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UNIDAD 4 REACCIONES QUIMICAS Y TERMOQUIMICA

UNIDAD 4 REACCIONES QUIMICAS Y TERMOQUIMICA. Relaciones de Masa en Reacciones Químicas Masa Atómica (Cap. 3 sec. 3.1) Número de Avogadro y Masa Molar de un Elemento (Cap. 3 sec. 3.2) Masa Molecular (Cap. 3 sec. 3.3) Espectrofotómetro de Masa (Cap. 3 sec. 3.4)

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UNIDAD 4 REACCIONES QUIMICAS Y TERMOQUIMICA

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  1. UNIDAD 4REACCIONES QUIMICAS Y TERMOQUIMICA • Relaciones de Masa en Reacciones Químicas • Masa Atómica (Cap. 3 sec. 3.1) • Número de Avogadro y Masa Molar de un Elemento (Cap. 3 sec. 3.2) • Masa Molecular (Cap. 3 sec. 3.3) • Espectrofotómetro de Masa (Cap. 3 sec. 3.4) • Composición Porcentual de Compuestos (Cap. 3 sec. 3.5) • Determinación de Fórmulas Empíricas (Cap. 3 sec. 3.6) • Ecuaciones y Reacciones Químicas (Cap. 3 sec. 3.7) • Cantidades de Reactantes y Productos (Cap. 3 sec. 3.8) • Reactivos Limitantes y Rendimiento (Cap. 3 sec. 3.9-3.10)

  2. UNIDAD 4REACCIONES QUIMICAS Y TERMOQUIMICA • Reacciones en Soluciones Acuosas • Propiedades de Soluciones Acuosas (Cap. 4 sec. 4.1) • Reacciones de Precipitación (Cap. 4 sec. 4.2) • Reacciones de Oxidación y Reducción (Cap. 4 sec. 4.4) • Concentración de Soluciones (Cap. 4 sec. 4.5) • Termoquímica • La Naturaleza y Tipos de Energía (Cap. 6 sec. 6.1) • Cambios de Energía en Reacciones Químicas (Cap. 6 sec. 6.2) • Introducción a la Termodinámica (Cap. 6 sec. 6.3) • Entalpía de Reacciones Químicas (Cap. 6 sec. 6.4) • Calorimetría (Cap. 6 sec. 6.5) • Entalpía de Formación y de Reacción (Cap. 6 sec. 6.6) • Calor de Solución y de Dilución (Cap. 6 sec. 6.7)

  3. UNIDAD 4REACCIONES QUIMICAS Y TERMOQUIMICA • Masa Atómica • La masa de un átomo es igual al número de electrones, protones, y neutrones. • Se define masa atómica (peso atómico) como la masa de un átomo en unidades de masa atómica (amu). • Un amu se define como la masa que es exactamente igual a 1/12 de la masa de un átomo de carbón-12. La masa atómica de carbono es 12 amu (6 protones y 6 neutrones). • La masa de un elemento es el promedio de la mezcla de isótopos de ese elemento.

  4. UNIDAD 4REACCIONES QUIMICAS Y TERMOQUIMICA • Masa molar de un elemento • El uso de amu provee una escala relativa de la masa de los elementos. La masa de los átomos es muy pequeña para usos prácticos. • Se escogió a carbón-12 como estandar para calcular el peso y cantidad de átomos. 12 amu equivale a una muestra de 12 gramos que contiene 6.022 x 1023 átomos de carbono (número de Avogadro). • Se usa el concepto de mol para describir una cantidad unitaria de átomos de un elemento y su peso o masa molar en gramos. • 1 mol del elemento Z / masa molar (gramos) Z

  5. UNIDAD 4REACCIONES QUIMICAS Y TERMOQUIMICA • Masa Molecular • Equivale al peso molecular en gramos de un mol de una molécula. • Equivale a la sumatoria del peso en gramos de cada átomo que compone la molécula. • Masa molecular = nA (g) + nB(g) + nC(g) +……. • A , B ,C = elemento • n = al número de moles de cada elemento en la molécula • Ejemplos: • Ejercicios: 3.24, 3.26

