4.3.1 Cálculos estequiométricos

4.3.1. Cálculos estequiométricos

Los productos que utilizamos cotidianamente como alimentos, jabones, medicinas entre otros muchos, se obtienen a través de reacciones químicas, constituidas por los reactivos a partir de los que se obtienen los productos que tienen propiedades diferentes a las de las sustancias que les dieron origen.

Para llevar a cabo una reacción química y obtener cantidades óptimas de productos se requiere partir de la ecuación química balanceada en la que las cantidades de los reactivos son iguales a las cantidades de productos. Por ejemplo:

Zn(s)  +    2HCl(ac)  →   ZnCl₂(ac)    +   H₂(g)

Una forma de leer la ecuación química anterior es: 1 mol de Zn reacciona con 2 mol de HCl para producir 1 mol de ZnCl₂    más 1 mol de H₂, sin embargo si se quiere llevar a cabo la reacción en el laboratorio es necesario utilizar unidades de medición que nos permitan efectuarla con iguales o diferentes cantidades, aunque siempre basándose en la ecuación química balanceada. Para ello, las moles se pueden expresar en g.

En el caso del Zn, 1 mol es igual al peso atómico o masa atómica,  65.37, dato obtenido de la tabla periódica y que redondeado es igual a 65 g/mol. Para el  HCl se requiere calcular los gramos,  porque es un compuesto y son 2 moles, así que en este caso los gramos se obtienen sumando el peso atómico de cada elemento del compuesto y se multiplica por 2, ya que son 2 moles:

Redondeando las masas tenemos que:   H = 1; Cl = 35, por lo tanto 1 + 35 = 36g de HCl multiplicado por 2 moles tenemos que 36 g X 2 = 72g de HCl

Con el ZnCl₂   se lleva a cabo un procedimiento semejante:

Redondeando las masas tenemos que:   Zn = 63; Cl = 35, como tiene subíndice 2 se multiplica por 2, por lo tanto: 35 X 2 = 70, entonces 63 + 70 = 135 g de ZnCl₂

Con los datos anteriores la ecuación química se lee ahora de la siguiente forma:

Zn(s)  +    2HCl(ac)  →   ZnCl₂ (ac)  +   H₂(g)

                                             65g              72g               135g               2g

65 g de Zn reaccionan con 72 g de HCl y producen 135 g de ZnCl₂   más 2 g de hidrógeno.

Cabe señalar que la forma de interpretar una ecuación a partir de la cantidades que intervienen son diversas, sin embargo sólo se están presentando en este caso dos de ellas, las cuales permiten efectuar cálculos que se denominan: relación mol-mol y masa-masa.

Ejemplo de la relación mol-mol

A partir de la ecuación química anterior, cuántas moles de HCl se requieren para que reaccionen 1.8 mol de Zn.

De la ecuación balanceada se considera la relación entre el Zn y el HCl:

1 mol de Zn reacciona con 2 mol de HCl

1. Se representa: 

   72 g de HCL__	o	135 g de ZnCl2
   135 g de ZnCl2		72 g de HCl

             

2. Se multiplica: 

   1.8 mol de ZnCl2	X	72 g de HCl	=   0.96 gramos de HCl
   		135 gramos de ZnCl2

Se seleccionó la segunda opción del inciso 2 para llegar al resultado, de esta manera es posible eliminar mol de Zn y obtener el resultado en mol de HCl.

La relación mol-mol anterior es entre reactivos, sin embargo se puede efectuar entre reactivo y producto, como es el siguiente caso:

Ejemplo: Cuántas mol se requieren de HCl para que al reaccionar se produzcan 1.8 mol de ZnCl₂. 

1. De la ecuación balanceada se considera la relación entre el  HCl y el ZnCl₂:

2 mol de HCl al reaccionar producen 1 mol de ZnCl₂

2. Se representa:         2 mol HCl               o               1 mol ZnCl₂                                                                     1 mol ZnCl₂                              2 mol HCl              

3. Se multiplica:  1.8 mol de ZnCl₂ X  2 mol HCl   =  3.6 mol de HCl                                                                                                 1 mol ZnCl₂ 

Relación gramo – gramo

A partir de la ecuación balanceada del caso anterior se hacen diversos cálculos.

Ejemplo:

A partir de la ecuación química anterior, cuántos gramos se requieren de HCl para que reaccionen 6.48 g de Zn. 

1. De la ecuación balanceada se considera la relación entre el Zn y el HCl:

65   g de Zn reaccionan con 72 mol de HCl

2. Se representa:   

   65 g de Zn	o	72 g de HCl
   72 g de HCl		65 g de Zn

               

3. Se multiplica: 

   6.48 g de Zn	X	72 g de HCl	=   7.18 gramos de HCl
   		65 g de Zn

Se seleccionó la segunda opción del inciso 2 para llegar al resultado, de esta manera es posible eliminar g de Zn y obtener el resultado en g de HCl.

La relación gramo – gramo anterior es entre reactivos, sin embargo se puede efectuar entre reactivo y producto, como es el siguiente caso:

Ejemplo: ¿Cuántas gramos se requieren de HCl para que al reaccionar se produzcan 3.6 g de ZnCl₂?. 

