Por aquí estoy una semana más para ayudarte a destacar y avanzar en la asignatura de química. Hoy te voy a enseñar cómo calcular el pH de una disolución de un ácido o base débil.
La explicación se va a dividir en las siguientes secciones:
Fuerza relativa de ácidos y bases. Constante de acidez y basicidad
Un ácido o una base es débil cuando, según Arrhenius, en disolución acuosa no se disocia totalmente, es decir, el grado de disociación (α) es menor que 1. α se calcula mediante la siguiente ecuación y se puede expresar como tanto por uno o tanto por ciento:
Las reacciones de ácidos o bases débiles en disolución acuosa son reversibles, se alcanzará un equilibrio químico. De forma similar al cálculo de la constante de equilibrio (ver explicación), la constante de acidez (Ka) de un ácido y la constante de basicidad (Kb) se calculará de la siguiente forma:
El ácido acético en disolución acuosa:
CH3COOH + H2O ⇆ CH3COO− + H3O+
Aplicando ley de acción de masas:
La concentración de H2O no varía, así que se pasa al primer miembro multiplicando a K, con lo que se obtiene la constante de acidez, Ka.
Por otro lado, la metilamina en disolución acuosa:
CH3NH2 + H2O ⇆ CH3NH3 + OH–
Al igual que antes, la concentración de H2O no varía, así que se pasa al primer miembro multiplicando a K, con lo que se obtiene la constante de basicidad, Kb.
Los valores de Ka y Kb representan una medida cuantitativa de la fortaleza del ácido o de la base. Cuanto mayor sea la Ka o Kb de un ácido o una base, respectivamente, mayor será su fuerza. Se considera que un ácido o base es intermedia o débil cuando Ka,Kb<1. De todas formas, cuando se trata de un ácido o base intermedia o débil siempre nos van a dar la Ka o Kb en el problema. Así que, en este caso, habrá que tener en cuenta que no se disocia totalmente.
Al igual que la constante de equilibrio, la Ka y Kb sólo dependen de la temperatura.
Para parejas ácido-base conjugadas de Brönsted-Lowry, si el ácido es fuerte la base conjugada es muy débil, y viceversa.
El ácido HCl es fuerte, por lo que su base conjugada (Cl–) es una base débil.
Ambas constantes se relacionan: Ka·Kb=[H3O+]·[OH–]= Kw=10-14 (a 25ºC)
¿Cómo estás? Espero que te encuentres de lujo y con muchas ganas de aprender química 😉
Hoy vamos a continuar con el tema de equilibrio químico. En concreto, te voy a explicar el cociente de reacción (Qc) y el principio de Chatelier, los cuales nos dan información sobre hacia dónde se desplaza el equilibrio (hacia la derecha o hacia la izquierda) en un sistema que estaba en equilibrio pero sufrió un modificación.
La explicación se divide en los siguientes puntos:
Qc es una magnitud que se emplea para conocer si el sistema está en equilibrio, o, si no se encuentra en equilibrio, nos indica hacia dónde evoluciona el sistema para alcanzar el equilibrio.
Cuando se modifica las condiciones de temperatura, presión o concentración, en un sistema en equilibrio químico provoca un desplazamiento del equilibrio en un sentido que tiende a oponerse a la variación del factor considerado, contrarrestando dicha modificación. Para conocer hacia dónde se desplazará el equilibrio se emplea el Principio de Le Châtelier, enunciado por Henry Le Châtelier en 1884, también de forma independiente por el alemán Ferdinand Braun.
A continuación te explico cómo influye en un sistema en equilibrio químico la variación de concentración, presión y temperatura. En los problemas resueltos 3 y 4 puedes ver cómo aplicarlos.
a) Variación de la concentración. Si a un sistema en equilibrio se le añade un reactivo o producto (se aumenta la concentración), la reacción que se produce es la que tiende a consumir la sustancia añadida. Si, por el contrario, se elimina un reactivo o producto (se disminuye la concetración) la reacción que se produce es la que tiende a reponerlo.
b) Variación de la presión. En las reacciones en las que intervengan gases el efecto de la variación de la presión supone un efecto contrario en la variación del volumen, y la variación del volumen depende de la variación en el número de moles de las sustancias gaseosas que intervienen. En estas reacciones, el principio de Le Chatelier puede enunciarse de la siguiente manera: Si se tiene un sistema en equilibrio y se aumenta la presión (o disminuye el volumen), el sistema reacciona en el sentido en que disminuya el número de moles de sustancias en estado gaseoso. Si se reduce la presión (o aumenta el volumen) ocurre lo contrario.
c) Variación de la temperatura. Si aumentamos la temperatura de un sistema que está en equilibrio, el sistema se desplaza en el sentido que suponga una absorción de calor. Si se disminuye la temperatura, la reacción que se produce es la que libera energía.
d) Adición de un catalizador
La adición de un catalizador a un sistema en equilibrio provoca un aumento de la velocidad de reacción mediante la disminución de la energía de activación. Sin embargo, no afecta a las variables termodinámicas (∆H, ∆G) ni tampoco afecta al estado de equilibrio.
Existen reacciones que transcurren hasta que se consume totalmente uno o todos los reactivos. Estas son las llamadas reacciones irreversibles y en ellas separamos los reactivos de los productos por una flecha.
Por otro lado, otras reacciones transcurren solo de manera limitada, los reactivos se consumen parcialmente. Así, el hidrógeno y el nitrógeno reaccionan formando amoniaco, pero sin llegar a consumirse totalmente. En estos casos se consigue un equilibrio entre reactivos y productos. Dicho equilibrio se alcanza tanto a partir de los reactivos como a partir de los productos. Por esta razón a este tipo de reacciones se les denomina reversibles, y en ellas separamos reactivos de productos con una doble flecha:
En la gráfica inferior puedes observar el avance de la reacción de descomposición de tetraóxido de dinitrógeno a dióxido de nitrógeno hasta que se alcanza el equilibrio.