  6. UNIDAD 4REACCIONES QUIMICAS Y TERMOQUIMICA • Composición Porcentual de Compuestos • Se puede calcular el porciento (fracción) de cada elemento en un compuesto. • Se define la composición porcentual por masa como el porciento por masa de cada elemento en un compuesto. • n =número de moles del elemento en el compuesto • Ejercicios: 3.40, 3.42, 3.48, 3.103,

  7. UNIDAD 4REACCIONES QUIMICAS Y TERMOQUIMICA • Determinación de Fórmulas Empíricas • Se escriben basado en medidas (%, gramos) y observaciones experimentales. • Es una fórmula química que describe la razón más sencilla, en números enteros, entre los elementos de un compuesto en vez del total actual de átomos en la molécula. • Ejemplos: • Fórmula Química de Glucosa C6 H12 O6 • Fórmula Química de agua H2O • Ejercicios: 3.50, 3.52

  8. UNIDAD 4REACCIONES QUIMICAS Y TERMOQUIMICA • Ecuaciones y Reacciones Químicas • Reacción Química: proceso donde una(s) sustancia(s) se transforman en una o más sustancias. • Las ecuaciones químicas son una manera conveniente de representar reacciones químicas. Las ecuaciones químicas se escriben usando los símbolos de los elementos y/o compuestos en términos de reactantes y productos. • A + BC • Se escribe entre paréntesis a la derecha de cada reactante y producto un símbolo que represente la forma o estado en que la sustancia existe. Gases (g), líquidos (l), sólidos (s), y sustancias disueltas en agua (aq).

  9. UNIDAD 4REACCIONES QUIMICAS Y TERMOQUIMICA • REACTANTES • Los reactantesen una ecuación química son las sustancias escritas en el lado izquierdo de la flecha en la ecuación. Cuando dos o más reactantes son parte de la ecuación, éstos se separan por el signo de suma (+). • PRODUCTOS • Los productosen una ecuación químicason las sustancias escritas en el lado derecho de la flecha en la ecuación. Cuando dos o más productos son parte de la ecuación, éstos se separan por el signo de suma (+). • Reactants • HCl (aq) + NaOH(aq) → NaCl(aq) + H2O (l) Products

  10. UNIDAD 4REACCIONES QUIMICAS Y TERMOQUIMICA • Ecuaciones químicas balanceadas • Una ecuación química balanceada es aquella donde el número de átomos de cada elemento en los reactantes es igual al número de átomos de ese mismo elemento en los productos. • Las reacciones se balancean aplicando la ley de conservación de la materia. • Coeficientes se escriben al lado izquierdo de cada reactante o producto para llegar al balance. 2H2 (g) + O2 (g) → 2H2O (l)

  11. UNIDAD 4REACCIONES QUIMICAS Y TERMOQUIMICA • Reacciones Químicas: Balancear • Metano, CH4, es el ingrediente principal en el gas natural. Cuando se quema, se combina con oxígeno O2 para formar bióxido de carbono CO2 y agua H2O. Esta información se escribe con la siguiente ecuación:CH4(g) + O2 (g) CO2 (g) + H2O(g) • Ejercicios: 3.59, 3.60

  12. UNIDAD 4REACCIONES QUIMICAS Y TERMOQUIMICA • Reactantes y Productos: Conceptos Cuantitativos • En las reacciones químicas, las interpretaciones cuantitativas se basan en la masa molar y el concepto de mol. • Se llama estequiometria al estudio cuantitativo de los reactantes y productos en una reacción química. • Para resolver problemas cuantitativos usamos la estequiometria como sigue: • 1. Balancear ecuaciones químicas • 2. Establecer relaciones molares entre reactantes y productos • 3. Si está buscando cantidad de un producto a partir de cantidades conocidas de reactantes: • Convierta la cantidad de reactantes en moles. • Establezca la relación molar entre los moles que reaccionan y la cantidad de moles producidos. • Calcule la cantidad de producto relacionado los moles de producto y su masa molar. • 4. Si está buscando cuanto reactivo se necesita para producir una cantidad conocida de producto: • Convierta la cantidad de producto en moles. • Establezca la relación molar entre los moles producidos y los que reaccionan. • Calcule la cantidad de reactivo relacionando moles de reactivo y su masa molar.