1. De la ecuación balanceada se considera la relación entre el  HCl y el ZnCl₂:

72   gramos de HCl al reaccionar producen 135 gramos de ZnCl₂

2. Se representa:         72 g de HCl               o             135 gramos de ZnCl₂                                                                135 gramos de ZnCl₂               72 de gramos HCl               

3. Se multiplica:  1.8 mol de ZnCl₂   X       72 mol HCl     =  0.96 gramos de HCl                                                                   135 gramos de ZnCl₂ 

Ejercicios:

1. Mediante la reacción de hidrógeno y oxígeno se amoniaco y la ecuación química es la siguiente:

N₂(g)     +      3H₂(g)     →  2NH₃(g)  

4.1.3 Estado Sólido cristalino, Modelo cinético molecular, Enlace metálico, Enlace iónico

4.1.3.

Estado sólido cristalino.

Modelo cinético molecular.

Enlace metálico.

Enlace iónico.

El Estado Sólido

1. Sólido Cristalino y Sólido Amorfo:

Los sólidos se clasifican como cristalinos o amorfos. Los sólidos cristalinos son sólidos verdaderos, las partículas existen en un patrón regular, tridimensional, denominado red cristalina. Los sólidos amorfos no tienen una estructura microscópica regular como los sólidos cristalinos. En realidad su estructura se parece mucho más a la de los líquidos que a la de los sólidos. El vidrio, el alquitrán, los polímeros de alta masa molecular como el plexiglás son ejemplos de sólidos amorfos.

2. Características Generales:

Los cristales poseen una constitución vectorial, es decir, sus propiedades son función de la dirección. En las sustancias cristalinas no son equivalentes todas las direcciones. La dependencia entre las propiedades de un cristal y la dirección está influenciada por la simetría del mismo, es decir por el número de planos o de ejes de simetría que son los que condicionan el crecimiento del cristal. 

Red Cristalina.

Ordenación periódica infinita de nudos o Puntos en una, dos o tres direcciones del espacio. Mono dimensional: Repetición periódica de un nudo en una dirección, puede definirse conociendo el valor del vector de traslación. Bidimensionales: Repetición periódica de puntos en un plano, puede definirse conociendo los valores de dos vectores y el Angulo que forman entre ellos. Tridimensionales o espaciales: Repetición periódica de puntos en el espacio. Puede definirse conociendo el valor de los tres vectores y los ángulos que forman entre ellos. Para una apropiada asimilación de lo que significa el orden interno cristalino, se ha de comenzar por la visualización y definición, a través de vectores traslación, del orden interno mono dimensional, constituido por las diferentes direcciones de la red que definen, por su periodicidad, filas reticulares donde los nudos están alineados y equidistantes entre sí.

Modelo cinético molecular

Los sólidos se caracterizan por tener forma y volumen constantes. Esto se debe a que las partículas que los forman están unidas por unas fuerzas de atracción grandes de modo que ocupan posiciones casi fijas.

En el estado sólido las partículas solamente pueden moverse vibrando u oscilando alrededor de posiciones fijas, pero no pueden moverse trasladándose libremente a lo largo del sólido.

Las partículas en el estado sólido propiamente dicho, se disponen de forma ordenada, con una regularidad espacial geométrica, que da lugar a diversas estructuras cristalinas.

Al aumentar la temperatura aumenta la vibración de las partículas.

De acuerdo con la teoría cinético-molecular o corpuscular toda la materia está formada por partículas en continuo movimiento, entre las que no hay nada, sólo espacio vacío, sin embargo ¿Cómo una misma sustancia puede presentar aspectos tan distintos como cuando se encuentra en estado sólido, líquido o gaseoso?

Si las partículas son iguales la única explicación en que en cada estado las partículas se disponen de manera diferente.

Las partículas de los sólidos se encuentran muy próximas, y las fuerzas de atracción entre ellas son muy intensas, su único movimiento es el de vibración.

Enlace metálico

Para explicar las propiedades características de los metales (su alta conductividad eléctrica y térmica, ductilidad y maleabilidad), se ha elaborado un modelo de enlace metálico conocido como modelo de la nube o del mar de electrones.

Los átomos de los metales tienen pocos electrones en su última capa, por lo general 1, 2 ó 3. Estos átomos pierden fácilmente esos electrones (electrones de valencia) y se convierten en iones positivos, por ejemplo Na+, Cu2+, Mg2+. Los iones positivos resultantes se ordenan en el espacio formando la red metálica. Los electrones de valencia desprendidos de los átomos forman una nube de electrones que puede desplazarse a través de toda la red. De este modo todo el conjunto de los iones positivos del metal queda unido mediante la nube de electrones con carga negativa que los envuelve.

Enlace iónico

Este enlace se produce cuando átomos de elementos metálicos (especialmente los situados más a la izquierda en la tabla periódica -períodos 1, 2 y 3) se encuentran con átomos no metálicos (los elementos situados a la derecha en la tabla periódica -especialmente los períodos 16 y 17).

En este caso los átomos del metal ceden electrones a los átomos del no metal, transformándose en iones positivos y negativos, respectivamente. Al formarse iones de carga opuesta éstos se atraen por fuerzas eléctricas intensas, quedando fuertemente unidos y dando lugar a un compuesto iónico. Estas fuerzas eléctricas las llamamos enlaces iónicos.

Ejemplo: La sal común se forma cuando los átomos del gas cloro se ponen en contacto con los átomos del metal sodio. En la siguiente simulación interactiva están representados los átomos de sodio y cloro con solo sus capas externas de electrones. Aproxima un átomo a otro con el ratón y observa lo que ocurre: