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QUIMICA APLICADA
Prevencin de Riesgos
Prof: Juan Voss
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Matemticas y conceptos bsicas
Medicin:
Qu significa medir?
Medidas macroscpicas
Medidas microscpicas
Sistemas de unidadesSistema Internacional (SI)
(m, kg, s, T (K) )
Sistema Ingls(ft, lb, s, T(R) )
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Unidades del Sistema Internacionaldimensin unidad smbolo
Longitud metro m
Masa kilgramo kg
Tiempo segundo s
Corriente ampere A
Temperatura Kelvin K
Cantidad de
sustancia
mol mol
Intensidad
Lumnica
candela cd
Cul es la diferencia entre masa y peso?
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Prefijos utilizadosNombre Smbolo Cantidad
Tera- T 1012
Giga- G 109
Mega- M 106
Kilo- k 103
Deci- d 10-1
Centi- c 10-2
Mili- m 10-3
Micro- 10-6
Nano- 10-9
Pico- p 10-12
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Ejemplo:
Un cuerpo cualquiera mide 0,00000012 m (1,2 x 10-7m)Cul es su valor en:
CentmetrosMicrmetros
Nanmetros?1,2 x 10-5cm; 1,2 x 10--1 m; 120 m
Las propiedades de la materia que se pueden medir, se dividen en:
Extensivas = depende de la cantidad de materiaIntensivas = no depende de la cantidad de materia
Ejemplo:
Extensivas: Masa, longitud, volumen, etc. (son aditivas)Intensivas: densidad, temperaturas (no son aditivas)
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Densidad:Se define como la masa que contiene una unidad de volumen
d = m/V
Si la masa tiene unidad de kg y el volumen de metros cbicos,entonces la densidad tendr unidades de
kg/m3
Ejemplo:
Cul ser la masa de un cuerpo que tiene una densidad de1,5 g/cm3 y ocupa un volumen de 10 cm3 ?
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Ejemplo:
Ejemplo:
Ejemplo:
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Escalas de temperatura:
Las escalas ms utilizadas son:
Celsius (C), Kelvin (K), Fahrenheit (F), Rankine (R)
Kelvin y Rankine son escalas absolutas, ya que parten del 0 absoluto.
15,273 += CK
325
9 += CF
)32(95 = FC
67,459 += FR
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Ejemplo:
Un cuerpo est a 212 F, Cul es su temperatura en C, R, K?
Determinar:
Cul es la conversin de una diferencia de temperaturas?
de C (C2 - C2) a F (F2 - F1)
Ejemplo:
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Ejemplo:
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Notacin Cientfica
Nmeros muy grandes o muy pequeos, representados en notacin corriente,es muy fcil de cometer errores
Ejemplo: 0,000000000000014 120000000000000
Para evitar algn error se escriben en tipo notacin cientfica, cuya forma es:
Siendo N un nmero cualquiera real y b un entero, de esta forma los nmerosanteriores en notacin cientfica quedan :
bxN 10
1414102,1104,1 xyx
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Suma y resta en notacin cientfica
141414105,3101,2104,1
=+
1414151024,2101,2104,1
=+
151414107101,2104,1
=
1064106103102 = x
264102102/104
=
Multiplicacin y divisin en notacin cientfica
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Cambio de unidades
Debido a que no existe una normativa universal sobreel sistema de unidades, cada pas adopt el que consider mscmodo.
Por esta razn es que se deben realizar cambio de unidadespara as dejar el sistema en forma homognea.
Por ejemplo:
tenemos 15 m de longitud y lo queremos pasar a cm
Sabemos que 1 m son 100 cm1 m = 100 cm
luego: 15 m = X cmestos trminos se multiplican cruzados y se igualan(regla de las proporciones o regla de tres)
15 x 100 = 1 x X
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Cambio de unidades
Ejemplo:Un cuerpo tiene una masa de 123 lb. Cul es su masa en kg?
Si uno busca en tablas de conversin de unidades, encuentra que
1 kg = 2,2046 kgLuego:
kgkglb
kglb 792,55
2046,2
123
2046,2
1123 ==
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EJERCICIO Se tiene un recipiente con 15 l de etanol al 96% v/v de densidad 0,81[kg/l], al
cual se le adicionan 5 l de agua (densidad = 1g/ml). A) Indique las propiedades de la materia para volumen y densidad del etanol. Lleve todas lasunidades al SI.
