Reacciones QumicasMasa AtmicaAntes de poder estudiar las reacciones qumicas como tal, es importante definir algunos tpicos. El primero de ellos es la masa Atmica.Este concepto nos permitir explicar cmo se componen los compuestos qumicos y ser til para comprender los principios de una reaccin qumica.La masa de un tomo depende del nmero que contiene de electrones, protones y neutrones. Sin embargo, los tomos son partculas extremadamente pequeas, incluso la partcula ms pequea de polvo que puede apreciarse a simple vista contiene 1 1016 tomos! Obviamente no es posible pesar un solo tomo, pero existen mtodos experimentales para determinar su masa en relacin con la de otro. El primer paso consiste en asignar un valor a la masa de un tomo de un elemento determinado para utilizarlo como referencia.Por acuerdo internacional, la masa atmica (algunas veces conocida como peso atmico) es la masa de un tomo, en unidades de masa atmica (uma). Una unidad de masa atmica se define como una masa exactamente igual a un doceavo de la masa de un tomo de carbono-12.Mol, Nmero de Avogadro y Masa Molar.Las unidades de masa atmica constituyen una escala relativa de las masas de los elementos. Pero debido a que los tomos tienen masas tan pequeas, no es posible disear una balanza para pesarlos mediante unidades calibradas de masa atmica. En cualquier situacin real, se manejan muestras macroscpicas que contienen una enorme cantidad de tomos. Por consiguiente, conviene tener una unidad especial para referirse a una gran cantidad de tomos. Esta idea no es nueva; por ejemplo, el par (2 objetos), la docena (12 objetos) y la gruesa (144 objetos) son unidades de uso comn. Los qumicos miden a los tomos y a las molculas en moles.En el SI, el mol es la cantidad de una sustancia que contiene tantas entidades elementales (tomos, molculas u otras partculas) como tomos hay exactamente en 12 g (o 0,012 kg) del istopo de carbono-12. El nmero real de tomos en 12 g de carbono-12 se determina experimentalmente. Este nmero se denomina nmero de Avogadro (NA), en honor del cientfico italiano Amedeo Avogadro. El valor comnmente aceptado es

Por lo general, este nmero se redondea a 6,022 1023. As, igual que una docena de naranjas contiene 12 naranjas, 1 mol de tomos de hidrogeno contiene 6,022 1023 tomos de H. Hemos visto que 1 mol de tomos de carbono-12 tiene una masa exactamente de 12 g y contiene 6,022 1023 tomos. Esta cantidad de carbono-12 es su masa molar (M) y se define como la masa (normalmente en gramos) de 1 mol de unidades (como tomos o molculas) de una sustancia. Observe que la masa molar del carbono-12 (en gramos) es numricamente igual a su masa atmica expresada en uma. De igual forma, la masa atmica del sodio (Na) es de 22,99 uma y su masa molar es de 22,99 g/mol; la masa atmica del fosforo es de 30,97 uma y su masa molar es de 30,97 g/mol, y as sucesivamente. Si conocemos la masa atmica de un elemento, tambin conocemos su masa molar.Masa MolecularPodemos calcular la masa de las molculas si conocemos las masas atmicas de los tomos que las forman. La masa molecular (algunas veces denominada peso molecular) es la suma de las masas atmicas (en uma o g/mol) en una molcula. Por ejemplo, la masa molecular del H2O es

De este modo, si conocemos la masa en gramos por mol de una determinada molcula, podemos determinar cuntos moles de dicha molcula se encuentran contenidos en una determinada masa de dicha molcula. Es decir:

Reacciones Qumicas y Ecuaciones QumicasUna vez que se ha estudiado las masas de los tomos y de las molculas, analizaremos lo que les sucede en una reaccin qumica, un proceso en el que una sustancia (o sustancias) cambia para formar una o ms sustancias nuevas. Con objeto de comunicarse entre s con respecto a las reacciones qumicas, los qumicos han desarrollado una forma estndar para representarlas por medio de ecuaciones qumicas. Una ecuacin qumica utiliza smbolos qumicos para mostrar qu sucede durante una reaccin qumica. En esta seccin estudiaremos como escribir y balancear las ecuaciones qumicas.Escritura de las ecuaciones qumicasConsidere lo que sucede cuando el hidrogeno gaseoso (H2) se quema en presencia de aire (que contiene oxgeno, O2) para formar agua (H2O). Esta reaccin se representa mediante la ecuacin qumica:

Donde el signo mas significa reacciona con y la flecha significa produce. As, esta expresin simblica se lee: El hidrogeno molecular reacciona con el oxgeno molecular para producir agua. Se supone que la reaccin sigue la direccin de izquierda a derecha como lo indica la flecha.Sin embargo, la ecuacin anterior no est completa, ya que del lado izquierdo de la flecha hay el doble de tomos de oxigeno (dos) que los que hay del lado derecho (uno). Para estar de acuerdo con la ley de la conservacin de la materia debe haber el mismo nmero de cada tipo de tomos en ambos lados de la flecha, es decir, debe haber tantos tomos al finalizar la reaccin como los que haba antes de que se iniciara. Podemos balancear la ecuacin colocando un coeficiente adecuado. Si se antepone un 2 tanto al H2 como al H2O, se tendr a ecuacin balanceada de la siguiente forma:

Figura 1: Tres maneras de representar la combustin del hidrgeno. De acuerdo con la ley de la conservacin de la materia, el nmero de cada tipo de tomo debe ser el mismo en ambos lados de la ecuacin.Esta ecuacin qumica balanceada muestra que dos molculas de hidrogeno se combinan o reaccionan con una molcula de oxgeno para formar dos molculas de agua (figura 1). Debido a que la relacin del nmero de molculas es igual a la relacin del nmero de moles, la ecuacin tambin puede leerse como 2 moles de molculas de hidrogeno reaccionan con 1 mol de molculas de oxgeno para producir 2 moles de molculas de agua. Se conoce la masa de un mol de cada sustancia, por lo que la ecuacin se puede interpretar como 4,04 g de H2 reaccionan con 32,00 g de O2 para formar 36.04 g de H2O. Estas tres maneras de leer la ecuacin se resumen en la figura 2Figura 2: Formas de interpretar una ecuacin qumica.

En la ecuacin anterior se hace referencia al H2 y al O2 como reactivos, que son las sustancias iniciales en una reaccin qumica. El agua es el producto, es decir, la sustancia formada como resultado de una reaccin qumica. Una ecuacin qumica es, entonces, la descripcin abreviada que un qumico hace de una reaccin qumica. Por convencin, en una ecuacin qumica los reactivos se escriben a la izquierda y los productos a la derecha de la flecha:

Para proporcionar informacin adicional, con frecuencia los qumicos indican el estado fsico de los reactivos y productos por medio de las letras g, l y s para los estados gaseoso, lquido y slido, respectivamente. Por ejemplo,

Para representar que se agrega un soluto (NaCl por ejemplo) teniendo como solvente al agua, se escribe

Donde ac significa medio acuoso (solucin en agua). El escribir H2O sobre la flecha indica la adicin de un reactivo que no reacciona, pero entrega el medio para una determinada reaccin. En ocasiones no se escribe para simplificar la ecuacin.Balanceo de Ecuaciones QumicasSuponga que deseamos escribir una ecuacin para explicar una reaccin qumica que acabamos de realizar en el laboratorio. Cmo se procede? Puesto que conocemos los reactivos, podemos escribir sus frmulas qumicas. Es ms difcil establecer la identidad de los productos. Con frecuencia, es posible predecir el o los productos de reacciones sencillas. En reacciones ms complicadas en las que hay tres o ms productos, los qumicos necesitarn otras pruebas para establecer la presencia de compuestos especficos.Una vez que hemos identificado los reactivos y productos y que se han escrito sus frmulas correctas, los acomodamos segn la secuencia convencional: los reactivos a la izquierda, separados por una flecha de los productos, que se colocan del lado derecho. Es muy probable que la ecuacin que se ha escrito en este momento est sin balancear, es decir, que el nmero de cada tipo de tomos sea diferente en ambos lados de la flecha. En general, el balanceo de una ecuacin qumica la verificamos mediante los siguientes pasos:1. Se identifican todos los reactivos y productos, y se escriben sus frmulas correctas del lado izquierdo y derecho de la ecuacin, respectivamente. 2. El balanceo de la ecuacin se inicia probando diferentes coeficientes para igualar el nmero de tomos de cada elemento en ambos lados de la ecuacin. Podemos cambiar los coeficientes (los nmeros que preceden a las frmulas), pero no los subndices (los nmeros que forman parte de las frmulas). Si cambiamos los subndices, cambiamos la identidad de la sustancia. Por ejemplo, 2NO2 significa dos molculas de dixido de nitrgeno, pero si se duplican los subndices se tendr N2O4, frmula del tetrxido de dinitrgeno, es decir, un compuesto totalmente distinto. 3. Primero se buscan los elementos que aparecen una sola vez en cada lado de la ecuacin y con igual nmero de tomos: las frmulas que contengan estos elementos deben tener el mismo coeficiente. Por tanto, no es necesario ajustar los coeficientes de dichos elementos en este momento. A continuacin se buscan los elementos que aparecen slo una vez en cada lado de la ecuacin pero con diferente nmero de tomos. Se balancean estos elementos. Por ltimo, se balancean los elementos que aparecen en dos o ms frmulas del mismo lado de la ecuacin.4. Se verifica la ecuacin balanceada para asegurarse de que hay el mismo nmero total de cada tipo de tomos en ambos lados de la ecuacin.Considere un ejemplo especfico. En el laboratorio se pueden preparar pequeas cantidades de oxgeno gaseoso mediante el calentamiento de clorato de potasio (KClO3). Los productos son oxgeno gaseoso (O2) y cloruro de potasio (KCl). A partir de esta informacin, escribimos:

(Para simplificar omitimos los estados fsicos de los reactivos y productos.) Los tres elementos (K, Cl y O) aparecen slo una vez en cada lado de la ecuacin, pero nicamente el K y el Cl tienen igual nmero de tomos en ambos lados de la ecuacin. As, KClO3 y KCl deben tener el mismo coeficiente. El siguiente paso consiste en lograr que el nmero de tomos de O sea igual en ambos lados de la ecuacin. Debido a que hay tres tomos de O del lado izquierdo y dos del lado derecho de la ecuacin, estos tomos se igualan colocando un 2 a la izquierda del KClO3 y un 3 a la izquierda del O2.

Por ltimo, igualamos los tomos de K y Cl colocando un 2 a la izquierda del KCl:

Como verificacin final, podemos hacer una hoja de balance para reactivos y productos en donde los nmeros entre parntesis indican el nmero de tomos de cada elemento:ReactivosProductos

K (2)K (2)

Cl (2)Cl (2)

O (6)O (6)

Observe que el balanceo de esta ecuacin tambin se puede efectuar con coeficientes que sean mltiplos de 2 (para KClO3), 2 (para KCl) y 3 (para O2); por ejemplo,

Sin embargo, para balancear una ecuacin se utiliza el conjunto de coeficientes de nmeros enteros ms simple posible. La ecuacin anterior no satisface este criterio.Ahora considere la combustin (es decir, el quemado) del etano (C2H6), componente del gas natural, con el oxgeno del aire, lo que produce dixido de carbono (CO2) y agua. La ecuacin sin balancear es:

Se observa que para ninguno de los elementos (C, H y O) se tiene igual nmero de tomos en ambos lados de la ecuacin. Adems, el C y el H aparecen una sola vez en cada lado de la ecuacin; el O aparece en dos compuestos del lado derecho (CO2 y H2O). Para igualar los tomos de C, se coloca un 2 a la izquierda del CO2:

Para igualar los tomos de H, se coloca un 3 a la izquierda del H2O:

En este punto, se han balanceado los tomos de C y de H, pero no los tomos de O porque hay siete tomos de este elemento a la derecha de la ecuacin y nicamente dos del lado izquierdo. Esta desigualdad de tomos de O se puede eliminar al escribir 7/2 antes del O2, del lado izquierdo:

La lgica de utilizar 7/2 como coeficiente es que haba siete tomos de oxgeno en el lado derecho de la ecuacin, pero nicamente un par de tomos de oxgeno (O2) del lado izquierdo. Para igualarlos nos debemos preguntar cuntos pares de tomos de oxgeno se necesitan para igualar los siete tomos de oxgeno. De la misma manera que 3.5 pares de zapatos son igual a siete zapatos, 7/2 O2 de molculas de O2 ser igual a 7 tomos de O. Tal y como la siguiente tabla lo muestra, la ecuacin se encuentra ahora balanceada:ReactivosProductos

C (2)C (2)

H (6)H (6)

O (7)O (7)

Sin embargo, por lo general se prefiere expresar con nmeros enteros en lugar de fraccionarios. Por lo tanto, la ecuacin se multiplica por 2 para convertir 7/2 en 7: As, el conteo final es:ReactivosProductos

C (4)C (4)

H (12)H (12)

O (14)O (14)

Cantidades de Reactivos y de ProductosUna pregunta bsica que surge en el laboratorio qumico es: qu cantidad de producto se obtendr a partir de cantidades especficas de las materias primas (reactivos)? O bien, en algunos casos la pregunta se plantea de manera inversa: qu cantidad de materia prima se debe utilizar para obtener una cantidad especfica del producto? Para interpretar una reaccin en forma cuantitativa necesitamos aplicar el conocimiento de las masas molares y el concepto de mol. La estequiometra es el estudio cuantitativo de reactivos y productos en una reaccin qumica.Independientemente de que las unidades utilizadas para los reactivos (o productos) sean moles, gramos, litros (para los gases) u otras unidades, para calcular la cantidad de producto formado en una ecuacin utilizamos moles. Este mtodo se denomina mtodo del mol, que significa que los coeficientes estequiomtricos en una reaccin qumica se pueden interpretar como el nmero de moles de cada sustancia. Por ejemplo, amoniaco se sintetiza industrialmente a partir del hidrogeno y el nitrgeno de la siguiente manera:

Los coeficientes estequiomtricos muestran que una molcula de N2 reacciona con tres molculas de H2 para formar dos molculas de NH3. De aqu se desprende que los nmeros relativos de los moles son los mismos que el nmero relativo de las molculas:

Por tanto, esta ecuacin tambin se lee como 1 mol de gas N2 se combina con 3 moles de gas H2 para formar 2 moles de gas NH3. En clculos estequiomtricos, decimos que tres moles de H2 equivalen a dos moles de NH3, es decir,

De igual modo se puede establecer la relacin entre los reactivos o entre el otro reactivo y el producto.

Consideremos un simple ejemplo: 6,0 moles de H2 reaccionan completamente con N2 para formar NH3. Para calcular la cantidad producida de NH3 en moles, usamos la relacin entre H2 y NH3.

Resolvemos la regla de tres simple que se genera:

Ahora suponga que 16,0 g de H2 reaccionan completamente con N2 para formar NH3. Cuntos gramos de NH3 se formarn? Para hacer este clculo, observe que el vnculo entre H2 y NH3 es la razn molar de la ecuacin balanceada. As que primero necesitamos convertir gramos de H2 a moles de H2, despus a moles de NH3 y finalmente a gramos de NH3. Los pasos de conversin son

Primero, convertimos 16,0 g de H2 al nmero de moles de H2 mediante la masa molar de H2

Despus, calculamos el nmero de moles de NH3 producido,

Por ltimo, calculamos la masa de NH3 producido en gramos mediante su masa molar:

El mtodo general para resolver problemas de estequiometra se resume a continuacin.1. Escriba una ecuacin balanceada de la reaccin.2. Convierta la cantidad conocida del reactivo (en gramos u otras unidades) a nmero de moles.3. Utilice la relacin molar de la ecuacin balanceada para calcular el nmero de moles del producto formado.4. Convierta los moles de producto en gramos (u otras unidades) de producto.La figura 3 muestra estos pasos. Algunas veces podemos requerir que se calcule la cantidad de un reactivo que se necesita para formar una cantidad especfica de producto. En esos casos, los pasos mostrados en la figura 3 se pueden invertir.

Figura 3: Procedimiento para calcular las cantidades de reactivos o productos en una reaccin mediante el mtodo del mol.

Reactivo LimitanteCuando un qumico efecta una reaccin, generalmente los reactivos no estn presentes en las cantidades estequiomtricas exactas, es decir, en las proporciones que indica la ecuacin balanceada. Debido a que la meta de una reaccin es producir la cantidad mxima de un compuesto til a partir de las materias primas, con frecuencia se suministra un gran exceso de uno de los reactivos para asegurar que el reactivo ms costoso se convierta por completo en el producto deseado. En consecuencia, una parte del reactivo sobrara al final de la reaccin. El reactivo que se consume primero en una reaccin se denomina reactivo limitante, ya que la mxima cantidad de producto que se forma depende de la cantidad original de este reactivo. Cuando este reactivo se consume, no se puede formar ms producto. Los reactivos en exceso son los reactivos presentes en mayor cantidad que la necesaria para reaccionar con la cantidad de reactivo limitante.El concepto de reactivo limitante es anlogo a la relacin entre varones y mujeres en un concurso de baile de un club. Si hay 14 varones y solo nueve mujeres, nicamente se podrn completar nueve parejas mujer/varn. Cinco varones se quedaran sin pareja. As, el nmero de mujeres limita el nmero de varones que podrn bailar en el concurso y se presenta un exceso de varones.Considere la sntesis industrial del metanol (CH3OH) a partir del monxido de carbono e hidrogeno a altas temperaturas:(1)