Si nos fijamos en las dos gráficas inferiores podemos ver que desde el comienzo de la reacción química:
las concentraciones de los reactivos van disminuyendo
las de los productos aumentan
la velocidad directa (kf) disminuye
la velocidad inversa (kr) aumenta
Hasta que se alcanza el equilibrio. Se trata de un equilibrio dinámico, ya que las moléculas siguen reaccionando incluso una vez alcanzado el equilibrio. A partir del cual las concentraciones y las velocidades se mantienen constantes. En equilibrio la velocidad directa, de izquierda a derecha, es igual a la de la reacción inversa, de derecha a izquierda y el incremento de la energía libre de Gibbs es 0.
Constante de equilibrio
En una reacción química el producto de las concentraciones de los productos, en el equilibrio, elevadas a sus respectivos coeficientes estequiométricos, dividido por el producto de las concentraciones de los reactivos, en el equilibrio, elevadas a sus respectivos coeficientes estequiométricos, es una constante a cada temperatura llamada constante de equilibrio. A esta ley se le denomina ley del equilibrio químico,o ley de acción de masas. La constante de equilibrio depende de la temperatura, por lo que es necesario especificar siempre la temperatura cuando se dé un valor de Kc.
Este ejemplo es válido cuando el equilibrio es homogéneo, lo que significa que todos los compuestos que intervienen en la reacción están en la misma fase (gaseosa o líquida).
Cómo hacer un problema de equilibrio
Problema 1
Reaccionan 46 g de yodo y 1 g de hidrógeno a 450 ºC, la mezcla en equilibrio contiene 1,9 g de yodo. Hallar:
a) moles de cada gas en el equilibrio.
b) Kc para .
Problema 2
La composición de equilibrio para la reacción es: 0,1; 0,1; 0,4 y 0,1 moles, respectivamente, en un matraz de 1 litro. Se añade 0,3 moles de H2 a la mezcla en equilibrio (sin modificar el volumen). Hallar la nueva concentración de CO una vez restablecido el equilibrio.
¿Qué tal estás? Espero que te encuentres bien y con mucho ánimo.
En este artículo te voy a explicar cómo se calcula el pH de una disolución acuosa de un ácido o una base fuertes. Para ello, voy a dividir la explicación en las siguientes secciones:
El pH es el logaritmo del inverso de la concentración de iones hidronio (H3O+) contenidos en una disolución.
En función del pH que tenga una disolución podemos distinguir:
Disolución neutra: [H3O+]=10-7 M–> pH=7
Disolución ácida: [H3O+]>10-7 M–> pH<7
Por ejemplo, si la disolución tiene una [H3O+]=10-3 M–> pH=3
Disolución básica: [H3O+]<10-7 M–> pH>7
Por ejemplo, si la disolución tiene una [H3O+]=10-9 M–> pH=9
De forma similar, el pOH es el logaritmo del inverso de la concentración de iones hidroxilo (OH–) contenidos en una disolución
Teniendo en cuenta el producto iónico del agua:
[H3O+]·[OH–]=10-14
log([H3O+]·[OH–])=log[H3O+]+ log [OH–]=-14
Si cambiamos el signo: -log[H3O+]- log [OH–]= 14
Así obtenemos: pH+pOH=14
Ácidos fuertes. Cálculo de pH
Según Arrhenius, se considera que un ácido es fuerte cuando se disocia por completo en disolución acuosa. Por ello, serán reacciones irreversibles en las los reactivos se convierten al 100% en los productos. Para hacer los cálculos tenemos que tener en cuenta la estequiometría de la reacción.
Son ácidos fuertes:
Ejercicios resueltos
1.Calcula el pH de una disolución acuosa de HBr 0,055 M.
2.Calcula el pH de una disolución de HClO4, preparada en un matraz de 500 mL: 0,01 L de HClO4 0,07 M, 0,12 L de HClO4 0,05 M y se enrasa con agua hasta 500 mL.
3. ¿Qué disolución tendrá un mayor pH? a) 500 mL de disolución: 10 mL de HNO3 0,03 M+ 4 mL de HNO3 0,012 M+ agua hasta enrase; b) 500 mL de disolución: 20 mL de HNO3 0,001 M+ 9 mL de HNO3 0,01 M+ agua hasta enrase.
Bases fuertes. Cálculo de pH
Al igual que en el caso de los ácidos fuertes, según Arrhenius, se considera que una base es fuerte cuando se disocia por completo en disolución acuosa. Por ello, serán reacciones irreversibles en las los reactivos se convierten al 100% en los productos. Para hacer los cálculos tenemos que tener en cuenta la estequiometría de la reacción.
Son bases fuertes: Hidróxidos del grupo 1 y 2
1.Calcula el pH de una disolución acuosa de NaOH 0,009 M.
2. Calcula los gramos de Mg(OH)2 necesarios para preparar 0,8 L de una disolución de pH=9. Masas atómicas: Mg= 14,3; O=16; H=1.
¿Qué tal estás? Espero que con mucho ánimo. Hoy vamos a ver los compuestos orgánicos oxigenados que nos quedan por dar: alcoholes, ácidos carboxílicos y ésteres.
A continuación tienes una tabla con el grupo funcional característico y un ejemplo de cada uno de ellos:
Familia
Grupo funcional
Ejemplo
Nombre
Alcohol
2-propanol
Ácido carboxílico
ácido propanoico
Éster
propanoato de metilo
Alcoholes
Tienen una estructura similar a la de los hidrocarburos pero con uno o más hidrógenos sustituidos por grupos «hidroxilo»,OH–.
