09. Química III ciclo

REACCIONES TERMOQUÍMICAS Química Alrededores: Son el resto del universo externo al Si desea enriquecer más su conocimiento, sistema. consulte: 1. Brown, T. L., LeMay, H. E., Bursten, B. E., Calor: Es la transferencia de energía térmica debido a la diferencia de temperatura. Burdge, J. R. (2004). Química. La ciencia central. México: PEARSON EDUCACIÓN. Calor de reacción: Es el calor desprendido o 2. ACS, Energy Changes in Chemical Reactions, absorbido, en condiciones estándar, en una reacción consultado en septiembre 2011 de química; tiene un valor característico para cada http://www.middleschoolchemistry.com/lesso reacción y se expresa generalmente en términos de nplans/ calorías o kilocalorías (Kcal). 3. Petrucci, R., Harwood, W., Herring, F. (2003). Química General. Madrid: Prentice Hall. Catalizador: Es una sustancia presente en una 4. Whitten, K., Davis, R. E., Peck, M.L., Stanley, G. reacción química y reduce la energía de activación (2008). Chemistry. CENGAGE Learning. necesaria para que ocurra la reacción. Energía de activación: Es la energía mínima necesaria para que se produzca una reacción química dada. Entalpía: Es una propiedad extensiva (su magnitud depende de la cantidad de materia) absorbida o liberada por un sistema durante un proceso a presión constante, es decir, es el calor de reacción de un sistema a presión constante. Reacción endotérmica: Es una reacción en la cual los alrededores deben suministrar calor al sistema; la entalpía de los reactivos es menor a la de los productos, teniendo el H un valor positivo. Reacción exotérmica: Es cualquier proceso que cede calor o transfiere energía térmica hacia los alrededores y su H posee un valor negativo debido a que la entalpía de los reactivos es mayor a la de los productos. 184

REACCIONES TERMOQUÍMICAS Química ACTIVIDAD EVALUADORA 1. Identifica los siguientes cambios como endotérmicos o exotérmicos. (Pregúntate si la reacción requiere que se añada energía de calor para que esta ocurra o si libera energía en forma de calor): a. Hielo derritiéndose. b. Una vela encendida. c. Freír un huevo. d. Gasolina quemándose. e. Explosión de hidrógeno gaseoso. 2. Una reacción se lleva a cabo en un vaso de acero dentro de una cámara llena de gas argón como catalizador. La figura ilustra las vistas moleculares del argón adyacente a la superficie del vaso de acero, antes y después de la reacción. ¿La reacción es endotérmica o exotérmica? ¿Por qué? 3. Clasifica cada una de las siguientes reacciones como endotérmica o exotérmica e incorpore los valores de entalpía dentro de la ecuación (ya sea como productos o reactivos) según corresponda. Na(s) + H2O(l)  NaOH(ac) + H2(g) ΔH = -367.5 kJ CaCO3(s)  CaO(s) + CO2(g) ΔH = 177.8 kJ 4. Clasifica cada una de las siguientes reacciones como endotérmica o exotérmica y exprese los valores de entalpía en la ecuación según corresponda (similar a las expresiones del numeral anterior). CO2(g) + H2O(l) + 890.4 kJ —› CH4(g) + O2(g) ZnS(s) + O2(g)  ZnO(s) + SO2(g) + 879 kJ 5. Indica en la siguiente gráfica: E a. Tipo de reacción (exo/endotérmica). b. Energía de activación para cada curva. c. Curva con catalizador. d. Curva con inhibidor. e. Curva sin catalizador. f. De acuerdo con la energía de activación, Productos ¿cuál reacción es más factible que se realice, la directa o la inversa? Reactivos Transcurso de la reacción. 185

Lección 14. CINÉTICA QUÍMICA CONTENIDOS 1. Velocidad de una reacción química. 2. Factores que afectan la velocidad de reacción química. 3. Ecuaciones de velocidad. 4. Mecanismos de reacción. INDICADORES DE LOGRO ¿POR QUÉ ES IMPORTANTE? 1. Comprende en qué consiste la velocidad de La velocidad con la que se produce una reacción reacción y las condiciones que la afectan. química y los factores que pueden alterarla son 2. Identifica los factores que intervienen en la aspectos que ayudan a determinar los procesos velocidad de la reacción. tanto industriales como naturales; la mayoría de las 3. Valora la conveniencia de la lentitud o rapidez de reacciones químicas se ven influidas por factores algunos procesos químicos. que tienen la capacidad de disminuir o acelerar la 4. Relaciona los mecanismos de reacción con las velocidad con la que se producen las reacciones ecuaciones o leyes de velocidad. químicas. 5. Relaciona la ecuación de velocidad, el orden de reacción y la constante de velocidad. DESCRIPCIÓN La lección comienza explicando qué es cinética PALABRAS CLAVE química y velocidad de reacción, cómo se puede Cinética química, naturaleza de los reactantes, determinar experimentalmente y cómo algunos concentración de los reaccionantes, superficie de factores podrían influir en ella para modificarla. contacto, tamaño de partícula, temperatura, Seguidamente se consideran los mecanismos de catalizadores, ecuación o leyes de velocidad, orden de reacción, para explicar en detalle cómo es que se reacción, mecanismos de reacción. produce una reacción química; así como los términos asociados a ella: ecuaciones o leyes de velocidad, orden de reacción, molecularidad.