  13. UNIDAD 4REACCIONES QUIMICAS Y TERMOQUIMICA • Ejemplos • CH4(g) + O2 (g) CO2 (g) + H2O(g) • N2 (g) + H2 (g) NH3 (g) • H2O (aq) H2 (g) + O2 (g) • Ejercicios: 3.66, 3.68, 3.70, 3.72, 3.76

  14. UNIDAD 4REACCIONES QUIMICAS Y TERMOQUIMICA • Reactivo Limitante • Es aquella sustancia (reactante) que se usa (consume) primero en una reacción química. • Se determina: • 1. Balanceando la ecuación química • 2. Calculando el número de moles de cada reactante • 3. Calculando el número de moles de producto que cada reactante produce. (utilizar razones entre reactantes y productos) • 4. El reactante que menos moles de producto produzca, es el reactante limitante. • Ejemplos • CH4(g) + O2 (g) CO2 (g) + H2O(g) • Ejercicios: 3.83, 3.84, 3.85

  15. UNIDAD 4REACCIONES QUIMICAS Y TERMOQUIMICA • Rendimiento de un Proceso Químico • Rendimiento Actual: cantidad real obtenida • Rendimiento Teórico: cantidad obtenida si todo el reactante limitante se utilizó en la reacción química • El rendimiento es una medida de la ___________ de un proceso químico. • Ejemplos • Ejercicios: 3.90, 3.91, 3.92 • Ejercicios Adicionales: 3.104, 3.108, 3.113, 3.114, 3.117, 3.118, 3.142

  16. UNIDAD 4REACCIONES QUIMICAS Y TERMOQUIMICA • Reacciones en Soluciones Acuosas • Solución: mezcla homogénea de dos o más sustancias. • Solvente: sustancia presente en la mayor concentración (H2O) • Soluto: sustancia presente en la menor concentración • Categorías de solutos disueltos en agua • Electrolitos: sustancia que cuando se disuelve en agua, la solución conduce electricidad • No Electrolitos: sustancia que cuando se disuelve en agua, la solución no conduce electricidad

  17. UNIDAD 4REACCIONES QUIMICAS Y TERMOQUIMICA • Reacciones de Precipitación • Reacción en solución acuosa que resulta en la formación de un producto insoluble o precipitado. • Ejemplo: Reacciones de Metátesis (doble desplazamiento) • Usualmente estas reacciones occuren entre sustancias disueltas en agua. En las reacciones, dos compuestos disueltos reaccionan e intercambian “parejas” para formar dos nuevos compuestos. • La ecuación general AX + BY BX + AY • Ejemplo: • NaCl (aq) + AgNO3 (aq)→NaNO3 (aq) + AgCl (s)

  18. UNIDAD 4REACCIONES QUIMICAS Y TERMOQUIMICA • Solubilidad • Es la cantidad máxima de soluto que se disuelve en una cantidad específica de solvente a una temperatura. • Tabla 4.2 (pag. 125) Ejemplos de compuestos iónicos • Ecuaciones de Reacciones en Soluciones • Ecuación Molecular • Ecuación Iónica • Ecuación Neta Iónica • Ejemplos

  19. UNIDAD 4REACCIONES QUIMICAS Y TERMOQUIMICA • Reacciones de Oxidación-Reducción (Redox) • Reacciones de transferencia de electrones entre los reactantes. • Reacción de oxidación: uno de los reactantes “pierde” electrones. A este reactante se le llama agente reductor. • Reacción de reducción: uno de los reactantes “acepta” electrones. A este se le llama agente oxidante. • Cu(s) + 2AgNO3 (aq) Cu(NO3)2 (aq) + 2Ag(s) • Cu Cu2+ + 2e- • 2Ag+ + 2e- 2Ag