Este grupo funcional puede ir o no en el extremo. Así, dependiendo del tipo de carbón al que está unido el grupo hidroxilo se distinguen:
Alcohol primario (unido a un C primario):
Alcohol secundario (unido a un C secundario):
Alcohol terciario (unido a un C terciario):
Nombrar alcoholes (si es el único tipo de grupo funcional, terminación -ol)
Si es un alcano sin ramificar con uno o más grupos hidroxilos: posición de los grupos hidroxilos+ nombre de la cadena hidrocarbonada (butan)+prefijo del número de grupos (di, tri…)+ -ol
2,3-butanodiol
Si es un cicloalcano con uno o varios grupos hidroxilos: Se indica la posición de los grupos hidroxilos+ Se nombra el ciclo (ciclohexano)+prefijo del número de grupos, di (si es necesario)+ -ol
1,4-ciclohexanodiol
Si es una cadena hidrocarbonada ramificada con enlaces múltiples, radicales y uno o varios grupos hidroxilos:
1)La cadena principal es la que contiene el mayor número de grupos hidroxilos.
2)Se enumera de tal forma que los grupos hidroxilos tengan los localizadores más bajos posibles. En los casos en que tenemos dudas, hay que tener en cuenta el siguiente orden de preferencia(de mayor a menor) a la hora de enumerar: : grupos hidroxilos>doble enlace>triple enlace>radical alquílico o halógeno(por orden alfabético). Este orden de preferencia es el mismo que en los hidrocarburos ramificados (Ver la explicación en vídeo y en texto sobre los Hidrocarburos de cadena abierta).
En este caso, el carbono 1 será el de la derecha porque así los grupos hidroxilos tienen los localizadores más bajos posibles.
3)Para nombrar: Posición de los radicales y sus nombres por orden alfabético (3-cloro-2-metil)+cadena de carbonos (pent)+posición de dobles enlaces(2,4)+(prefijo di,tri,tetra si es necesario)en+ posición de los grupos hidroxilos(1,4)+di+ol–>3-cloro-2-metilpenta-2,4-dien-1,4-diol
Si es una hidrocarburo de cadena cerrada con enlaces múltiples y uno o varios grupos hidroxilos:
1)Se enumera de tal forma que los grupos hidroxilos tengan la menor posición posible.
2) nombrar: posición de dobles enlaces+nombre del hidrocarburo de cadena cerrada+ (di,tri,tetra…)en+posición de los grupos hidroxilos (si hay más de uno)+(di,tri,tetra…)oll
ciclopenta-1,3-dien-1,3-diol
Benceno con grupos hidroxilos: FENOLES
Fenol
Los fenoles se nombran como los alcoholes (ol), aunque también se pueden nombrar como derivados del benceno, utilizando el prefijo hidroxi, e incluso como derivados del fenol.
3-cloro-5-metilfenol ó 3-cloro-5-metilhidroxibenceno
1,3-bencenodiol ó 1,3-dihidroxibenceno
Además, en los compuestos aromáticos (con anillos bencénicos) se puede indicar la posición de los radicales con: orto (o), meta(m) y para(p).
o-dihidroxibenceno
m-dihidroxibenceno
p-dihidroxibenceno
Formular alcoholes:
Lo vamos a ver con un ejemplo.
¿Cómo se formula el siguiente compuesto? 2-bromo-3-etilhex-4-in-2-ol
1)dibuja la cadena carbonada.
2)posiciona el grupo alcohol, los dobles, triples enlaces y radicales.
3)completa con hidrógenos
Ácidos carboxílicos
El grupo funcional de los ácidos carboxílicos es: Donde R es un radical arílico o alquílico, es decir, una cadena carbonada abierta o cerrada.
Este grupo funcional va en el extremo, por lo tanto no necesita localizador (en las cadenas carbonadas abiertas).
Nombrar ácidos carboxílicos (si es el único tipo de grupo funcional: ácido + nombre hidrocarburo -oico).
Si es un alcano sin ramificar con uno o más grupos carboxilos: nombre de la cadena hidrocarbonada (butan)+prefijo del número de grupos (di, tri…)+ -oico.
ácido butanodioico (o ácido succínico)
Si es un cicloalcano con uno o varios grupos carboxilos: Cuando el grupo carboxilo se encuentra unido a una estructura cíclica se menciona la palabra ácido+ posición de los grupos carboxílicos+ nombre del ciclo+prefijo que indica el número de grupos+ «carboxílico».
ácido 1,3-ciclohexanodicarboxílico
Si es una cadena hidrocarbonada ramificada con enlaces múltiples, radicales y uno o varios grupos carboxilos:
1)La cadena principal es la que contiene los grupos carboxilos.
2)Siempre el grupo carboxilo tendrá el localizador 1. Cuando tenemos 2 grupos carboxilos, hay que tener en cuenta el siguiente orden de preferencia(de mayor a menor) a la hora de enumerar: : grupos carboxilos>doble enlace>triple enlace>radical alquílico o halógeno(por orden alfabético). Este orden de preferencia es el mismo que en los hidrocarburos ramificados (Ver la explicación en vídeo y en texto sobre los Hidrocarburos de cadena abierta).
En este caso, el carbono 1 será el de la derecha porque es donde está el grupo carboxilo.
3)Para nombrar: Posición de los radicales y sus nombres por orden alfabético (4-cloro-)+cadena de carbonos (pent)+posición de dobles enlaces(4)+(prefijo di,tri,tetra si es necesario)en+ posición de tripes enlaces(2-)+(prefijo di,tri,tetra si es necesario)in+(prefijo di, si es necesario)oico–>ácido 4-cloropent-4-en-2-inoico
Si es una hidrocarburo de cadena cerrada con enlaces múltiples, radicales y uno o varios grupos hidroxilos:
1)Se enumera de tal forma que los grupos carboxilos tengan la menor posición posible.