B) Indique la masa inicial de etanol en el recipiente.
C) Etanol al 96% significa que contiene 96% volumen de etanol puro y 4% volumen de agua.Cul es el porcentaje de etanol y agua, despus de agregar los 5 l de agua?
D) Cul sera tericamente la densidad final del lquido dentro del recipiente?
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MODELOS ATOMICOS- Mtodo cientfico:
- Procedimiento sistemtico en la investigacin; seinicia al reunir la informacin por medio de
observaciones y mediciones. En el proceso se disean
y comprueban hiptesis, leyes y teoras.
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Qu es un modelo atmico?
Los modelos a lo largo del tiempo:
1) Modelo atmico de Demcrito
Los tomos son eternos, indivisibles, homogneos,
incompresibles e invisibles.Los tomos se diferencian slo en forma y tamao,
pero no por cualidades internas.
Las propiedades de la materia varian segn elagrupamiento de los tomos.
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2) Modelo atmico de Dalton
La materia est formada por partculas muy pequeas
llamadas tomos, que son indivisibles y no se puedendestruir.
Los tomos de un mismo elemento son iguales entre
s, tienen su propio peso y cualidades propias. Lostomos de los diferentes elementos tienen pesos
diferentes. Comparando los pesos de los elementos
con los del hidrgeno tomado como la unidad propusoel concepto de peso atmico relativo.
Los tomos permanecen sin divisin, aun cuando se
combinen en las reacciones qumicas.
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Los tomos, al combinarse para
formar compuestos guardan relaciones simples.Los tomos de elementos diferentes se pueden
combinar en proporciones distintas y formar ms de
un compuesto.Los compuestos qumicos se forman al unirse tomos
de dos o ms elementos distintos.
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3) Modelo atmico de Thomson
Considera que los tomos contenan partculaselctricas con carga negativa
Pero no es correcta la distribucion de cargas positivas
4) Modelo atmico cbico de Lewis
Electrones ubicados en los ocho vrtices de un cubo.
Sirvi para dar cuenta del fenmeno de valencia Se dej pronto por el modelo mecnico-cuntico
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5) Modelo atmico de Rutherford
Propuso la existencia de un ncleo (concentracin de
carga en el centro del tomo)Los electrones orbitan alrededor del centro del tomo.
6) Modelo atmico de Bohr (1913-1916)
Los postulados del modelo de Bohr son:
Los electrones describen rbitas circulares en torno al
ncleo del tomo sin radiar energa.
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No todas las rbitas para electrn estn permitidas,
tan solo se puede encontrar en rbitas cuyo radio
cumpla que el momento angular, L, del electrn seaun mltiplo entero de
El electrn solo emite o absorbe energa en los saltos
de una rbita permitida a otra. En dicho cambio
emite o absorbe un fotn cuya energa es la diferencia
de energa entre ambos niveles.
h=h
sJPlanckdeteconsh ==
341062606896,6tan
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7) Modelo atmico de Sommerfeld
Los electrones se mueven alrededor del ncleo, en
rbitas circulares o elpticas.A partir del segundo nivel energtico existen dos o
ms subniveles en el mismo nivel.
El electrn es una corriente elctrica minscula.
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8) Modelo atmico de Schroedinger
Si bien este modelo describe de mejor forma la
estructura del tomo, tiene ciertas deficiencias:En su formulacin original no tiene en cuenta el espn de
los electrones, esta deficiencia es corregida por el modelo
Schroedinger-Pauli.
Ignora los efectos relativistas de los electrones rpidos, esta
deficiencia es corregida por la ecuacin de Dirac que
adems incorpora la descripcin del espn electrnico.
Si Bien predice razonablemente bien los nivelesenergticos, por s mismo no explica por qu un electrn en
un estado cuntico excitado decae hacia un nivel inferior si
existe alguno libre.
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CONFORMACIN DE ATOMOSComo se vi, de acuerdo a las teoras nombradas,
Thomson determin que los tomos tienenelectrnes y cuya relacin carga/masa es de:
-1,76 x 108 C/g
Donde C es la carga elctrica en Coulombs.
Posteriormente Millikan encontr que la carga de
un electrn era de: -1,6 x 10-19 C
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Posteriormente Rutherfort propuso que toda la
carga positiva a la cual llam PROTONES y queestaban en un conglomerado en el centro del tomo,
el ncleo.
La carga de los protones era la misma de los
electrones y su masa era de 1,67252 x 10-24 g, 1840
veces mayor que la de un electrn (9,09 x 10
-28
g)
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Lo anterior dejaba algunas interrogantes; por
ejemplo la relacin de masa de hidrgeno y helio, lacual segn esto debera ser 2:1 y no 4:1 como es en
la realidad.
James Chadwick logr dilucidar esto, encontrando
unas partculas neutras dentro del ncleo con masa
similar a la de los protones, las cuales llamNEUTRONES.
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Con lo anterior la conformacin de un tomo en
partculas subatmicas queda:
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NUMERO ATOMICO, NUMERO DE MASA E ISOTOPOS
Todos los tomos se pueden identificar por el
nmero de protones y neutrones que tienen.
La cantidad de protones que tiene un tomo seindica con el nmero atmico (Z).
Un tomo neutro, tiene la misma cantidad de
protones que electrones.
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La identidad qumica de un tomo queda
determinada exclusivamente por la cantidad deprotones que contenga.
Esto quiere decir: que si un tomo en el universo
contiene 7 protones, este tomo es de nitrgeno ya
que el nmero atmico del nitrgeno es 7.
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La suma de protones y neutrones se le llama
nmero de masa (A)
A = protones + neutrones= nmero atmico + neutrones
Por lo que:
N de neutrones = A ZEl N de protones, N de neutrones y N de masa es
siempre entero y positivo
Si bien es cierto el nmero atmico de un elemento
es nico, puede tener distinto nmero de masa, a
estos elementos se les denomina ISOTOPOS.
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Estos se denotan de la siguiente manera:
Sea X un elemento cualquiera:
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Por ejemplo el hidrgeno tiene 3 istopos:
y el uranio tiene 2 isotopos con nmeros de masa
235 y 238:
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Ejemplo:
Ejemplo:
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TABLA PERIODICA
Esta consta de 18 grupos y 7 periodos, y salvo
algunas pequeas excepciones hay propiedades
que son relativamente peridicas a medida que seavanza o retrocede en un grupo o periodo.
Dentro de estas propiedades estn:
- Radio Atmico
- Volumen Atmico
- Energa de Ionizacin
- Electronegatividad y Electroafinidad
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RADIO ATOMICO Se define como la distancia media entre dos
ncleos de dos tomos adyacentes
Radio Atmico Radio Atmico
Distancia Interatmica
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VOLUMEN ATOMICO Se define como el cociente entre la masa de un
mol del elemento y su densidad [cc/mol].Dentro de la tabla peridica el volumen
atmico crece de acuerdo a
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ELECTRONEGATIVIDAD Se define como la capacidad que tiene un
elemento para atraer electrones.Sus valores son arbitrarios, siendo los ms
utilizados los de Pauling, el cual toma el fluor (F)
como el ms electronegativo y le da el valor 4,0.
La electronegatividad aumenta a medida que
se avanza en un periodo y disminuye a medida quese baja en un grupo.
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ELECTROAFINIDAD Energa que libera un elemento cuando capta un
electrn. Hace referencia a la capacidad que tieneun elemento para poder captar un electrn.
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ENERGIA O POTENCIAL DE IONIZACION Se define como la energa necesaria que se debe
administrar a un elemento para que ceda suelectrn ms externo.
La energa de ionizacin aumenta a medida
que se avanza en un periodo y disminuye a medida
que se baja en un grupo.
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MASA ATOMICA
Antes veremos otro concepto:
Unidad de Masa Atmica (uma)simbolo u:
es una unidad empleada en fsica y qumica y
se define como:
Una uma es la doceava parte (1/12) de la masa deun tomo neutro y no enlazado de carbono-12 en su
estado fundamental elctrico y nuclear; siendo su
valor recomendado1,660538921 x 10-27 kg
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Con lo anterior se puede decir que 1 mol de tomos
de carbono-12 tiene una masa de 12 g.
Qu es mol?
