 6g de H2 34g de NH3 CÁLCULOS QUÍMICOS CON MASAS Una forma de obtener hidrógeno es mediante la reacción de aluminio con una disolución acuosa de ácido clorhídrico que, además, produce una disolución de tricloruro de aluminio. Calcula los gramos de hidrógeno y de tricloruro de aluminio que se pueden obtener a partir de 270g de aluminio y los gramos necesarios de ácido clorhídrico. Se escribe la ecuación química ajustada Se anotan los moles que reaccionan de cada sustancia Se convierten los moles gramos (Masa molecular x nº moles) 2 Al(s) + 6 HCl (aq) 2 AlCl3 (aq) + 3 H2 (g) 2 moles + 6 moles 2 x 27 54g + 6 x 36,5 + 219g 2 moles + 3 moles 2 x 133,5 + 3 x 2 267g + 6g Se expresa el dato, 270g de aluminio, en moles 1mol aluminio / 27g aluminio = x moles aluminio / 270g de aluminio X= 10 moles de aluminio Se estable la nueva proporción en moles con el dato obtenido 2moles Al / 6 moles HCl = 10moles Al / x moles de HCl X= 30 moles de HCl 2moles Al / 2 moles AlCl3 = 10moles Al / x moles de AlCl3 X= 10 moles de AlCl3 2moles Al / 3 moles H2 = 10moles Al / x moles de H2 X= 15 moles de H2 Se convierten los moles calculados en gramos HCl : 30 moles x 36,5 = 1095g AlCl3 : 10 moles x 133,5 = 1335g H2: 15 moles x 2 = 30g Se interpreta el resultado En la reacción de 270g de aluminio con 1095g de ácido clorhídrico, se producen 1335g de tricloruro de aluminio y 30 gramos de hidrógeno CÁLCULOS QUÍMICOS CON VOLÚMENES Cuando se quema gas metano, CH4, en presencia de oxígeno, se obtiene dióxido de carbono, CO2, y agua, H2O, en estado gaseoso. Si se han consumido 30L de CH4 (g), calcula los litros de CO2 (g) y de H2O (g) que se producirán y el volumen de O2 (g) necesario sabiendo que estos gases están a igual presión y temperatura. Se escribe la ecuación química ajustada Se anotan los volúmenes de cada gas, teniendo en cuenta sus coeficientes. Se elige una unidad de volumen, por ejemplo 1L CH4 (g) + 2 O2 (g) CO2 (g) + 2 H2O (g) 1volumen 1L + 2 volúmenes + 2L 1volumen + 2 volúmenes 1L + 2L 1L METANO / 2L OXÍGENO = 30L METANO / XL OXÍGENO X= 60L OXÍGENO Se establece la nueva proporción en volúmenes con el dato de volumen de metano consumido. 1L METANO / 1L DIÓXIDO = 30L METANO / XL DIÓXIDO X= 30L DIÓXIDO 1L METANO / 2L AGUA = 30L METANO / XL AGUA X= 60L AGUA Se interpreta los resultados En la reacción de 30L de metano con 60L de oxígeno se han formado 30L de dióxido y 60L de agua.