2) nombrar: posición de radicales+radical+nombre del hidrocarburo de cadena cerrada+ posición de dobles enlaces+(di,tri,tetra…)eno+posición de los grupos carboxilos (si hay más de uno)+(di,tri,tetra…)carboxílicos
ácido 2-metilciclopent-4-en-1,3-dicarboxílico
Benceno con grupos carboxilos.
ácido benzoico o ácido bencenocarboxílico
acido 5-metilbenceno-1,3-dicarboxílico
Formular ácidos carboxílicos:
Lo vamos a ver con un ejemplo.
¿Cómo se formula el siguiente compuesto? 3,4-dimetilpent-2,4-dienoico
1)dibuja la cadena carbonada.
2)posiciona el grupo carboxilo, los dobles enlaces y radicales.
3)completa con hidrógenos
Ésteres
El grupo funcional de los ésteres es Donde R es un radical arílico o alquílico, es decir, una cadena carbonada abierta o cerrada.
No se tiene que indicar la posición de este grupo porque siempre tendrá una posición muy concreta.
Se obtienen de la reacción entre un ácido carboxílico y un alcohol, reacción llamada esterificación:
Se nombran a partir del nombre del ácido del que proceden cambiando la terminación -oico por la de -oato , seguido del nombre del radical R´ terminado en o.
Para nombrar:
La cadena principal contiene el grupo éster.
Se nombrar por un lado la parte que procede del ácido carboxílico (siguiendo las reglas que ya se han explicado en la sección anterior) y por otro lado se nombra el radical (siguiendo las reglas para nombrar los radicales de los Hidrocarburos de cadena abierta).
El carbono 1 en el caso de la cadena que procede del ácido carboxílico es el carbono que pertenece al grupo éster y en el caso del radical el carbono 1 será el que esté pegado al grupo éster.
Propanoato de etilo
4-cloropent-4-en-2-inoato de ciclopentilo (este éster procede de un ácido carboxílico de la sección anterior, ve a echar un vistazo si tienes dudas al nombrarlo)
Benzoato de (1-cloro-2metil)propilo
Ejercicios resueltos
1.
3-metil-2-penten-2,4-diol
2.
4-cloro-6-metil-1,3-dihidroxibenceno ó 4-cloro-6-metil-1,3-bencenodiol
La termodinámica es la ciencia que estudia los cambios de energía que tienen lugar enlos procesos físicos y químicos. En toda reacción química se produce una absorción o un desprendimiento de energía, generalmente calorífica. En concreto, la termodinámica clásica estudia la variación de las variables de un sistema entre dos estados de equilibrio, uno inicial y otro final.
El sistema es la parte del universo sobre la que se centra el estudio termodinámico y al resto del universo se le llama entorno. El límite entre el sistema y su entorno se le denomina pared.
La pared puede ser:
Adiabática: No deja pasar el calor.
Conductora: Sí deja pasar el calor.
Rígida: Mantiene constante el volumen del sistema.
Los sistemas pueden ser:
Abiertos: pueden intercambiar materia y energía con el entorno.
Cerrados: pueden intercambiar energía pero no materia con el entorno.
Aislados: no pueden intercambiar ni materia ni energía con el entorno.
Las variables termodinámicas son las magnitudes que determinan el estado de un sistema. Pueden ser:
Intensivas: No dependen de la cantidad de materia del sistema y se pueden determinar en un punto cualquiera del sistema (P, T, concentración, etc)
Extensivas: Dependen de la cantidad de materia del sistema y se extienden a todo el sistema (m, V, S, U, etc).
Una función de estado es una variable termodinámica que sólo depende del estado inicial y final del sistema, sin importar el camino que ha seguido para llegar de un punto a otro. ( entalpía, energía interna, entropía (S), Energía libre de Gibbs. etc)
Un Sistema está en equilibrio si las variables que definen el estado del sistema no varían con el tiempo.
Calor y trabajo
El intercambio de energía entre un sistema y su entorno se puede dar en forma de calor (Q) y de trabajo (W). La energía es una función de estado, sin embargo, el calor y el trabajo no, éstos son energía en tránsito.
Calor
Es la energía térmica intercambiada de forma espontánea o natural entre dos cuerpos (o entre un sistema y su entorno) que se encuentran a diferente temperatura. Se transfiere del que tiene más temperatura al que tiene menos, hasta que se alcanza el equilibrio térmico.
Se calcula:
Donde Ce es el calor específico, la cantidad de calor que hay que suministrar a 1 g de sustancia para que aumente su temperatura 1 ºC, m es la masa y ∆T es la diferencia de temperatura.
Signo del calor:
Q>0: si ∆T>0, es decir, si aumenta la temperatura (calor absorbido)
Q<0: si ∆T<0, es decir, si disminuye la temperatura (calor cedido)
Trabajo
Se define como la transmisión de energía debido a la acción de una fuerza que lleva consigo un desplazamiento o un cambio de volumen. En química nos interesa el trabajo de espansión-compresión que se asocian a cambios de volumen que puede experimentar un sistema.
Se calcula:
Donde P es la presión y ∆V es la variación de volumen.
Signos del trabajo:
W>0: si ∆V<0, es decir, si disminuye el volumen (trabajo de compresión realizado por el entorno sobre el sistema)
W<0: si ∆V>0, es decir, si aumenta el volumen (trabajo de expansión realizado por el sistema)
Lo que entra al sistema (Q o W) provoca un aumento de su energía interna y se le asigna signo + , mientras que lo que sale, provoca una disminución de energía interna y se considera con signo -.
Unidad de energía, calor y trabajo: Según el Sistema Internacional (SI) es el julio. Aunque otra unidad que también se emplea mucho son las calorías: 1 cal= 4,184 J
Primer principio de la termodinámica
La energía interna de un sistema aumenta cuando el sistema absorbe calor o soporta un trabajo.