Es la unidad en el SI de cantidad de sustancia.
Por definicin se dice que:1 mol = 6,02214129 x 1023 unidades
Estas unidades pueden ser tomos, molculas,
iones,etc.
A este N se le llama N de Avogadro
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Por lo que se deduce que:
6,02214129 x 1023 tomos de carbono-12 tienen
una masa de 12 g.
Las dems masas atmicas se derivan de la anterior,
entonces para el sodio (Na) que tiene una masaatmica de 22,99 significa que su masa atmica es
22,99 veces la del C-12.
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Por lo mismo podemos indicar que 1 mol de
unidades de masa atmica equivalen a 1 g.
Si hablamos de molculas, el concepto es el mismo
y su masa molecular equivale a la suma de las masa
atmica de sus elementos
La molcula de carbonato de calcio CaCO3, su
masa molecular viene dado por:Masa atmica del Ca + masa atmica del C + 3 x
masa atmica del O
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Igualmente, 1 mol de molculas = 6,02214129 x
1023 molculas.
Como finalmente queda que la masa atmica,
molecular, etc. es la masa en g de un mol deunidades, esta se representa como [g/mol].
Entonces la masa atmica del tomo oxigeno (O) es
16 [g/mol] y la de la molcula de oxigeno (O2) es32 [g/mol]
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FORMULAS QUIMICASEs la forma de representar la composicin de
compuestos mediante smbolos qumicos.
- Frmula molecular
- Frmula emprica o mnima
- Frmula estructural
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FRMULA MOLECULAR
Indica el nmero exacto de tomos de cada
elemento que compone la molcula.
Ejemplo: Molcula de hidrgeno: frmula
molecular H2 .
Molcula de agua: frmula molecular:
H2O.
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FRMULA ESTRUCTURAL
Esta frmula nos muestra como estn unidos los
tomos dentro de la molcula:Ejemplo: frmula estructural del metano (CH4)
frmula del agua:
C
H
H
H
H
O HH
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FORMULA EMPIRICA (MINIMA)
Esta indica cuales elementos estn presentes y
la relacin mnima, en nmero entero, entre ellos.Ejemplo:
C2H6 su frmula emprica es CH3
CH4 su frmula emprica es CH4
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REPRESENTACION DE LAS FORMULAS MOLECULARES
Existen diferentes formas de representar las
molculas, pero las ms utilizadas son las que se
muestran en el cuadro siguiente:
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DETERMINACION DE LA FORMULA DE UN
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COMPUESTO
Conociendo el % en peso de cada elemento:
Ejemplo: Se analiza un compuesto cuya masa
molecular es 180 [g/mol], y se obtiene:
40% de C; 6,67% de H y 53,33% de O
Determinar su frmula emprica y molecular.
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Se toma una base de 100 g y se calculan los moles
de cada elemento, luego se dividen todos por el
menor valor obtenido.
Luego su frmula emprica: CH2O, de masa
molecular: 30[g/mol], por lo que su frmula
molecular ser: C6H
12O
6
Elemento Masa
atmica
[g/mol]
Masa [g] Mol
(Masa/masa
atmica)
Divididos
por el menor
C 12 40,00 3,333 1
H 1 6,67 6,670 2
O 16 53,33 3,333 1
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A partir de un anlisis elemental
Ejemplo: Si se combustionan 2,78 g de un ster
(C,H y O), se forman 6,32 g de CO2 y 2,52 g deH2O. Determinar su frmula emprica.
Si se sabe que su masa molar est entre 100 y 120
[g/mol], determinar su frmula molecular.
