26/9/06

Problema de Unidades de Concentración

Se prepara una solución diluyendo 5 al de etanol (d = 0,789 g/mL) en suficiente agua para obtener 100 al de una solución de densidad 0,982 g/mL). Veamos como se puede expresar la concentración de esta solución:

Unidades Físicas:

Porcentaje Volumen-Volumen (V/V)

% (V/V) = [5 mL (soluto-etanol) /100 mL (solución)] x 100 = 5% etanol en agua

Porcentaje Peso-Volumen (P/V)

5 mL de etanol (soluto) equivalen a 3,945 g de etanol (5 mL x 0,789 g/mL), entonces:

% (P/V) = [3,945 g etanol (soluto) /100 mL solución] x 100 = 3,945%

Porcentaje Peso-Peso (P/P)

masa de etanol = 5 mL x 0,789 g/mL = 3,945 g

masa de solución = 100 mL x 0.982 g/mL = 98,2 g disolución

% (P/P) = [(3,945 g etanol / 98,2 g solución) x 100] = 4,017%

Unidades Químicas

Fracción Molar

Hay que “llevar” las masas se etanol y agua a moles usando los pesos moleculares de cada componente

Masa de etanol (soluto) = 3,945 g
Masa de agua (solvente) = 98,2 g – 3,945 g = 94,255 g

Moles de etanol (soluto) = 3,945 g/ 46,07 g/mol etanol = 0,0855 moles
Moles de agua (solvente) = 94,255 g/ 18 g/mol agua = 5,23 moles

Fracción molar (etanol) = 0,0855 moles / (0,0855 moles etanol = 5,23 moles de agua) =

0,01608

Molaridad

M = 0,0855 moles / 0,1 L = 0,855 M

Molalidad

m = 0,0855 / 0,09455 Kg solvente = 0,9042 m

Concentración de una Solución. Unidades Químicas.

Para expresar la concentración de una solución se pueden usar unidades químicas aunque la idea general es siempre expresar la cantidad de soluto en una cantidad de solvente (o solución).

Fracción molar:
Usando el concepto de mol se puede expresar la concentración de una solución como la cantidad de un componente i cualquiera (en moles) en la cantidad total de todos los componentes de la solución (en moles):

Xi (fracción molar de i) = moles de i / (moles de i + moles de j + moles de k + ....)

y que la suma de

Xi + Xj + Xk..... = 1

Molaridad

La molaridad (M) se define como la cantidad de moles de soluto en un litro de solución

M = moles de soluto / volumen de solución (L)

Molalidad

La Molalidad se define como los moles de soluto presentes en un Kilogramo de disolvente (NO SOLUCION)

Concentración de una Solución. Unidades Físicas.

La concentración de una solución es la medida de la cantidad de soluto presente en una cantidad de solución (o disolvente). Existen varias maneras de describir la concentración de una solución.

Unidades Físicas. Porcentajes
Por definición el porcentaje es la proporción (en partes) por cada 100 partes de un todo. Si aplicamos este concepto a las disoluciones podemos definir la concentración de una solución como partes de soluto en 100 partes de solución. Las “partes” puedes ser expresadas en Masa (g) o volúmenes (mL, L).

Si se disuelven 2 g de NaCl en 98 g de Agua se obtienen 100 g de una solución que es
2 por ciento (%) de masa (sal). Específicamente esta solución se describiría como 2 % (peso/peso) de sal en agua [lo cual quiere decir que son 2 g (peso) en 100 g (peso) de solución)]

Si ahora disolvemos 5 L metanol (volumen) en 95 L de agua tendremos una solución 5% (volumen/volumen ó vol./vol.)

Otra posibilidad es expresar el peso de soluto en 100 volúmenes de solución. Así una solución de 0,5 g (peso) en 100 mL (volumen) de solución sería una solución 0,5% (peso/volumen ó P/V)

Disoluciones. Términos Usados.

Las soluciones o disoluciones son mezclas homogéneas de dos o más componentes. Se dice que es una mezcla homogénea por que sus propiedades y composición son uniformes. El componente que se encuentra en mayor proporción se denomina disolvente o solvente y el de menor proporción soluto. El soluto se halla disuelto en el disolvente. Si hay mucho soluto disuelto se puede hablar de una solución concentrada. Si el soluto esta en muy baja concentración se habla de una solución diluida.