  20. UNIDAD 4REACCIONES QUIMICAS Y TERMOQUIMICA • Clases de Reacciones Redox • Reacciones de Combinación: donde dos o más sustancias se combinan para formar un producto. • S(s) + O2 (g) SO2(g) • Ejemplo: fórmula química del moho (rust) • Reacciones de Descomposición: rompimiento de un compuesto en dos o más componentes. • 2KClO3(s) 2KCl(s) + 3O2 (g) • Reacciones de Combustión: cuando una sustancia reacciona con oxígeno liberando calor y luz. • C3H8(g) + 5O2(g) 3CO2(g) + 4H2O(l)

  21. UNIDAD 4REACCIONES QUIMICAS Y TERMOQUIMICA • Reacciones de Desplazamiento • Un ión o átomo en un compuesto es reemplazado por un ión o átomo de otro elemento. • 1. Desplazamiento de Hidrógeno • Ca(s) + 2H2O(l) Ca(OH)2 (s) + H2 (g) • Mg(s) + 2HCl(aq) MgCl2(aq) + H2 (g) • 2. Desplazamiento de Metal • Un metal en un compuesto puede ser desplazado por otro metal en su estado elemental. • V2 O5 (s) + 5Ca(l) 2V(l) + 5CaO(s) • TiCl4(g) + 2Mg(l) Ti(s) + 2MgCl2(l)

  22. UNIDAD 4REACCIONES QUIMICAS Y TERMOQUIMICA • 3. Desplazamiento de Halógeno • Orden de reactividad para el desplazamiento • F2 > Cl2 > Br2 > I2 • Cl2(g) + 2NaI (aq) 2NaCl (aq) + I2(s)

  23. UNIDAD 4REACCIONES QUIMICAS Y TERMOQUIMICA • Concentraciones de Soluciones • La concentración de una solución es la cantidad de soluto presente en un volumen predeterminado de solvente o solución. • Unidad : Molaridad = número de moles de soluto por litro de solución. • Ejemplos

  24. UNIDAD 4REACCIONES QUIMICAS Y TERMOQUIMICA • Dilución de Soluciones • Procedimiento para preparar una solución de menor concentración a partir de una de mayor concentración. • Visualización Conceptual • Moles de soluto antes de dilución = Moles de soluto después de dilución • Fórmula para cálculos en dilución de soluciones • Mi Vi = Mf Vf • Pensamiento crítico analítico: comparar magnitud del cambio entre Mi y Mf y entre Vi y Vf

  25. UNIDAD 4REACCIONES QUIMICAS Y TERMOQUIMICA • Ejercicios de práctica capítulo 4. • 4.22, 4.44, 4.54, 4.56(a,b,c), 4.60, 4.62, 4.64, 4.66, 4.70, 4.71, 4.72, 4.74, 4.114, 4.134

  26. UNIDAD 4REACCIONES QUIMICAS Y TERMOQUIMICA • Termoquímica • La Naturaleza de la Energía y los Tipos de Energía • La energía se sabe que existe por los efectos reconocibles. No se puede ver, tocar, oler o pesar. • Energía: capacidad de hacer trabajo • Trabajo: fuerza x distancia • Trabajo: cambio en energía que resulta de un proceso

  27. UNIDAD 4REACCIONES QUIMICAS Y TERMOQUIMICA • Tipos de Energía • Energía Cinética • Energía Radiante • Energía Termal • Energía Química • Energía Potencial • La energía se puede convertir de una a otra • No se destruye ni se crea. Cuando una desaparece, aparece otra de igual magnitud. • Ley de Conservación de Energía

  28. UNIDAD 4REACCIONES QUIMICAS Y TERMOQUIMICA • Cambio de Energía en Reacciones Químicas • En casi todas las reacciones químicas se absorbe o se libera energía generalmente en forma de calor. • Calor: transferencia de energía termal entre dos entes que están a diferentes temperaturas. • Termoquímica es el estudio del cambio de calor en reacciones químicas. • Como parte del estudio energético de las reacciones químicas, se define el ambiente donde éstas ocurren.

  29. UNIDAD 4REACCIONES QUIMICAS Y TERMOQUIMICA • “Ambiente” en las Reacciones Químicas • Sistema: lugar o parte en específico del universo que nos interesa. • Alrededores: lugar o parte del universo fuera del sistema. • Sistema Abierto: lugar donde se intercambia masa y energía, usualmente en forma de calor con el medioambiente (alrededores). • Sistema Cerrado: existe la transferencia de energía pero no de masa. • Sistema Aislado: no existe la transferencia de energía ni de masa.

  30. UNIDAD 4REACCIONES QUIMICAS Y TERMOQUIMICA • Procesos Exotérmicos • La energía termal se transfiere del sistema hacia los alrededores (medioambiente). • Procesos Endotérmicos • Energía es transferida desde el medioambiente hacia el sistema.

  31. UNIDAD 4REACCIONES QUIMICAS Y TERMOQUIMICA • Introducción a Termodinámica • La termodinámica es la rama de la física que se dedica al estudio de las relaciones entre el calor y el resto de las formas de energía. Analiza, por lo tanto, los efectos de los cambios de temperatura, presión, densidad, masa y volumen en los sistemas a nivel macroscópico. • Funciones de Estado: propiedades que son determinadas por el estado del sistema y la magnitud del cambio dependen solamente del estado inicial y final del sistema. • Ejemplo: V, T, P, E

  32. UNIDAD 4REACCIONES QUIMICAS Y TERMOQUIMICA • Primera Ley de Termodinámica • Basada en la ley de conservación de energía, establece que la energía se puede convertir de una forma a otra, pero no se puede crear ni destruir. • En la práctica, se utiliza el cambio interno de energía entre el estado inicial y final. • E = Ef - Ei • Energía interna: energía cinética y potencial de las moléculas, atracción y rechazo entre electrones y núcleo • Como no se pueden medir todas las interacciones moleculares, se mide experimentalmente el cambio neto de energía E.

  33. UNIDAD 4REACCIONES QUIMICAS Y TERMOQUIMICA • Usos en Química de 1ra Ley de Termodinámica • E = q + w • E = cambio en energía interna del sistema • q = intercambio de calor entre el sistema y los alrededores • w = trabajo realizado en o por el sistema • Tabla 6.1 Usos de Signos (+) y (-) para calor (q) y trabajo (w) • q es positivo(+) en procesos endotérmicos • q es negativo(-) en procesos exotérmicos • w es positivo (+) alrededores hacen trabajo sobre el sistema • w es negativo (-) sistema hace trabajo en los alrededores

  34. UNIDAD 4REACCIONES QUIMICAS Y TERMOQUIMICA • Trabajo (w) • Trabajo Mecánico, Trabajo Eléctrico, Trabajo de Superficie • Trabajo Mecánico en expansión y contracción de gases • w = F x d = -P V • Unidades de trabajo : 1 L atm = 101.3J • Expansión de gases: V > 0, trabajo hecho por el sistema, w es negativo • Compresión de gases: V < 0, trabajo hecho en el sistema, w es positivo • Ejercicios: 6.16, 6.18, 6.20

  35. UNIDAD 4REACCIONES QUIMICAS Y TERMOQUIMICA • Calor (q) (Heat) • El calor asociado a un proceso depende de cómo el proceso se lleve a cabo. (no es función de estado: final – inicial) • No es propiedad del sistema. • Se manifiesta durante los cambios que ocurren en un proceso (ocurre un cambio) y depende de la trayectoria del proceso.