Donde la energía interna (U) es una función de estado extensiva que representa la energía total almacenada en un sistema asociada a la estructura del mismo y es la suma de las energías (cinética, potencial) de todas las partículas que conforman el sistema. Como es una función de estado, sólo depende del estado inicial y final, no del camino recorrido entre uno y otro.
Este primer principio se corresponde con el principio de la conservación de la energía: “la energía del Universo (sistema más entorno) permanece constante” a un sistema cerrado.
Casos particulares:
Transformación a volumen constante (V=cte):
Si ∆V=0–> W=0–>
El calor absorbido o desprendido por el sistema a volumen constante es igual a la variación de energía interna del sistema.
Transformación a presión constante (P=cte):
El calor absorbido o desprendido por el sistema a presión constante es igual a la variación de la entalpía del sistema.
Las magnitudes ∆H(Qp) y ∆U(Qv) se relacionan mediante:
Siendo ∆n el incremento de moles gaseosos en la reacción.
En la clase de hoy vamos a comenzar a ver el ajuste de las reacciones de oxidación-reducción (reacciones redox) mediante el método de ión-electrón. Los puntos que vamos a tratar son los siguientes:
Se entiende por estado o número de oxidación a la carga que tendría un átomo si todos sus enlaces fueran iónicos, o si se asignasen los electrones (en un enlace covalente) al átomo más electronegativo.
Principales estados de oxidación.
Moléculas en las que sólo hay un tipo de átomo tienen EO 0.
El oxígeno (O) en óxidos, ácidos y sales oxácidas tiene EO –2.
El hidrógeno (H) tiene EO –1 en los hidruros metálicos y +1 en el resto de los casos.
Los metales formando parte de moléculas tienen E.O. positivos y en estado metálico tienen EO 0.
¿Cómo podemos averiguar el estado de oxidación de cada átomo dentro de una molécula o ión?
Tenemos que saber que la suma de los EO de los átomos en una molécula neutra siempre es 0 y en un ión corresponde a la carga del ión.
Ejemplo:
Averigua con que EO está acuando cada átomo de los siguientes compuestos:
H2SO4: suma de todos los EO=0
2(nº hidrógenos) ·1(EO del hidrógeno)+1(nº de S)·x(EO del S)+(-2)(EO de O)·4 (nº de O)=0; 2+x-8=0; x=8-2=6
Conceptos de oxidación y reducción
Oxidación: se refiere al proceso en el una sustancia (agente reductor) pierde electrones. El EO del agente reductor aumenta cuando se oxida.
Reducción: se refiere al proceso en el una sustancia (agente oxidante) gana electrones. El EO del agente oxidante disminuye cuando se reduce.
Proceso
Agente
Electrones
EO
Oxidación
Reductor
Pierde
Aumenta
Reducción
oxidante
gana
Disminuye
Lo primero que tenemos que hacer en un problema redox o de oxidación-reducción es:
escribir la reacción
escribir el EO de cada tipo de átomo
identificar el oxidante y el reductor
Ejemplo1
Cuando introducimos un electrodo de cobre en una disolución de AgNO3, de manera espontánea el cobre se oxida a Cu2+, mientras que, a la vez, la Ag+ de la misma se reduce a plata metálica.
escribir la reacción
AgNO3 + Cu–> Ag + Cu(NO3)2
escribir el EO de cada tipo de átomo
Ag+1N+5O-23 + Cu0–> Ag0 + Cu+2(N+5O-23)2
identificar el oxidante y el reductor
En la reacción: el EO de la plata disminuye y el EO del cobre aumenta. La plata se reduce y el cobre se oxida.
Ejemplo 2
Cuando el Fe2O3 reacciona con monóxido de carbono da lugar a hierro metálico y dióxido de carbono. Identifica el agente oxidante y el agente reductor.
escribir la reacción
Fe2O3 + CO → Fe + CO2
escribir el EO de cada tipo de átomo
Fe+32O-23 + C+2O-2 → Fe0 + C+4O-22
identificar el oxidante y el reductor
En la reacción: el EO del hierro disminuye y el EO el carbono aumenta. El hierro se reduce (oxidante) y el carbono se oxida (reductor).
Ajuste de las reacciones de redox por el método ión-electrón
Se busca la conservación tanto de la masa como de la carga (los electrones que se pierden en la oxidación son los mismos que los que se ganan en la reducción).
Ajuste en medio ácido
En el ajuste de las semirreacciones en medio ácido, los átomos de O se ajustan con agua y los H se ajustan con los protones que provienen del ácido.
Vamos a ver el ajuste en medio ácido con un ejemplo. Tenemos que ajustar la siguiente reacción:
Se escribe la reacción sin ajustar, los números de oxidación de cada elemento y se identifica la especie que se oxida y la que se reduce.
En esta reacción el Cr se reduce, disminuye su EO, y el S se oxida, aumenta su EO.
2. Escribimos las semirreacciones de las especies que intervienen en la reacción redox. Como se considera en disolución, las especies iónicas como el K2Cr2O7 están disociadas mientras que los compuestos covalentes como el NH3 no.
Semirreacción de oxidación:
Semirreacción de reducción:
3. Ajustamos el número y tipo de átomos en las semirreacciones empleando agua para ajustar el oxígeno y protones para ajustar el hidrógeno.
4. Escribimos el número de electrones transferidos en cada reacción (A ambos lados de la reacción (reactivos y productos) tiene que haber la misma carga, se utilizan los electrones para ajustar la carga).
5. Multiplicamos las semirreacciones para que el número de electrones transferidos en una y otra sea el mismo.
6. Sumamos las semirreacciones.
7. Podemos simplificar la reacción dividiendo entre 2.
8. Ya tenemos ajustada la reacción con las especies iónicas. Para ajustarla con los compuestos iniciales, debemos añadir las especies inertes, completamos los compuestos y comprobamos que está ajustada.
¡Ya hemos ajustado la reacción en medio ácido!