Ejemplos de soluciones comunes:

Agua de mar: Sal (y otros) en agua
Gaseosa: Dióxido de carbono, azúcar y otros, disueltos en agua
Moneda: Cobre (Cu) y Níquel (Ni) (las soluciones sólidas se denominan aleaciones)

20/9/06

Rendimiento de una reacción

Rendimiento de una reacción

La cantidad de producto que se obtiene si reacciona todo el reactivo limitante se denomina el rendimiento teórico de la reacción.

La cantidad de producto que se obtiene realmente en una reacción es el rendimiento real

Rendimiento real es generalmente menor que el teórico

Razones para explicar la diferencia entre el rendimiento real y el teórico:
-Muchas reacciones son reversibles, de manera que no proceden 100% de izquierda a derecha.
- Aún cuando una reacción se complete en un 100%, resulta difícil recuperar todo el producto del medio de la reacción
- Los productos formados pueden seguir reaccionando entre sí o con los reactivos, para formar todavía otros productos. Estas reacciones adicionales reducen el rendimiento de la primera reacción.
El rendimiento porcentual o porcentaje del rendimiento describe la relación del rendimiento real y el rendimiento teórico:
Por ejemplo si teóricamente se formaran 1100 g de un compuesto en una reacción química pero en realidad se forman solo 900 g el porcentaje de rendimiento sería:

(900 g/1100g) x 100 = 84.81%

Reactivo Limitante

Supongamos que tenemos que preparar 10 pebetes de jamón y queso. Para preparar un pebete se necesitan un pan, una feta de jamón y otra de queso. Hay 10 panes, 10 fetas de queso y 8 de jamón. Podremos preparar solamente 8 pebetes de jamón y queso y ni uno más porque no hay más jamón. Decimos entonces que el jamón es el ingrediente limitante del número de pebetes a preparar.

En una reacción química la situación es similar: una vez se haya consumido uno de los reactivos la reacción se para.

CH4(g) + 2O2(g) = CO2(g) + 2H2O (l)


Así si queremos obtener 2 moles de agua necesitaremos partir de 1 mol de metano y dos moles de oxígeno (porque la estequiometría de la reacción es 1 moles de metano reaccionan con 2 moles de oxígeno para dar dos moles de agua).

Que pasaría si en lugar de dos moles de oxigeno tenemos solo 1 mol??

Una vez haya reaccionado todo el oxigeno nos quedara sobrando metano sin reaccionar y se habrán obtenido solo un mol de agua, es decir, entonces la reacción se terminara cuando medio (1/2) mol de metano haya reaccionado un mol de oxigeno (todo el oxigeno presente).

Al reactivo que se ha consumido en su totalidad en una reacción química se le denomina reactivo limitante, ya que limita la cantidad de producto formado. Así en el ejemplo anterior el oxigeno era el reactivo limitante, ya que con los 1 mol de oxígeno solo medio mol de metano reacciona (y sobra medio mol de metano)


¿Cómo hacer para saber cuál es el reactivo limitante de una reacción?

Calculando los moles de producto que se obtienen con cada reactivo, suponiendo que el resto de reactivos están en cantidad suficiente. Aquel reactivo que nos dé el menor número potencial de moles de producto es el reactivo limitante. Al resto de reactivos, presentes en mayor cantidad que la necesaria para reaccionar con la cantidad del reactivo limitante, se les denomina reactivos en exceso.


Ejemplo:
Considere la siguiente reacción:

CH4(g) + 2O2(g) = CO2(g) + 2H2O (l)

Suponga que se mezclan 2 g de CH4 con 10 g de O2. Quien es el reactivo limitante?? Cuanto se puede obtener de agua y dióxido de carbono?

1. Primero tenemos que convertir los gramos de reactivos en moles:

1 mol de CH4 pesa 16 gramos (12 del C + 4 del H) por lo que 2 gramos serán (por regla de tres) 0,125 moles

1 mol de O2 pesa 32 gramos por lo que 10 gramos serán (por regla de tres) 0,3125 moles

2. Luego definimos la proporción estequiométrica entre reactivos y productos:

1 mol de metano reacciona con dos moles de oxigeno

3. Calculamos el número de moles de reactivos que se consumirían si cada reactivo se consumiese en su totalidad:

0,125 moles de metano reaccionarían con 0,125x2 moles de oxigeno = 0,25 moles de oxigeno

0,3125 moles de oxigeno reaccionaría con 0,3125/2 moles de metano = 0,15625 moles de metano
Entonces:

4. El reactivo limitante es el metano y podremos obtener como máximo 0.125 moles de dióxido de carbono (relación 1 mol de metano 1 mol de dióxido) y 0.25 moles de agua (relación 1mol de metano dos de agua). Además, sobraran 0,0625 moles de oxigeno (0,3125 moles iniciales menos 0,25 moles que reaccionaron).

