Estequiometría y gases
Una ecuación química balanceada es una receta con proporciones fijas, como la de un food truck que arma cada burrito con 1 tortilla y 2 scoops de arroz. El problema es que en el laboratorio casi nunca se mezclan las cantidades «exactas»: sobra uno de los reactivos, el otro no es puro del todo, y si interviene un gas, ni siquiera se puede pesar directamente. La estequiometría traduce esa receta a las medidas reales de masa, volumen y presión que se manejan en la práctica. Al final del apartado verás cómo se cierra la idea de la receta.
Balanceo de ecuaciones y relaciones molares
Un diagrama de partículas confirma el balanceo: a cada lado hay 3 átomos de C, 8 de H y 10 de O, así que la masa se conserva.
El carburo de silicio, $\mathrm{SiC}$, se produce industrialmente por reacción a alta temperatura entre el dióxido de silicio y carbono elemental según la ecuación…
El carburo de silicio, $\mathrm{SiC}$, se produce industrialmente por reacción a alta temperatura entre el dióxido de silicio y carbono elemental según la ecuación química sin balancear:
$$\mathrm{SiO_2(s) + C(s) \rightarrow SiC(s) + CO(g)}$$Para una carga inicial de $150.0\,\text{g}$ de dióxido de silicio con una pureza del $80.0\,\%$ en masa y suficiente carbono:
- a) Balancea la ecuación química mediante el método de tanteo.
- b) Calcula la masa de $\mathrm{SiC}$, expresada en gramos, que se obtendría teóricamente si la reacción transcurre con un rendimiento del $100\,\%$.
Datos: Masas atómicas relativas: $\mathrm{C} = 12.01$; $\mathrm{O} = 16.00$; $\mathrm{Si} = 28.09$.
Reactivo limitante
Un food truck tiene 200 tortillas pero solo 3 scoops de arroz, y cada burrito lleva 2 scoops: solo podrá hacer 1 burrito aunque le sobren tortillas. ¿Por qué se detiene una reacción aunque todavía quede una enorme cantidad de uno de los reactivos?
En el laboratorio se planifica la síntesis de un precipitado insoluble mediante la mezcla de dos disoluciones acuosas que se encuentran almacenadas en recipientes…
En el laboratorio se planifica la síntesis de un precipitado insoluble mediante la mezcla de dos disoluciones acuosas que se encuentran almacenadas en recipientes independientes, tal como se esquematiza a continuación:
El recipiente 1 contiene $150.0\,\text{mL}$ de disolución acuosa de cloruro de bario, $\mathrm{BaCl_2}$, de concentración $0.200\,\text{M}$. El recipiente 2 contiene $250.0\,\text{mL}$ de disolución acuosa de sulfato de sodio, $\mathrm{Na_2SO_4}$, de concentración $0.160\,\text{M}$. Al trasvasar íntegramente ambos contenidos a un mismo vaso se produce la precipitación cuantitativa de sulfato de bario, $\mathrm{BaSO_4(s)}$, según la ecuación:
$$\mathrm{BaCl_2(aq) + Na_2SO_4(aq) \rightarrow BaSO_4(s) + 2\,NaCl(aq)}$$- a) Identifica justificadamente el reactivo limitante.
- b) Calcula la masa de $\mathrm{BaSO_4(s)}$ que precipita y la concentración molar del reactivo en exceso que permanece disuelto en la mezcla final (considera volúmenes aditivos).
Datos: Masas atómicas relativas: $\mathrm{O} = 16.00$; $\mathrm{Na} = 22.99$; $\mathrm{S} = 32.06$; $\mathrm{Cl} = 35.45$; $\mathrm{Ba} = 137.33$.