Ajuste en medio básico
En el ajuste de las semirreacciones en medio básico, los átomos de O se ajustan con OH– y se emplea agua para ajustar los H.
Vamos a ver el ajuste en medio básico con un ejemplo. Tenemos que ajustar la siguiente reacción redox:
Se escribe la reacción sin ajustar, los números de oxidación de cada elemento y se identifica la especie que se oxida y la que se reduce.
2. Escribimos las semirreacciones de las especies que intervienen en la reacción redox. Como se considera en disolución, las especies iónicas como el K2Cr2O7 están disociadas mientras que los compuestos covalentes como el NH3 no.
Semirreacción de oxidación:
Semirreacción de reducción:
3. Ajustamos el número y tipo de átomos que intervienen en las semirreacciones, empleando los aniones OH– para ajustar los O y el agua para ajustar los H.
4. Escribimos el número de electrones transferidos en cada reacción (A ambos lados de la reacción (reactivos y productos) tiene que haber la misma carga, se utilizan los electrones para ajustar la carga).
5. Multiplicamos las semirreacciones para que el número de electrones transferidos en una y otra sea el mismo.
6. Sumamos las semirreacciones.
7. Se simplifica si se puede. En este caso no podemos.
8. Ya tenemos ajustada la reacción con las especies iónicas. Para ajustarla con los compuestos iniciales, debemos añadir las especies inertes, completamos los compuestos y comprobamos que está ajustada.
Hoy vamos a estudiar la estequiometría de las reacciones químicas, a nivel intermedio. Los conceptos básicos para poder hacer los problemas de estequiometría los tienes explicados en el artículo Estequiometría de las reacciones Químicas. Nivel básico.
Aquí tienes la explicación en vídeo sobre estequiometría: rendimiento, pureza y reactivo limitante y en exceso.
Rendimiento de una reacción química
El rendimiento de una reacción es la relación entre la cantidad real que se obtiene y la cantidad teórica que se obtendría según la relación estequiométrica.
Ejemplo:
Riqueza o pureza de una muestra
La riqueza o pureza indica la cantidad de compuesto puro que hay en una muestra.
Ejemplo:
Reactivo limitante y en exceso
En una reacción química puede que no se consuman totalmente todos los reactivos que intervienen. Entonces:
El reactivo limitante es el que se consume primero totalmente.
El reactivo en exceso es del que sobra cierta cantidad.
Por ello, para realizar los cálculos estequiométricos debemos emplear el reactivo limitante.
Espero que estés muy bien y que hayas empezado la semana con buen pie. Como has podido comprobar, a partir de ahora las explicaciones en vídeo y en texto las publicaré los martes.
En esta clase vamos a estudiar la formulación de los compuestos:
A continuación tienes una tabla con el grupo funcional característico y un ejemplo de cada uno de ellos:
Familia
Grupo funcional
Ejemplo
Nombre
Aldehído
Propanal
Cetona
Propanona o acetona
Éter
Metil tertbutil éter
Aldehídos
Son compuestos que contienen el grupo funcional Donde R indica un radical, es decir, una cadena hidrocarbonada abierta o cerrada.
Este grupo funcional (-CHO) siempre se encontrará en el extremo del compuesto.
Nombrar aldehídos (si es el único tipo de grupo funcional, terminación -al)
Si es un alcano sin ramificar con uno o dos grupos aldehídos: Se nombra la cadena hidrocarbonada (butan)+prefijo del número de grupos, di (si es necesario)+ -al
Butanal
Si es un cicloalcano con uno o varios grupos aldehído: Se indica la posición de los grupos aldehido+ Se nombra el ciclo (ciclohexano)+prefijo del número de grupos, di (si es necesario)+ -al
1,4-ciclohexanodial
Si es una cadena hidrocarbonada ramificada con enlaces múltiples, radicales y uno o varios grupos aldehídos:
1)La cadena principal es la que contiene los grupos aldehídos.
2)El Carbono 1 será un carbono que tenga el grupo aldehído. En los casos en los hay grupos aldehídos(uno en cada extremo), dobles enlaces, triples enlaces y radicales el orden de preferencia a la hora de enumerar los C (de mayor a menor) es: grupo aldehído>doble enlace>triple enlace>radical alquílico o halógeno(por orden alfabético). Este orden de preferencia es el mismo que en los hidrocarburos ramificados (Ver la explicación en vídeo y en texto sobre los Hidrocarburos de cadena abierta).
En este caso, el carbono 1 será el de la izquierda porque así el doble enlace tiene un localizador más pequeño.
3)Para nombrar: Posición de los radicales y sus nombres por orden alfabético (4-cloro-7-metil)+cadena de carbonos (non)+posición de dobles enlaces(6-)+(prefijo di,tri,tetra si es necesario)en+ posición de triples enlaces(2-)+(prefijo di,tri,tetra si es necesario)in+sufijo -al–> 4-cloro-7-metilnon-6-en-2-inal
Si es una hidrocarburo de cadena cerrada con enlaces múltiples y uno o varios grupos aldehídos:
1)Carbono 1 el que tiene el grupo aldehído.
2) nombrar: posición de dobles enlaces+nombre del hidrocarburo de cadena cerrada+ (di,tri,tetra…)en+posición de los grupos aldehídos (si hay más de uno)+(di,tri,tetra…)al
(1,4)-ciclopentadienal
Hidrocarburo aromático con uno o varios grupos aldehídos:
Benzaldehído
Pero cuando tiene más de un grupo aldehído: se indica la posición de los grupo+benceno+(di,tri,tetra…)+carbaldehído
(1,3)-bencenodicarbaldehído o m-bencenodicarbaldehído
Formular aldehídos:
7-etildec-8-en-5-inal
1)dibuja la cadena carbonada y el grupo aldehído
2)posiciona los enlaces múltiples y el radical
3)completa con hidrógenos
En esta tabla se muestran los nombres de dos aldehídos según la IUPAC y los nombres comunes con los que se suelen nombrar:
Fórmula
Nombre IUPAC
Nombre común
HCHO
Metanal
Formaldehído
CH3CHO
Etanal
Acetaldehído
Cetonas
Son compuestos con el grupo funcional Donde R y R’ son radicales, es decir, cadenas hidrocarbonadas abiertas o cerradas.