CINÉTICA QUÍMICA Química ACTIVIDAD 1. (Tiempo: 15 minutos) DEFINICIÓN: VELOCIDAD DE UNA REACCIÓN QUÍMICA El objetivo de esta actividad es realizar preguntas iníciales para que reflexionen sobre ellas y elaboren conclusiones al respecto. Oriéntelos para que en su cuaderno de anotaciones escriban sus conclusiones y luego, en equipos de tres o cuatro estudiantes las discutan para especificar en que coinciden o disciernen. ¿Por qué la descomposición de un trozo de carne que se haya en la refrigeradora ocurre más lentamente que si se dejara afuera a temperatura ambiente? ¿Qué factores o variables inciden para que se descomponga rápido o lentamente el trozo de carne? ¿Cuál se descompondría más rápido, un trozo de carne entera o un trozo de carne molida? ¿Cómo puede definir la velocidad de reacción? ¿Qué ejemplos podrías mencionar sobre la velocidad de reacción? Hay personas que corren rápido, otras que según sea la duración de la reacción química. En las corren lento y otras que simplemente reacciones las concentraciones de los reactivos corren demasiado lento que pareciera que disminuyen y las concentraciones de los productos no corrieran. Esto sucede de la misma forma a nivel aumentan (Fig. 1). de reacciones químicas: algunas son tan rápidas que no se pueden medir, otras son lentas y se pueden 0 s 20 s 40 s medir, y otras son tan lentas que tardan años. Por ello, al llevarse a cabo una reacción química,tenemos que considerar la velocidad en la que se efectúa la reacción. La rama de la química que se encarga de estudiar la Figura 1. En tiempo 0 s solamente existen moles de A. En 20 s la velocidad de una reacción es la cinética química.El cantidad de moles de A disminuye y se forman moles de B. En 40 estudio de esta área se divide en dos partes. La s, parcialmente se encuentran moles de B. primera, es a nivel macroscópico, que considera la velocidad de la reacción; es decir, lo que significa la En la Figura 1 se muestra la reacción , donde A velocidad de una reacción, cómo se determina experimentalmente y de qué manera influyen en la está representado por las esferas rojas y B por las velocidad de reacción diferentes factores. En la segunda parte, se consideran a las reacciones al nivel esferas azules, indicando la manera en la que de partículas. En este caso, principalmente el mecanismo de reacción, el cual, detalla la vía que cambian las concentraciones a medida transcurre el toman las moléculas y átomos en la medida que la reacción procede. tiempo. Cuando A reacciona, su concentración 1. VELOCIDAD DE UNA REACCIÓN QUÍMICA disminuye y la concentración de B aumenta. En la Se define la velocidad de reacción como el cambio que se produce en la concentración de un reactivo o medida que avanza la reacción química, se alcanza un producto con respeto al tiempo; esto es, en moles/ (L•s), pero también se puede utilizar otra un punto en el cual no es posible detectar cambios unidad de tiempo como el minuto (min) u hora (h), netos de concentración; las concentraciones de A y B se estabilizan en valores específicos, lo cual se denomina equilibrio químico (Fig. 2). Expresión de la velocidad de reacción Antes de tratar cuantitativamente los efectos de la concentración sobre la velocidad de la reacción, 187