Pureza y rendimiento
El titanio metálico se obtiene mediante el proceso Kroll haciendo reaccionar tetracloruro de titanio gaseoso con magnesio líquido según la ecuación ajustada:…
El titanio metálico se obtiene mediante el proceso Kroll haciendo reaccionar tetracloruro de titanio gaseoso con magnesio líquido según la ecuación ajustada:
$$\mathrm{TiCl_4(g) + 2\,Mg(l) \rightarrow Ti(s) + 2\,MgCl_2(l)}$$En un reactor se introducen $379.4\,\text{g}$ de $\mathrm{TiCl_4}$ y magnesio en exceso. Una vez completado el proceso y enfriada la mezcla, se aíslan experimentalmente $81.4\,\text{g}$ de titanio metálico puro.
- a) Calcula la cantidad teórica de titanio, en gramos, que debería haberse obtenido.
- b) Determina el porcentaje de rendimiento del proceso.
Datos: Masas atómicas relativas: $\mathrm{Cl} = 35.45$; $\mathrm{Ti} = 47.87$; $\mathrm{Mg} = 24.31$.
El carburo de calcio impuro reacciona con agua líquida para generar gas acetileno (etino, $\mathrm{C_2H_2}$) e hidróxido de calcio según: $$\mathrm{CaC_2(s) + 2\,H2O(l)…
El carburo de calcio impuro reacciona con agua líquida para generar gas acetileno (etino, $\mathrm{C_2H_2}$) e hidróxido de calcio según:
$$\mathrm{CaC_2(s) + 2\,H_2O(l) \rightarrow C_2H_2(g) + Ca(OH)_2(aq)}$$Se dispone de una muestra de $12.50\,\text{g}$ de carburo de calcio con impurezas inertes, cuya pureza se desea determinar. Al tratarla con exceso de agua a una temperatura de $22.0\,^{\circ}\text{C}$ y bajo una presión constante de $0.980\,\text{atm}$, se recoge, después de secarlo y suponiendo gas ideal, un volumen de $4.15\,\text{L}$ de acetileno, transcurriendo la reacción con un rendimiento del $92.0\,\%$.
- a) Calcula los moles de acetileno que se habrían generado teóricamente si el rendimiento hubiese sido del $100\,\%$.
- b) Determina el porcentaje de pureza en $\mathrm{CaC_2}$ de la muestra inicial analizada.
Datos: Masas atómicas relativas: $\mathrm{C} = 12.01$; $\mathrm{Ca} = 40.08$. $R = 0.082\,\text{atm}\times\text{L}/(\text{mol}\times\text{K})$.
La ley de los gases ideales
La teoría cinético-molecular (KMT) explica el modelo: las partículas del gas son diminutas, están muy separadas, se mueven al azar, chocan elásticamente y no se atraen. Con ella se llega a las leyes de Boyle ($P_1V_1=P_2V_2$), Charles ($V_1/T_1=V_2/T_2$), Gay-Lussac ($P_1/T_1=P_2/T_2$) y Avogadro ($V\propto n$ a $P$ y $T$ fijas), que se resumen en $PV=nRT$.
Un balón de basketball se infla a unos 8 psi en el gimnasio y, si lo dejas en un carro caliente en Phoenix, la presión sube y queda muy duro. Ojo: los 8 psi son presión manométrica (sobre la atmosférica); en la ley de los gases se usa la presión absoluta, que es la manométrica más la atmosférica (unos 14.7 psi). ¿Qué relación matemática conecta a la vez la presión, el volumen, la temperatura y los moles de un gas? Recuerda también que 1 atm = 101.325 kPa = 760 mmHg.
Un recipiente cerrado e indeformable de $10.0\,\text{L}$ de capacidad contiene $0.650\,\text{mol}$ de gas nitrógeno, $\mathrm{N_2}$, a una temperatura de…
Un recipiente cerrado e indeformable de $10.0\,\text{L}$ de capacidad contiene $0.650\,\text{mol}$ de gas nitrógeno, $\mathrm{N_2}$, a una temperatura de $25.0\,^{\circ}\text{C}$.