Nombrar cetonas(si es el único tipo de grupo funcional, terminación -ona)
Si es un alcano sin ramificar con uno o dos grupos cetonas: Posición de los grupos carbonilos C=O , si es necesario (2,4) + cadena hidrocarbonada (hexan)+prefijo del número de grupos, (di,tri,tetra…)+ -ona
(2,4)-hexanodiona
Se numeran los carbonos de tal forma que los grupos cetonas tengan los localizadores más bajos.
También se puede nombrar empleando la palabra cetona y los radicales a ambos lados del grupo carbonilo C=O.
etilmetilcetona
Si es un cicloalcano con uno o varios grupos cetonas: Se indica la posición de los grupos carbonilos C=O+ Se nombra el ciclo (ciclohexano)+(di,tri,tetra…)+ -ona
(1,3,5)-ciclohexanotriona
Si es una cadena hidrocarbonada ramificada con enlaces múltiples, radicales y uno o varios grupos carbonilos C=O:
1)La cadena principal es la que contiene los grupos carbonilos.
2) Se enumera de tal forma que el grupo carbonilo tenga el localizador más bajo posible. Pero en el caso que tenga la misma posición cuando empiezas a enumerar por un extremo y por otro, entonces hay que tener en cuenta que a la hora de enumerar los carbonos que el orden de preferencia de mayor a menor es: doble enlace>triple enlace>radical alquílico o halógeno(por orden alfabético). Este orden de preferencia es el mismo que en los hidrocarburos ramificados (Ver la explicación en vídeo y en texto sobre los Hidrocarburos de cadena abierta). Es decir, el orden de preferencia a la hora de enumerar los C (de mayor a menor) es: grupo carbonilo (cetona)>doble enlace>triple enlace>radical alquílico o halógeno(por orden alfabético).
En este caso, el carbono 1 será el de la izquierda porque así el triple enlace tiene un localizador más pequeño.
3)Para nombrar: Posición de los radicales y sus nombres por orden alfabético +cadena de carbonos (hepta)+posición de dobles enlaces+(prefijo di,tri,tetra si es necesario)en+ posicion de los triples enlaces+ (di,tri,tetra…)in –> 2-heptin-4-ona
Si es una hidrocarburo de cadena cerrada con enlaces múltiples y uno o varios grupos ccarbonilos:
1)El localizador más bajo para los grupos carbonilos.
2) nombrar: posición de dobles enlaces+nombre del hidrocarburo de cadena cerrada+ (di,tri,tetra…)en+posición de los grupos cetonas (si hay más de uno)+(di,tri,tetra…)ona o
4-ciclopenten-(1,3)-diona
Cetonas aromáticas con uno o varios grupos carbonilos:
p-benzoquinona
o-benzoquinona
etilfenilcetona
Difenilcetona
Los derivados del benceno se nombrar los radicales a ambos lados del grupo carbonilo seguido por el sufijo cetona.
Formular Cetonas:
3-cloro-4-metilpent-3-en-2-ona
1)dibuja la cadena carbonada y el grupo carbonillo
2)posiciona los enlaces múltiples y los radicales
3)completa con hidrógenos
Éteres
Son compuestos que tienen un átomo de O al que se le unen dos radicales:
¿Cómo se nombran? se nombran los radicales por orden alfabético y a continuación la palabra éter.
Etil fenil éterButil isopropil éter
Otra forma de nombrar los éteres: Se nombran interponiendo la partícula «-oxi-» entre los dos radicales. Se escribe el nombre del radical más sencillo +-oxi-+ hidrocarburo correspondiente al radical más complejo.
etoxibencenoisopropoxibutano
Si hay ramificaciones y enlaces múltiples:
1)La cadena principal es la que contiene el grupo éter.
2) Los C 1 de los radicales son los que están unidos al O.
3)Para nombrar: (3-metil)butil 2-propenil éter
Para nombrar los radicales se sigue las reglas que se indican para los hidrocarburos ramificados con enlaces múltiples (Ver la explicación en vídeo y en texto sobre los Hidrocarburos de cadena abierta)
Formular éteres:
metil (2-cloro-3-metil)pentil éter
1)Escribimos el oxígeno del grupo éter: -O-
2)Escribimos los carbones de cada radical: C-C-C-C-C-O-C
3)Incluimos los radicales y dobles enlaces de los radicales, teniendo en cuenta que el carbono 1 es el que está pegado al O.
4) Completamos con H( cada carbono tiene que tener 4 enlaces).
En la clase de hoy vamos a ver lo más básico del tema de estequiometría de las reacciones químicas. La estequiometría es la parte de la química que estudia las relaciones entre los compuestos que intervienen en las reacciones químicas, pudiendo distinguir los reactivos ( a la izquierda) y los productos (a la derecha).
3,34 1024 moléculas ·2 átomos H/molécula= 6,68 1024 átomos H
3,34 1024 moléculas ·1 átomos O/molécula= 3,34 1024 átomos O
Ecuación de los gases ideales
Un gas se comportará como un gas ideal a temperaturas moderadas y bajas presiones. La ecuación de estado de los gases ideales es la siguiente:
P·V=n·R·T
Donde :
P= presión (atm); 1 atm= 760 mmHg=101325 Pa= 1,013 bar
V= volumen(L)
n= nº moles
R=cte de los gases ideales=0,082 atm·L/(K·mol)
T= temperatura (K)
Volumen molar
1 mol de cualquier gas ocupará 22,4 L de volumen en condiciones normales de P y T( P=1 atm y T=0ºC=273K).
