La ecuación química y su balanceo

Al encender una estufa de gas de la cocina, el metano ($\text{CH}_4$) reacciona con el oxígeno del aire y se transforma en dióxido de carbono y vapor de agua. El esquema muestra las partículas de cada sustancia:

Señala cuáles son los reactivos y cuáles los productos de esta reacción.

Completa la frase con las palabras que faltan: «En una ecuación química, las sustancias que se transforman se llaman $\dots$ y se escriben a la $\dots$ de la flecha; las sustancias nuevas que se forman se llaman $\dots$ y se escriben a la $\dots$».

Nadia dice: «Al quemar un papel desaparece materia, porque las cenizas pesan mucho menos que el papel original». ¿Tiene razón? Razona tu respuesta pensando en todas las sustancias que intervienen y se forman, incluidos los gases.

Lee con atención la ecuación $\text{N}_2 + 3\ \text{H}_2 \rightarrow 2\ \text{NH}_3$ y explica con tus palabras qué cuenta: cuántas moléculas de cada sustancia reaccionan y cuántas moléculas se forman.

¿Qué significa el subíndice $2$ en $\text{H}_2$? ¿Y el coeficiente $2$ que aparece delante en $2\ \text{H}_2\text{O}$? Explica con tus palabras la diferencia entre subíndice y coeficiente.

¿Cuántos átomos de cada elemento hay en total en $3\ \text{CO}_2$? ¿Y en $2\ \text{H}_2\text{O}$? La figura muestra esas moléculas:

Explica cómo se cuentan los átomos cuando una fórmula lleva un coeficiente delante.

Para «ajustar» la ecuación $\text{H}_2 + \text{O}_2 \rightarrow \text{H}_2\text{O}$, un estudiante cambia el producto y escribe $\text{H}_2 + \text{O}_2 \rightarrow \text{H}_2\text{O}_2$. Explica por qué este truco está prohibido: qué sustancia es en realidad el $\text{H}_2\text{O}_2$ y qué significa cambiar un subíndice en una fórmula.

¿Por qué hay que balancear las ecuaciones químicas antes de usarlas? Nombra la ley en la que se basa el balanceo y explícala con una frase sencilla sobre lo que les ocurre a los átomos en una reacción.

Cuenta los átomos de hidrógeno y de oxígeno que hay a cada lado de la ecuación $\text{H}_2 + \text{O}_2 \rightarrow \text{H}_2\text{O}$, representada con partículas en la figura, y di, sin cambiarla todavía, si está ajustada (balanceada) o no. Justifica tu respuesta.

En un recipiente cerrado se queman completamente $12\ \text{g}$ de carbono con $32\ \text{g}$ de oxígeno y se forma dióxido de carbono. El esquema representa el recipiente cerrado antes y después de la reacción:

¿Qué masa de dióxido de carbono se obtiene? ¿En qué ley te basas para afirmarlo sin necesidad de pesarlo?

En un recipiente cerrado, $10\ \text{g}$ de una sustancia A reaccionan por completo con $5\ \text{g}$ de una sustancia B y se obtienen $12\ \text{g}$ de una sustancia C junto con cierta masa de una sustancia D. El esquema resume las masas conocidas:

1. a) ¿Qué masa de D se ha formado?
2. b) Justifica el cálculo enunciando la ley que has aplicado.

Colocamos una vela encendida sobre una balanza de precisión en dos situaciones:

1. a) Al aire libre: la balanza marca cada vez menos a medida que la vela se consume.
2. b) Dentro de una campana de vidrio hermética: la marca apenas cambia.

La figura muestra los dos montajes:

Explica los dos resultados usando la ley de conservación de la masa y razona si en alguno de los casos «desaparece» materia de verdad.

Explica, usando el modelo de partículas, qué ocurre exactamente con los átomos en una reacción química: qué les pasa a los átomos de los reactivos, por qué su número total no cambia y en qué se diferencia una reacción química de simplemente mezclar sustancias. Ilustra tu explicación con la reacción del hidrógeno con el oxígeno para formar agua, representada con partículas en la figura:

Ajusta por tanteo la ecuación de formación del agua: $\text{H}_2 + \text{O}_2 \rightarrow \text{H}_2\text{O}$. Escribe los coeficientes que necesita cada sustancia.

La fina capa que protege de la corrosión a las piezas de aluminio de un avión se forma cuando el metal reacciona con el oxígeno del aire.

1. a) Ajusta la ecuación: $\text{Al} + \text{O}_2 \rightarrow \text{Al}_2\text{O}_3$.
2. b) Explica por qué, al ajustar por tanteo, conviene empezar por un elemento que aparece en una sola sustancia a cada lado de la flecha.

El gas natural de muchas casas es metano. Ajusta por tanteo su combustión: $\text{CH}_4 + \text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O}$. Indica los coeficientes en el orden en que aparecen las sustancias.

El amoniaco se fabrica en la industria a partir de nitrógeno e hidrógeno y luego se usa para hacer fertilizantes. Ajusta la ecuación: $\text{N}_2 + \text{H}_2 \rightarrow \text{NH}_3$.

El magnesio de las bengalas y los fuegos artificiales arde con una luz blanca muy intensa y se forma óxido de magnesio. Ajusta la ecuación: $\text{Mg} + \text{O}_2 \rightarrow \text{MgO}$.

Cuando el hierro se oxida del todo se forma óxido de hierro(III). Ajusta la ecuación: $\text{Fe} + \text{O}_2 \rightarrow \text{Fe}_2\text{O}_3$. Comprueba después contando los átomos de cada elemento a ambos lados.

El butano de los tanques de gas, $\text{C}_4\text{H}_{10}$, arde con el oxígeno del aire y forma dióxido de carbono y agua.

1. a) Ajusta la ecuación: $\text{C}_4\text{H}_{10} + \text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O}$.
2. b) Comprueba, contando los átomos de carbono, hidrógeno y oxígeno a ambos lados, que tu ajuste cumple la conservación de los átomos.

El agua oxigenada del botiquín, $\text{H}_2\text{O}_2$, se descompone poco a poco en agua y oxígeno.

1. a) Ajusta la ecuación: $\text{H}_2\text{O}_2 \rightarrow \text{H}_2\text{O} + \text{O}_2$.
2. b) El frasco de agua oxigenada indica que hay que guardarlo bien cerrado y en un lugar fresco y oscuro. Relaciona estas instrucciones con la reacción anterior y explica qué pasaría si no se siguieran.

La ecuación balanceada de la formación del agua es $2\ \text{H}_2 + \text{O}_2 \rightarrow 2\ \text{H}_2\text{O}$. Alguien propone dividir todos los coeficientes entre dos y escribir $\text{H}_2 + \frac{1}{2}\ \text{O}_2 \rightarrow \text{H}_2\text{O}$.

1. a) ¿Se cumpliría todavía la conservación de los átomos?
2. b) ¿Qué problema hay en hablar de «media molécula» de oxígeno?
3. c) Justifica por qué, por convención, los coeficientes de una ecuación balanceada son números enteros y los más sencillos posibles.

La ecuación balanceada de la combustión del metano es $\text{CH}_4 + 2\ \text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2 + 2\ \text{H}_2\text{O}$. Si se queman $5$ moléculas de metano:

1. a) ¿Cuántas moléculas de oxígeno se consumen?
2. b) ¿Cuántas moléculas de dióxido de carbono y cuántas de agua se forman?

Algunos cohetes usan hidrógeno como combustible, que arde con oxígeno y forma vapor de agua.

1. a) Escribe la ecuación de la reacción y ajústala.
2. b) Si en una prueba en tierra se queman $100$ moléculas de hidrógeno, ¿cuántas moléculas de oxígeno se consumen y cuántas de agua se forman?
3. c) ¿Cuántos átomos de hidrógeno hay en total antes de la reacción? ¿Y después? Relaciona tu respuesta con la ley de conservación.