- a) Determina la presión que ejerce el gas en el interior del recipiente expresada en atmósferas y en pascales.
- b) Si se calienta el recipiente hasta alcanzar una temperatura de $120.0\,^{\circ}\text{C}$, calcula la nueva presión del nitrógeno en atmósferas asumiendo comportamiento de gas ideal.
Datos: Constante universal de los gases ideales $R = 0.082\,\text{atm}\times\text{L}/(\text{mol}\times\text{K}) = 8,314\,\text{J}/(\text{mol}\times\text{K})$; $1\,\text{atm} = 101325\,\text{Pa}$.
Mezclas de gases y presiones parciales
Un recipiente rígido de $5.00\,\text{L}$ de capacidad contiene a $300\,\text{K}$ una mezcla gaseosa formada por $4.40\,\text{g}$ de propano, $\mathrm{C_3H_8}$, y…
Un recipiente rígido de $5.00\,\text{L}$ de capacidad contiene a $300\,\text{K}$ una mezcla gaseosa formada por $4.40\,\text{g}$ de propano, $\mathrm{C_3H_8}$, y $11.20\,\text{g}$ de gas argón, $\mathrm{Ar}$ (inerte). A continuación, se inyectan en el recipiente $16.00\,\text{g}$ de oxígeno, $\mathrm{O_2}$, y se provoca la combustión completa del hidrocarburo mediante una chispa eléctrica, produciéndose dióxido de carbono y vapor de agua según:
$$\mathrm{C_3H_8(g) + 5\,O_2(g) \rightarrow 3\,CO_2(g) + 4\,H_2O(g)}$$Finalizada la combustión, la temperatura de la cámara se ajusta a $450\,\text{K}$, manteniéndose todas las sustancias en fase gaseosa.
- a) Identifica el reactivo limitante de la combustión.
- b) Determina la presión parcial del argón y la presión total de la mezcla gaseosa final en el recipiente a $450\,\text{K}$.
Datos: Masas atómicas relativas: $\mathrm{H} = 1,008$; $\mathrm{C} = 12.01$; $\mathrm{O} = 16.00$; $\mathrm{Ar} = 39.95$. $R = 0.082\,\text{atm}\times\text{L}/(\text{mol}\times\text{K})$.
Un reactor indeformable de $8.20\,\text{L}$ contiene inicialmente a $500\,\text{K}$ una mezcla con $0.400\,\text{mol}$ de monóxido de carbono, $\mathrm{CO}$,…
Un reactor indeformable de $8.20\,\text{L}$ contiene inicialmente a $500\,\text{K}$ una mezcla con $0.400\,\text{mol}$ de monóxido de carbono, $\mathrm{CO}$, $0.300\,\text{mol}$ de vapor de agua, $\mathrm{H_2O}$, y $0.500\,\text{mol}$ de gas helio, $\mathrm{He}$ (gas inerte). Se eleva la temperatura a $700\,\text{K}$ en presencia de un catalizador adecuado para que tenga lugar la reacción de desplazamiento del gas de agua:
$$\mathrm{CO(g) + H_2O(g) \rightarrow CO_2(g) + H_2(g)}$$Al alcanzarse el estado final de reacción a $700\,\text{K}$, la presión total en el interior del reactor resulta ser de $8.40\,\text{atm}$. Un análisis independiente indica que la fracción molar de dióxido de carbono es $0.200$. Supón gases ideales.
- a) Demuestra si el número total de moles de gas varía durante la reacción y explica por qué la presión total sola no permitiría conocer el rendimiento. Usa el análisis de composición para calcularlo.
- b) Calcula la fracción molar de cada componente en la mezcla gaseosa resultante y la presión parcial del $\mathrm{H_2}$ a $700\,\text{K}$.
Datos: Constante universal $R = 0.082\,\text{atm}\times\text{L}/(\text{mol}\times\text{K})$.
