jueves, 11 de agosto de 2022

14. Postulado de la ecuación química | 🎱 El átomo químico | Joseleg

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El átomo es la unidad de materia más pequeña que puede participar en una reacción química.

Para Dalton los elementos eran monoatómicos es decir átomos libres, y las moléculas siempre eran polielementales, es decir, compuestas por distintos elementos. Por lo anterior la síntesis de agua por combustión de hidrógeno se representaba como:

Figura 141.  Síntesis de agua usando el modelo atómico de Dalton original. Recuerde que para Dalton los elementos como hidrógeno (gris/pequeño) y oxígeno (rojo/grande) estaban compuestos por un solo átomo.

Uso de los símbolos atómicos

En la actualidad sabemos que los átomos libres rara vez existen en la naturaleza, sin embargo, el postulado de la ecuación química puede entenderse como que los átomos no cambian su identidad en la ecuación química, por lo que esta se entiende como una reorganización de las posiciones de los átomos y del modo en que se unen a otros átomos, pero la cantidad de átomos total, así como la cantidad de átomos de cada elemento se conserva.

Dado que emplear colores y esferas se hace inconveniente, las ecuaciones químicas normalmente se traducen a un modelo simbólico que reemplaza las esferas daltonianas por el símbolo atómico.

Figura 142.  Desplazamiento del hidrógeno por el zinc en la ecuación química Zn + H2S ZnS + H2.

El número estequiométrico y el número de eventos de reacción

Cuando analizamos una reacción química, normalmente el número de átomos de un determinado elemento es algo más complicado, esto debido a que el número de moléculas no está dado en una medida absoluta, sino en una medida relativa a un evento de reacción.

Un evento de reacción (Nξ) representa el conjunto mínimo de átomos y moléculas necesario para que la reacción ocurra una vez como mínimo, asumiendo una interpretación molecular de la materia. Por ejemplo:

Figura 143.  Síntesis de agua en la hipótesis de Avogadro. Aunque Dalton no la modelo de este modo, es el ejemplo más simple para introducir el concepto de número estequiométrico. El número estequiométrico es el número de veces que una molécula se repite en un solo evento de reacción, por ende, el número estequiométrico del hidrógeno es 2, el del oxígeno es 1, y del del agua es 2. Al contar números estequiométricos contamos moléculas, pero su composición atómica es irrelevante.

Número estequiométrico

El número de veces que se repite una determinada molécula se conoce como número estequiométrico o coeficiente estequiométrico, su símbolo moderno es (vi). El número estequiométrico es fácil de identificar en las reacciones anteriores, pues en el desplazamiento de zinc a hidrógeno todos los números estequiométricos son uno, mientras que en la síntesis de agua tenemos v(H2)=2, v(O2)=1 y v(H2O)=2. El número estequiométrico es adimensional, y se encuentra en ecuaciones químicas como el número que está a la izquierda de la fórmula molecular, por ejemplo:

Ejemplo. Determine el número estequiométrico de cada una de las moléculas en la reacción química N2 + 3H2 → 2NH3

Ejemplo. Determine el número estequiométrico de cada una de las moléculas en la reacción química 2NaClO3 → 2NaCl + 3O2

Una reacción real no ocurre una sola vez, existe una cantidad indeterminada de eventos de reacción, que deben tomarse en cuenta, aunque sea de manera teórica por medio del parámetro número de eventos de reacción (Nξ). El número de moléculas mínimo involucrado en un solo evento de reacción lo expresaremos como el número estequiométrico.

Ejemplo. ¿Cuántas moléculas de amoníaco (NH3) están presentes en una reacción química que ocurrió 2.2 x 1025 veces? Tenga en cuenta la siguiente ecuación química definida para un solo evento de reacción N2 + 3H2 → 2NH3.

Química la Ciencia Central 13

Muestra 3.1. El siguiente diagrama representa una reacción química en la que las esferas rojas son átomos de oxígeno y las esferas azules son átomos de nitrógeno. (a) Escriba las fórmulas químicas de los reactivos y productos. (b) Escriba una ecuación balanceada para la reacción. (c) ¿Es consistente el diagrama con la ley de conservación de la masa?

Práctica 3.1.1. En el siguiente diagrama, las esferas blancas representan átomos de hidrógeno y las esferas azules representan átomos de nitrógeno. Los dos reactivos se combinan para formar un solo producto, amoníaco, NH3, que no se muestra. Escribe una ecuación química balanceada para la reacción. Con base en la ecuación y el contenido del cuadro de la izquierda (reactivos), encuentre cuántas moléculas de NH3 deben mostrarse en el cuadro de la derecha (productos). (a) 2, (b) 3, (c) 4, (d) 6, (e) 9.

Práctica 3.1.2. En el siguiente diagrama, las esferas blancas representan átomos de hidrógeno, las esferas negras átomos de carbono y las esferas rojas átomos de oxígeno. En esta reacción, hay dos reactivos, etileno, C2H4, que se muestra, y oxígeno, O2, que no se muestra, y dos productos, CO2 y H2O, ambos se muestran. (a) Escriba una ecuación química balanceada para la reacción. (b) Determine el número de moléculas de O2 que deben mostrarse en el cuadro de la izquierda (reactivos).

Ejercicio 3.1. La reacción entre el reactivo A (esferas azules) y el reactivo B (esferas rojas) se muestra en el siguiente diagrama. Con base en este diagrama, ¿qué ecuación describe mejor la reacción? (a) A2 + B A2B (b) A2 + 4 B 2 AB2 (c) 2 A + B4 2 AB2 (d) A + B2 AB2

Ejercicio 3.2. El siguiente diagrama muestra la reacción de combinación entre hidrógeno, H2, y monóxido de carbono, CO, para producir metanol, CH3OH (las esferas blancas son H, las esferas negras son C, las esferas rojas son O). No se muestra el número correcto de moléculas de CO involucradas en esta reacción. (a) Determine el número de moléculas de CO que deben mostrarse en el cuadro de la izquierda (reactivos). (b) Escriba una ecuación química balanceada para la reacción.

Ejercicio 3.3. El siguiente diagrama representa la colección de elementos formados por una reacción de descomposición. (a) Si las esferas azules representan átomos de N y las rojas representan átomos de O, ¿cuál era la fórmula empírica del compuesto original? (b) ¿Podría dibujar un diagrama que represente las moléculas del compuesto que se ha descompuesto? ¿Por qué o por qué no?

Ejercicio 3.4. El siguiente diagrama representa la colección de moléculas de CO2 y H2O formadas por la combustión completa de un hidrocarburo. ¿Cuál es la fórmula empírica del hidrocarburo?

Ejercicio 3.6. El siguiente diagrama representa una reacción a alta temperatura entre CH4 y H2O. Con base en esta reacción, encuentre cuántos moles de cada producto se pueden obtener a partir de 4.0 mol de CH4.

Ejercicio 3.7. El nitrógeno N2 y el hidrógeno H2 reaccionan para formar amoníaco NH3. Considere la mezcla de N2 y H2 que se muestra en el diagrama adjunto. Las esferas azules representan N y las blancas representan H. Dibuje una representación de la mezcla de productos, suponiendo que la reacción se completa. ¿Cómo llegaste a tu representación? ¿Cuál es el reactivo limitante en este caso?

Ejercicio 3.8. El monóxido de nitrógeno y el oxígeno reaccionan para formar dióxido de nitrógeno. Considere la mezcla de NO y O2 que se muestra en el diagrama adjunto. Las esferas azules representan N y las rojas representan O. (a) Dibuje una representación de la mezcla de productos, suponiendo que la reacción se completa. ¿Cuál es el reactivo limitante en este caso? (b) ¿Cuántas moléculas de NO2 extraería como productos si la reacción tuviera un rendimiento porcentual del 75 %?

Por lo tanto, podemos reescribir la ecuación del número de átomos de un elemento como:

DEMOSTRACIÓN. Como calcular el número de átomos de un elemento en una molécula si se conoce cuantas veces ocurre la reacción y cuantas moléculas de la sustancia se consumen. Deduzca una ecuación para el caso de que el elemento se encuentre en una sola molécula y para el caso de que el elemento se encuentre en más de una molécula

Ejemplo. Cuantos átomos de hidrógeno están presentes en el hidrógeno molecular H2 en una reacción de síntesis de amoniaco que se repite 4.2 x 1020 veces. Tenga en cuenta la siguiente ecuación química definida para un solo evento de reacción N2 + 3H2 → 2NH3

Ejemplo. Cuantos átomos de hidrógeno están en la siguiente ecuación química CaH2 + 2HCl → CaCl2 + 2H2 la cual repite 4.3 x 1019 veces.

 

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