CINÉTICA QUÍMICA Química Concentración, mol /L es positivo y la velocidad de reacción para en términos de B es: Concentración Concentración final de B inicial de A [ ] [ ] [] Concentración final de A La velocidad promedio para la reacción dependerá del intervalo que sea seleccionado. Al calcularse la Concentración Tiempo (t), s velocidad promedio de reacción a intervalos cada inicial de B vez más cortos, se obtiene la velocidad en diversos momentos lo que se llama velocidad instantánea. Figura 2. Velocidad de reacción , representada como la Gráficamente, la velocidad instantánea está dada por la pendiente de la tangente a la curva en ese disminución de moléculas de A con el tiempo y el aumento de momento (Fig. 3). La velocidad instantánea en otro momento cualquiera, se determina de igual forma y las moléculas de B con el tiempo. siempre poseerá el mismo valor para la misma concentración de reactivos, mientras se mantenga es necesario expresar la velocidad constante la temperatura. matemáticamente. Consideramos la reacción Por analogía, imagine que efectúa un recorrido por carretera de San Salvador a Santa Ana a 80 km /h en general . Se mide la concentración de inicio del 45 min. La velocidad promedio es 80 km /h y la velocidad instantánea es la lectura del velocímetro reactivo ([ ]) en , dejamos que la reacción se en cualquier instante del viaje. efectúe y enseguida medimos de nuevo la concentración del reactivo ([ ]) en . El cambio de la concentración desde un tiempo inicial a un tiempo final, permite que se determine la velocidad promedio de la reacción en ese intervalo: [] [] [] El signo negativo es necesario; por convención, la Concentración, mol /L C1, i t1, i velocidad de reacción es un número positivo, pero la C1, f [ ]siempre es menor que la [ ], de forma tal que el cambio en la concentración (final -inicial) del reactivo C2, i A siempre es negativo. Se usa el signo menos sólo C2, f para convertir el cambio negativo en la concentración de reactivo a un valor positivo para la t1,f t2, i t2, f Tiempo (t), s velocidad. Por ejemplo, si la concentración de A cambia de 2.1 mol/L ([ ]) a 0.98 mol/L ([ ]) en un Figura 3.Las velocidades instantáneas de la reacción general período de 2 s. La velocidad promedio es: , están dadas por las pendientes de las tangentes a unos tiempos específicos. ⁄ La velocidad de reacción no es constante, ya que las ⁄ reacciones químicas pueden ocurrir a distintas velocidades, así tenemos reacciones que suceden Empero, si se mide el producto para determinar la instantáneamente, otras que se pueden demorar velocidad de reacción, la concentración aumenta con algunos segundos o minutos u otras que se tardan el tiempo. Es decir, la [ ]es mayor que la [ ] y así, demasiado tiempo en producirse. Por ejemplo, si se el cambio en la concentración del producto B [ ] , 188

CINÉTICA QUÍMICA Química hace reaccionar ácido clorhídrico (HCl) con una Resuelva mediante la participación de sus muestra de hidróxido de sodio (NaOH) se observa estudiantes el siguiente ejercicio, con la finalidad que es muy rápida (instantánea); mientras que, la determinar la expresión de velocidad en oxidación del hierro bajo condiciones atmosféricas términos del cambio de la concentración con el es una reacción lenta, que puede demorar años en tiempo. generar una sustancia observable. Asimismo, hay sustancias que no reaccionan por sí solas y para que PROBLEMA 1 ������ ������ ������ la reacción ocurra se debe adicionar un golpe de Considere la reacción: ������ ������ + ������ ������ energía, como la reacción química que vemos muchas veces durante el día, la del gas propano a) Exprese la velocidad de esta reacción en (CH3CH2CH3) de las cocinas con el oxígeno (O2), a la términos del cambio en la [������ ], [������ ] y [������ ������] que debemos de agregar el chispazo de un fósforo para encenderlo. con el tiempo. b) Cuando la [������ ] disminuye a 0.23 mol /L ¿Cuál Para medir en el laboratorio, la velocidad de una reacción es necesario seguir el cambio de alguna es la velocidad a la que se incrementa la propiedad de una o del conjunto de las sustancias [������ ������]? involucradas durante un cierto período de tiempo. Esta propiedad puede ser, por ejemplo, el color o la Estrategia: a) De los tres compuestos en la apariencia (Fig. 4) durante el proceso (cuando un ecuación se tomará el O2 ya que su coeficiente clavo de hierro, Fe, se oxida, el color cambia de estequiométrico es 1. Por cada molécula de O2 grisáceo a rojo). En otros casos, se generan gases que desaparece, así lo hacen dos moléculas de como el producto de la reacción, cuyo volumen se H2; entonces, la velocidad de disminución de O2 puede calcular a diferentes intervalos de tiempo. Por es la mitad de la velocidad de disminución de H2. ejemplo, se puede determinar el volumen del Por motivos similares, vemos que la velocidad de dióxido de carbono (CO2) absorbido por una planta disminución del O2es la mitad que la velocidad de en la reacción de fotosíntesis o el oxígeno (O2) que aumento del H2O. b) Debido a que el O2 libera en dicho proceso, por unidad de tiempo. Así, disminuye, el cambio en su concentración deberá se podría determinar la disminución de la masa de ser negativo. Sustituimos el valor negativo estos objetos en el mismo tiempo, lo cual, daría la dentro de la expresión y despejamos [������ ������]⁄ ������. información de la velocidad con que se consume uno de los reactivos. Paso 1. Obtener expresión de la velocidad de reacción en términos de cada componente: La expresión matemática para la velocidad de una ������������������������������������������������������ [������ ] [������ ] [������ ������] reacción particular , donde y indica los ������ ������ ������ coeficientes de la ecuación balanceada, así: Paso2. Calcular la velocidad de cambio de [������ ������]: [] [] [������ ] [������ ] ������������������ ������ ������ ������ ������ 3 [������ ������] [������ ] En esta expresión, se consideran los valores de las velocidades de desaparición cambiados de signo, ������ ������ ������������������ ������������������ valores positivos de formación y se dividen por sus [������ ������] ������ ������ ������ ������ coeficientes estequiométricos. ������ 3 4 ������ 189