La masa molar del CO2 es 44 [g/mol] y la del agua
es 18 [g/mol]
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Utilizando la regla de tres:
12 [g/mol] de C 44 [g/mol] de CO2
X [g] de C 6,32 [g] de CO2
masa de C = 1,7236 [g]
2 [g/mol] de H 18 [g/mol] de H2OX [g] de H 2,52 [g] de H2O
masa de H = 0,2800 [g]
La masa de oxigeno se obtiene por diferencia:
Masa de O = 2,78 1,7236 0,28 = 0,7764 [g]
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Luego su frmula emprica ser: C3H6O, con masa
molecular de 58 [g/mol]Debido a que esta masa molar est entre 100 y 120
[g/mol], esntoces la formula molecular ser:
C6H12O2
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A partir de la frmula molecular se pueden
determinar los % de cada elemento
Ejemplo:Se tiene Al2(SO4)3 masa molar:342[g/mol]
Sabemos que:
X% = {masa X/masa total} x 100
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elemento Masa atmica mol Masa del
elemento
%
Al 27 2 54 15,79S 32 3 96 28,07
O 16 12 192 56,14
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REACCIONES QUIMICAS Una reaccin qumica o cambio qumico, es todo proceso en el cual una o ms sustancias
(reactantes), por efecto de un factor energtico, se transforman, cambiando su estructura
molecular y sus enlaces, en otras sustancias llamadas productos.
La representacin de las reacciones qumicas se realiza mediante ecuaciones qumicas.
En la ecuacin qumica, los reactantes (los compuestos que se tienen antes de reaccionar)
van a la izquierda, si hay ms de uno van separados por un signo ms (+); a la derecha van
los compuestos que se formaron una vez producida la reaccin, se denominan productos. Aligual que en los reactantes, si existen ms de uno se separan con un signo ms (+).
Ambas partes se unen mediante una flecha que apunta hacia los productos.
OHNaClNaOHHCl 2++reactantes productos
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Siguiendo la ley de conservacin, la cantidad de tomos de una especie en los reactantes
debe ser igual a la cantidad de tomos de la misma especie en los productos.
Segn la ecuacin anterior, La cantidad de tomos de sodio (Na) en los reactantes
(contenido en el Hidrxido de Sodio NaOH) debe ser igual a la cantidad de tomos de Na enlos productos (contenido en el Cloruro de Sodio NaCl). En este caso se cumple y existe en
ambos lados la misma cantidad.
Si no se cumple, se debe entrar a EQUILIBRAR la ecuacin.
Esto consiste en anteponer un nmero llamado coeficiente estequiomtrico, delante de un
compuesto, con lo que aumenta la cantidad de cada tomo que pertenece a la molcula en
cuestin.
OHCOOCH 2224 ++Ecuacin no equilibrada
OHCOOCH 2224 22 ++Ecuacin equilibrada
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Las ecuaciones qumicas tienen un trato similar a las ecuaciones algebraicas. Slo que
adems deben cumplir algunas exigencias extras, dentro de las principales es que la reaccin
sea posible.
Suma de reacciones qumicas:
2222
2222
2
32
_________________________________22
OOHKClOHHClKOH
OOHOH
OHKClHClKOH
++++
+
++
-
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Si pondero la ecuacin qumica por un nmero (positivo), ambos miembros de esta ecuacin
(reactantes y productos) deben ser ponderados, para mantener el equilibrio de la misma.
Para equilibrar las ecuaciones qumicas existen varios mtodos:
- mediante tanteo- Algebraica.
- Redox (xido reduccin)
Aqu veremos los dos primeros.
OHCOOOHC
OHCOOOHC
22262
22262
6462
2/323
++
++
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Tanteo:
Es sencilla especialmente si en los reactantes o productos existen molculas de un
slo tipo de tomos (O2 ; H2 ; etc.). Cuando existen muchos tipos de tomos y a la vez con
cantidades distintas de 1, se comienza a dificultar el tema.
Mtodo algebraico:
A B C D E F
K2Cr2O7 + H2O + S SO2 + KOH + Cr2O3
K : 2 A = E
Cr: 2 A = 2F
O: 7 A + B = 2 D + E + 3 F
H : 2 B = ES : C = D
Nos damos un valor cualquiera (entero positivo) a una de las letras, con el cual
resolvamos 1 ecuacin.
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Sea A=1
Luego E = 2 ; F = 1
Con E = 2 obtenemos B = 1
Por lo que: 7 x (1) + (1) = 2 D + (2) + 3 x (1)Con lo que D = (3/2) y por lo tanto C = (3/2)
Y la ecuacin nos queda:
K2Cr2O7 + H2O + (3/2)S (3/2)SO2 + 2KOH + Cr2O3
Como debemos dejar (idealmente) nmeros enteros, ampliamos la ecuacin por 2
2K2Cr2O7 + 2H2O + 3S 3SO2 + 4KOH + 2Cr2O3