ESTEQUIOMETRIA

ESTEQUIOMETRIA

La estequiometría es el estudio cuantitativo de las reacciones químicas.

¿Que es una reacción química?
Reacción química es el proceso en el cual una sustancia (o sustancias) cambia para formar una o más sustancias nuevas, es decir es un proceso de cambio de unos reactivos iniciales a unos productos finales

Las reacciones químicas se representan mediante ecuaciones químicas. Por ejemplo el carbono (C) podría reaccionar con oxígeno gaseoso (O2) para formar dióxido de carbono(CO2). La ecuación química para esta reacción se escribe:

C + O2 = CO2

El '+' se lee como “reacciona con” y la flecha significa “produce”. Las fórmulas químicas a la izquierda de la flecha representan las sustancias de partida denominadas reactivos. A la derecha de la flecha están las formulas químicas de las sustancias producidas denominadas productos de la reacción. Los números al lado de las formulas son los coeficientes( el coeficiente 1 se omite).
En la reacción anterior el C y el O2 son los reactivos, el CO2 el producto.

La reacción de formación del agua se escribe:

2H2 + O2 = 2H2O

Nótese en la reacción anterior (formación del agua) que el numero de átomos de cada elemento a cada lado de la ecuación es el mismo:

Según la ley de la conservación de la masa los átomos ni se crean, ni se destruyen, durante una reacción química. Por lo tanto una ecuación química ha de tener el mismo número de átomos de cada elemento a ambos lados de la flecha. Se dice entonces que la ecuación está balanceada.

Como se balancean las ecuaciones químicas?

1) Se sigue un procedimiento estandarizado que se describe a continuación:

2) Se determinan los reactivos y los productos de la reacción química

3) Se escribe la ecuación química reactivos a productos

4) Se balancea la ecuación de la siguiente forma:

-- Se empieza por igualar la ecuación probando diferentes coeficientes para lograr que el número de átomos de cada elemento sea igual en ambos lados de la ecuación. Los subíndices de las fórmulas no se pueden cambiar).

-- Primero se buscan los elementos que aparecen una sola vez en cada lado de la ecuación y con igual número de átomos: las fórmulas que contienen estos elementos deben tener el mismo coeficiente. Por lo tanto, no es necesario ajustar los coeficientes de estos elementos en ese momento.

-- Después se buscan los elementos que aparecen sólo una vez en cada lado de la ecuación, pero con diferente número de átomos y se balancean estos elementos. Por último se balancean los elementos que aparecen en dos o más fórmulas del mismo lado de la ecuación.

--Se verifica que la ecuación igualada tenga el mismo número total de átomos de cada tipo en ambos lados de la flecha de la ecuación.

Ejemplo:
Consideremos la combustión del gas metano (CH4). Esta reacción consume oxígeno (O2) y produce agua (H2O) y dióxido de carbono (CO2). Podemos entonces escribir la ecuación química:

CH4 + O2 = CO2 + H2O

Ahora contamos el número de átomos de cada elemento en reactivos y productos:

Reactivos:
C =1, H = 4, O = 2

Productos:
C = 1, H = 2, O = 3,

El carbono y el hidrógeno aparecen en un compuesto de los reactivos y en otro de los productos.

Hay igual numero de átomos de carbono en los reactivos que en los productos, pero dos veces más hidrógeno en los reactivos que en los productos y 1,5 veces mas oxigeno en los productos que en los reactivos.

Esto se puede arreglar balanceando la reacción, de manera de igualar el numero de átomos de cada especie química en cada lado de la ecuación. El carbono ya esta igualado, o sea no hay que hacer nada. Para el H hay que multiplicar por dos (2) en el agua, así ahora hay 4 átomos de H a cada lado. Pero ahora tenemos que a la derecha (productos) hay 4 átomos de oxigeno (dos del CO2 y dos del 2H2O), mientras que a la izquierda solo dos, por lo cual hay que multiplicar por dos el Oxigeno de la izquierda (reactivos)

CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O

Ahora ya tenemos la ecuación balanceada y la podemos leer como:

una molécula de metano reaccionan con dos de oxígeno produciendo una molécula de dióxido de carbono y dos moléculas de agua.

El estado físico de los reactivos y productos puede indicarse mediante los símbolos (g), (l) y (s), para indicar los estados gaseoso, líquido y sólido, respectivamente.
Por ejemplo:

CH4(g) + 2O2(g) = CO2(g) + 2H2O (l)

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