Ejercicio resuelto
¿Cuánto ocupa 200 g de sulfato de cobre(II) a 5 atm y 60 ºC?
Sulfato de cobre(II)= CuSO4–> PM(CuSO4)= 159,609 g/mol
200g/ 159,609 g/mol=1,25 moles
60 ºC= 333K
V= 1,25 moles (0,082 atm·L/(K·mol))·333K /5 atm=6,84 L
Disoluciones
Para resolver los problemas en los que intervienen disoluciones tenemos que conocer los siguientes conceptos:
La concentración de una disolución se expresar de diferentes formas:
Molaridad (M)=moles soluto/L disolución
Molalidad(m)= moles soluto/Kg disolvente
% masa=(g soluto/g disolución)·100
Densidad=g disolución/L disolución
Fracción molar:
Fracción molar A(XA)=moles A/moles(A+B)
Fracción molar B(XB)=moles B/moles(A+B)
Ejercicio resuelto
Se prepara 500 mL de una disolución 7 M de hidróxido de sodio: a)Gramos de hidróxido de socio necesarios; b) Se diluye la disolución hasta un volumen de 2L. ¿Cuál la molaridad, %masa y densidad?
PM(NaOH)= 40 g/mol
a)M=n/L–> n= 7M·0,5L=3,5 moles
gramos= 3,5 moles · 40 g/mol=140 gramos NaOH
b) M= 3,5moles/2L=1,75 M
% masa=140 g NaOH/(140g +2000 g agua)=6,54%
Densidad=2140g/2L=1070 g/L=1,07 g/mL
Ajuste de reacción
En los problemas de estequiometría lo primero que tenemos que hacer es escribir la reacción química que nos describe el enunciado y ajustarla modificando los coeficientes estequiométricos. Para ello, tenemos que tener en cuenta la ley de conservación de la masa: en reactivos y productos tiene que haber el mismo número de átomos del mismo tipo.
C5H12 + O2 –> CO2 + H2O
Ajusto modificando los números estequiométricos C5H12 + 8 O2 –> 5 CO2 + 6 H2O
¿cómo se interpreta una reacción ajustada? 1 mol de pentano reacciona con 8 moles de oxígeno para dar 5 moles de dióxido de carbono y 6 moles de agua
Ejercicio resuelto
Tenemos 9 gramos de aluminio que reaccionan totalmente con ácido sulfúrico y originan sulfato de aluminio e hidrógeno (gas). Calcula: a)Cuántos gramos de sulfato de aluminio se forman; b)Cuántos litros de hidrógeno se obtienen en condiciones normales.
2 Al + 3 H2SO4 –> Al2(SO4)3 + 3 H2
a)PM(Al) = 27 g/mol –> 9 g Al/ 27 g/mol= 0,33 moles Al
b) 0,33 moles Al · (3mol H2 /2moles Al) =0,495 moles H2–>0,495 moles H2· 22,4 L/mol= 11,09 L H2
Problemas resueltos
El clorato potásico es uno de los componentes de la pólvora. Se descompone por la acción del calor, produciendo cloruro potásico y oxígeno. Calcula los gramos de cloruro potásico que se producirán por descomposición de 20 g de clorato potásico: a)Escribir y ajustar la reacción; b) Calcular el número de moles de la sustancia dada. c) Calcular los gramos de cloruro de potasio.
PM(KCl)=74,55 g/mol –> 0,165 moles ·74,55 g/mol= 12,3 g KCl
2. Una de las etapas de la obtención del vino es la fermentación de la glucosa C6H12O6 de las uvas, que produce etanol (C2H6O) y dióxido de carbono: a) Formula y ajusta la reacción química correspondiente; b) ¿Qué masa de glucosa se necesita para obtener 10 g de etanol?; c)¿Qué volumen de CO2 se desprende en el mismo proceso en CN?; d) Moléculas de CO2 que se formarán con 3 Kg de glucosa; e) Volumen de CO2 a 720 mmHg y 27 ºC que se formarán con 24.1024 moléculas de C6H12O6..
a) C6H12O6 –> 2 C2H6O + 2 CO2
b) PM(C2H6O)= 46,07 g/mol–> 10g/46,07 g/mol= 0,212 moles de C2H6O
0,212 moles de C2H6O ·(1 mol C6H12O6/2 moles C2H6O)=0,106 moles de C6H12O6
PM(C6H12O6) =180,16 g/mol–>0,106 moles·180,16 g/mol=19,1 g C6H12O6
c)0,212 moles de C2H6O·(2moles CO2/2 moles de C2H6O)= 0,212 moles de CO2
0,212 moles de CO2 ·(22,4 L/ 1 mol de CO2 )=4,75 L
d) 3 000 g de C6H12O6 /180,16 g/mol= 16,65 moles C6H12O6
16,65 moles C6H12O6 ·(2 moles CO2/1 moles de C6H12O6 )= 33,3 moles CO2
33,3 moles CO2 ·6,022 1023 =20,05 1024 moléculas CO2
39,85 moles C6H12O6 ·(·2 moles CO2/1 moles de C6H12O6 )=79,71 moles CO2
P= 720 mmHg · 1 atm/760 mmHg = 0,94 atm
T= 27 ºC + 273= 300 K
V= n R T/P= 79,71 moles·(0,082 atm L/(mol K))·300 K/0,94 atm= 2086,03 L
3. El peróxido de hidrógeno (Agua oxigenada) se emplea como bactericida para limpiar heridas. Su efecto se debe a que en contacto con la sangre se descompone, liberando oxígeno molecular que inhibe el crecimiento de microorganismos anaerobios, y agua. Calcula el volumen de oxígeno desprendido en c.n. por cada 5 ml de disolución de peróxido de hidrógeno 1 M.
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