Una muestra sólida de $4,800\,\text{g}$ formada exclusivamente por una mezcla homogénea de carbonato de calcio, $\mathrm{CaCO_3}$, y carbonato de magnesio,…
Una muestra sólida de $4,800\,\text{g}$ formada exclusivamente por una mezcla homogénea de carbonato de calcio, $\mathrm{CaCO_3}$, y carbonato de magnesio, $\mathrm{MgCO_3}$, se somete a calcinación térmica exhaustiva en un horno hasta descomposición completa en sus respectivos óxidos sólidos y dióxido de carbono:
$$\mathrm{CaCO_3(s) \rightarrow CaO(s) + CO_2(g)}$$ $$\mathrm{MgCO_3(s) \rightarrow MgO(s) + CO_2(g)}$$Todo el gas $\mathrm{CO_2}$ desprendido se confina en un recipiente estanco cerrado de $2,500\,\text{L}$, en el cual previamente se habían introducido $0.0200\,\text{mol}$ de gas neón, $\mathrm{Ne}$ (inerte). Tras estabilizar el recipiente a una temperatura de $320\,^{\circ}\text{C}$, se mide la presión total del sistema.
- a) Si la masa del residuo sólido formado por los óxidos tras la calcinación es de $2,424\,\text{g}$, calcula el porcentaje en masa de cada carbonato en la mezcla inicial.
- b) Determina la presión total y la presión parcial de $\mathrm{CO_2}$ en el recipiente tras la adición del gas a $320\,^{\circ}\text{C}$.
Datos: Masas atómicas relativas: $\mathrm{C} = 12.01$; $\mathrm{O} = 16.00$; $\mathrm{Mg} = 24.31$; $\mathrm{Ca} = 40.08$. $R = 0.082\,\text{atm}\times\text{L}/(\text{mol}\times\text{K})$.
Gases recogidos sobre agua
Al medir en el laboratorio el volumen de gas desprendido en una reacción recogiéndolo sobre agua en un cilindro graduado invertido, el cálculo de moles resulta sistemáticamente mayor que el predicho por la estequiometría: ¿qué otra sustancia gaseosa se ha colado dentro del recipiente?
Para determinar la pureza de una muestra de zinc metálico granulado comercial que contiene impurezas inertes, se hacen reaccionar $3,500\,\text{g}$ de dicha muestra con…
Para determinar la pureza de una muestra de zinc metálico granulado comercial que contiene impurezas inertes, se hacen reaccionar $3,500\,\text{g}$ de dicha muestra con un exceso de solución acuosa de ácido clorhídrico según:
$$\mathrm{Zn(s) + 2\,HCl(aq) \rightarrow ZnCl_2(aq) + H_2(g)}$$El hidrógeno gaseoso producido se recoge sobre agua en un cilindro graduado invertido a una temperatura de $25.0\,^{\circ}\text{C}$. El volumen de gas medido es de $1,240\,\text{L}$ y la presión barométrica exterior del laboratorio es de $752.0\,\text{mmHg}$. Los niveles de agua dentro y fuera del cilindro graduado están igualados. La reacción del zinc es completa, pero se recupera en el cilindro graduado solo el $95.0\,\%$ del hidrógeno generado. Supón comportamiento ideal.
- a) Calcula la presión parcial debida exclusivamente al gas hidrógeno seco dentro del cilindro graduado.
- b) Determina la masa de zinc puro que reaccionó y el porcentaje de pureza de la muestra analizada.
Datos: Masas atómicas relativas: $\mathrm{H} = 1,008$; $\mathrm{Zn} = 65.38$. Presión de vapor saturante del agua a $25.0\,^{\circ}\text{C} = 23.8\,\text{mmHg}$; $1\,\text{atm} = 760\,\text{mmHg}$; $R = 0.082\,\text{atm}\times\text{L}/(\text{mol}\times\text{K})$.