CINÉTICA QUÍMICA Química A BC Figura 4. Medición de la velocidad de reacción. A. Se añadió agua de bromo (Br2/H2O) a un tubo de ensayo que contenía hexano (C6H14). B. Se dejó en reposo durante un largo tiempo en presencia de luz. C. Al reaccionar,el agua de bromo se decolora. Resuelva mediante la participación de sus estudiantes el siguiente ejercicio, con el fin de determinar gráficamente la forma que afecta la concentración sobre la velocidad de reacción: PROBLEMA 2 La Figura 1 representa el cambio de concentración del reactivo A y del producto B, según la ecuación general ������ ������ . En el tiempo 0 s, el primer frasco de capacidad de 1L, contiene un mol de A. Transcurridos 20 s, la cantidad de moles de A disminuye a 0.54 y la cantidad de moles formada de B es 0.46. A los 40 s, la cantidad de moles de A es 0.30 y los moles de B son 0.70. a) Realice la gráfica de concentración de reactivo contra tiempo y la gráfica de concentración de producto contra tiempo y b) Estime la velocidad de consumo de A y la velocidad de formación de B. Estrategia: Para efectuar ambas gráficas tabule las concentraciones de A y B en los diferentes tiempos e ilústrelo. Para hallar la velocidad de consumo de A y la velocidad de formación de B se calcula la diferencia de concentración al comenzar y al finalizar un período de tiempo ( ������ ������������������������������������ ������������������������������������������������). Divida entre el tiempo transcurrido. Paso 1. Tabular los valores proporcionados de las concentraciones de A y B en los diferentes tiempos y efectuar las gráficas que ilustren el cambio de la concentración de A y el cambio de la concentración de B: Tiempo (s) [A] (mol/ (L • s)) [B] (mol/ (L • s)) 01 0 20 0.54 0.46 40 0.30 0.70 La concentración de A disminuye en función del tiempo mientras que la concentración de B aumenta en función del tiempo. 190

CINÉTICA QUÍMICA Química Paso 2. En la expresión de velocidad de consumo de A, se introducen los valores dados en las variables de la relación: [������] ������ ������������������������������������������������������ ������������ ������������������������������������������ ������������ ������ ������������ En el primer período de tiempo: 4 ������������������ /������ 3 ������������������ ������������ ������ ������ ������ En el segundo período de tiempo: 3 4 ������������������ /������ ������������������ ������������ 4 ������ ������ ������ ������������������������������������������������������ ������������ ������������������������������������������ ������ ������������ ������ ������������ [������] ������ En el primer período de tiempo: 4 ������������������ /������ 3 ������������������ ������������ ������ ������ ������ En el segundo período de tiempo: 7 4 ������������������ /������ ������������������ ������������ 4 ������ ������ ������ Es posible determinar que la velocidad de consumo de A disminuye a medida transcurre el tiempo; ya que decrece la concentración de A. Mientras que, la velocidad de formación B disminuye a medida transcurre el tiempo. ACTIVIDAD 2. (Tiempo: 20 minutos) VELOCIDAD DE UNA REACCIÓN QUÍMICA Con esta actividad se demostrará que no todas las reacciones transcurren a igual velocidad; ya que, algunas son lentas y otras rápidas como una explosión. Se organizarán equipos de tres o cuatro estudiantes y se les repartirán los materiales que necesitarán. Pregúnteles ¿Las reacciones químicas se producen a la misma velocidad? ¿La fotosíntesis, las reacciones nucleares, las explosiones de combustibles, la oxidación de una reja de hierro, la erosión de una piedra caliza por reacción con la lluvia ácida, entre otros, son reacciones rápidas (instantánea) o lentas? Materiales Agua (cantidad necesaria). 3 vasos plásticos transparentes. 1 medidor de volúmenes de cocina. 3 tabletas efervescentes. 1 cronómetro. 1 cuchillo y tabla para cortar. Procedimiento 1. Llenar los vasos plásticos con 6 onzas de agua cada uno. 2. Tomar las tabletas: a una de ellas dividirla en cuatro partes iguales, la otra molerla y la última, la dejarla entera. 3. Introducir las pastillas efervescentes (entera, molida y dividida en cuatro partes) en cada vaso. 4. Medir el tiempo que tarda en disolverse cada tableta en el agua. Los resultados se anotarán en una tabla Tableta vs tiempo (s). Pregúnteles: ¿qué concluyes con respecto al fraccionamiento de las tabletas? ¿Existe alguna relación entre el tamaño de las partículas con el tiempo que se requirió para que pudieran reaccionar? ¿Qué podría hacerse para que el tiempo transcurrido sea aún menor? ¿Y para conseguir que se tarde un poco más? 191