Suponga que en un inicio se tienen 4 moles de CO y 6 moles de H2. Una forma de determinar cul de los dos reactantes es el reactivo limitante es considerar uno de los reactivos, por ejemplo el CO, y hacer la relacin con el reactivo restante (en este caso el H2), esto con la finalidad de conocer cunto de este reactivo (H2) es necesario para hacer reaccionar la totalidad del CO. Relacin extrada de la ecuacin (1)

Como se puede apreciar, para que todo el CO reaccione, se requieren 8 mol de H2, lo que es menor a la cantidad que se posee (6 moles). Es por ello que se dice que, en este caso, el reactivo limitante es el hidrgeno.En los clculos estequiomtricos en los que hay un reactivo limitante, el primer paso consiste en determinar cul de los reactivos es el reactivo limitante. Una vez que se ha identificado ste, el resto del problema se puede resolver como se estudi en la seccin anterior.En la prctica, los qumicos por lo comn eligen el reactivo ms costoso como reactivo limitante de manera que, en la reaccin, se consuma todo o la mayor parte. Por ejemplo, en la sntesis de urea, () el NH3 siempre es el reactivo limitante porque es mucho ms costoso que el CO2.

Rendimiento de la ReaccinLa cantidad de reactivo limitante presente al inicio de una reaccin determina el rendimiento terico de la reaccin, es decir, la cantidad de producto que se obtendr si reacciona todo el reactivo limitante. Por tanto, el rendimiento terico es el rendimiento mximo que se puede obtener, que se calcula a partir de la ecuacin balanceada. En la prctica, el rendimiento real, es decir, la cantidad de producto que se obtiene en una reaccin, casi siempre es menor que el rendimiento terico. Existen muchas razones para explicar la diferencia entre el rendimiento real y el terico. Por ejemplo, muchas reacciones son reversibles, por lo que no proceden en 100% de izquierda a derecha. Aun cuando la reaccin se complete 100%, resulta difcil recuperar todo el producto del medio de reaccin (por ejemplo, de una disolucin acuosa). Algunas reacciones son complicadas, en el sentido de que los productos formados pueden seguir reaccionando entre s o con los reactivos, para formar aun otros productos. Estas reacciones adicionales reducen el rendimiento de la primera reaccin.Para determinar la eficiencia de una reaccin especfica, los qumicos utilizan el trmino porcentaje de rendimiento, que describe la proporcin del rendimiento real con respecto al rendimiento terico. Se calcula como sigue:

El intervalo del porcentaje del rendimiento puede fluctuar desde 1% hasta 100%. Los qumicos siempre buscan aumentar el porcentaje de rendimiento de las reacciones. Entre los factores que pueden afectar el porcentaje del rendimiento se encuentran la cantidad de reactivos, la cantidad de producto presente, la temperatura y la presin. Estudiaremos sus efectos ms adelante.Ejemplo:El titanio es un metal fuerte, ligero y resistente a la corrosin, que se utiliza en la construccin de naves espaciales, aviones, motores para aviones y armazones de bicicletas. Se obtiene por la reaccin de cloruro de titanio(IV) con magnesio fundido entre 950C y 1 150C:

En cierta operacin industrial, se hacen reaccionar 3.54 107 g de TiCl4 con 1.13 107 g de Mg. a) Calcule el rendimiento terico del Ti en gramos. b) Calcule el porcentaje del rendimiento si en realidad se obtienen 7.91 106 g de Ti.a) Estrategia Debido a que hay dos reactivos, es probable que se trate de un problema de reactivo limitante. El reactivo que produce menos moles de producto es el reactivo limitante. Cmo se puede convertir la cantidad de reactivo en cantidad de producto? Realice los clculos para cada reactivo, despus compare los moles del producto, Ti, formado.Solucin Se realizan los dos clculos por separado para ver cul de los dos reactivos es el reactivo limitante. Primero se comienza con 3.54 107 g de TiCl4, se calcula el nmero de moles de ti que se podran producir si toda la cantidad de tiCl4 reaccionase. Las conversiones son:Gramos de TiCl4moles de TiCl4moles de TiDe este modo:

Como la relacin entre TiCl4 y Ti (s) es 11, los moles de TiCl4 es equivalente a los moles de Ti

b) Estrategia La masa de ti que se determin en el inciso a) es el rendimiento terico. La cantidad indicada en el inciso b) es el rendimiento real de la reaccin.Solucin El porcentaje de rendimiento es:

Verificacin: El porcentaje de rendimiento es menor al 100%?