  36. UNIDAD 4REACCIONES QUIMICAS Y TERMOQUIMICA • Entalpía en Reacciones Químicas • Es una magnitud termodinámica, simbolizada con la letra H, cuya variación expresa una medida de la cantidad de energía absorbida o cedida por un sistema termodinámico, es decir, la cantidad de energía que un sistema puede intercambiar con su entorno. • Situaciones ambientales: presión constante, volumen constante • E = q + w • H = E + PV, H = E + (PV) • A presión constante, E = q - PV, • q = E + PV, P = 0, q = E • H = E + PV, P =0, H = E • q = H

  37. UNIDAD 4REACCIONES QUIMICAS Y TERMOQUIMICA • E = q + w • H = E + PV, H = E + (PV) • A volumen constante, E = q - PV, V = 0 • E = q • H = E + (PV) • H = E, H = q • Entalpía en Reacciones • H = H (productos) – H (reactantes) • Cambios en entalpía en procesos que envuelven cambios físicos y cambios químicos.

  38. UNIDAD 4REACCIONES QUIMICAS Y TERMOQUIMICA • Ecuaciones Termoquímicas • Ecuaciones que describen los cambios en entalpía y las relaciones de masa entre reactantes y productos. • Describen el estado físico de reactantes y productos (sólido, líquido y gaseoso). • Si se multiplica cada lado de la ecuación por un factor n, la entalpía H también se multiplica por el mismo factor n. • Si las ecuaciones intercambian el orden, la magnitud de H se queda igual, pero cambia el signo. Ejemplos: • En reacciones donde no hay gases, el V es pequeño, y E  H • Ejercicios: 6.26, 6.28

  39. UNIDAD 4REACCIONES QUIMICAS Y TERMOQUIMICA • Calorimetría • Medición del cambio de calor (heat) • Calor específico (s) de una sustancia • Es la cantidad de calor requerida para aumentar la temperatura, por un oC , un gramo de una sustancia. • Capacidad de calor (C) de una sustancia es la cantidad de calor requerida para aumentar la temperatura, de una cantidad definida de la sustancia, por un oC. • C = ms • q = (ms) T ; T = Tf - Ti • q = C T

  40. UNIDAD 4REACCIONES QUIMICAS Y TERMOQUIMICA • Calorimetría : medición a volumen constante • Se usa para medir el calor (heat) en reacciones de combustión. • qrxn = - qcal = CcalT = ms T • Calorimetría : medición a presión constante • Se usa para medir el calor en reacciones donde no hay combustión. • qrxn = - qcal = CcalT = ms T • Como la presión es constante, qrxn = H • Ejercicios: 6.37, 6.38

  41. UNIDAD 4REACCIONES QUIMICAS Y TERMOQUIMICA • Entalpías de Formación y de Reacción • Entalpía Estándar de Formación (Ho f) : punto de referencia donde las sustancias se encuentran en un estado estándar a 1 atm. • La entalpía estándar de formación de un elemento en su forma más estable es cero. • La entalpía estándar de formación de un compuesto es el cambio en calor que resulta cuando 1 mole del compuesto es formado por sus elementos a 1 atm.

  42. UNIDAD 4REACCIONES QUIMICAS Y TERMOQUIMICA • Entalpía Estándar de Reacción (Ho rxn) : • Ho rxn = n Ho f (prod) - m Ho f (react) • Método Directo • Método Indirecto (Ley de Hess) • Calor de Solución y de Dilución en Procesos Físicos (a presión constante, q = Hsoln ) • Calor de Solución Hsoln= U + Hhydr • U = energía de enrejado requerida para separar un mol de un compuesto iónico sólido en iones gaseosos. • Hhydr= energía asociada al proceso de hidratación

  43. UNIDAD 4REACCIONES QUIMICAS Y TERMOQUIMICA • Calor de Dilución • Cambio de calor asociado al proceso de dilución. • Ejercicios: 6.52, 6.54, 6.60, 6.62, 6.64, 6.80, 6.86, 6.98, 6.104, 6.108

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