CINÉTICA QUÍMICA Química Así, la velocidad de reacción depende de distintos cantidad de producto que aparece por unidad de factores: la temperatura a la que se efectúa, de la tiempo. concentración y la superficie de contacto entre los reactivos, de la naturaleza de los reaccionantes, de los catalizadores, etc. 2. FACTORES QUE AFECTAN LA VELOCIDAD DE UNA AB REACCIÓN Figura 5. A. Si hay una baja concentración entre los reactivos, entonces habrá pocas colisiones entre las moléculas. B. Si la Tanto en los procesos industriales como en la vida concentración es alta, habrá un mayor número de colisiones y cotidiana es muy importante controlar la velocidad por ende, la velocidad de reacción será mayor. de las reacciones que ocurren. Por ejemplo, en las industrias, se quiere obtener una cierta cantidad de  El Grado de subdivisión de los reaccionantes: El producto en el menor tiempo posible y sin que grado de subdivisión del material está relacionado ocurran accidentes. La velocidad de una reacción con su área superficial, mientras más dividido se puede controlarse alterando algunas condiciones en encuentre un material, mayor será el área de su las cuales se lleva a cabo; es decir, variando la superficie expuesta. Este factor es importante en temperatura, la concentración de los reactivos y la una reacción química, debido a que al aumentar el superficie de contacto entre ellos o la presión, si se grado de subdivisión de un reactivo, aumenta trabaja con gases, entre otros. también la rapidez de la reacción, puesto que el área superficial se incrementa; así mismo, el Estos factores que modifican la rapidez con la que se número de moléculas expuestas al choque produce una reacción química se especifican en dos aumenta y por ende, el número de choques aspectos: factores relacionados con la reacción y eficaces (Fig. 6). En algunos lugares de almacenaje factores relacionados con los reaccionantes. de harina y en las minas de carbón, suelen ocurrir explosiones, ya que las partículas poseen una gran Factores relacionados con los reaccionantes: superficie de contacto y se oxidan más fácilmente.  Efecto de la concentración: A medida aumenta la AB concentración de los reactivos, se incrementa la Figura 6. A. Pequeñas piezas de piedra caliza reaccionan más probabilidad de que se produzcan choques entre rápido con ácidos diluidos, para producir dióxido de carbono las moléculas, ya que aumenta el número de sus (CO2) en forma de burbujas que B. rocas grandes. partículas en el medio y hace que la velocidad de la reacción sea mayor. A medida que la reacción  Superficie de contacto: El grado de subdivisión de avanza, disminuye la concentración de reactivos y un material se relaciona con su superficie de también, disminuye la probabilidad de choques y contacto: mientras más dividido se halle un con ella la velocidad de la reacción (Fig. 5). material, mayor es el área de su superficie que se expone, y por lo tanto, mayor será el número de La medida de la velocidad de una reacción química envuelve la medida de la concentración de uno de los reactivos o productos a lo largo del tiempo; dio de otra manera, que para medir la velocidad de una reacción se requiere medir, ya sea, la cantidad de reactivo que desaparece unidad de tiempo o la 192

CINÉTICA QUÍMICA Química colisiones, aumentando la velocidad de reacción naturaleza del reaccionante es una constante y no (Fig. 7). una variable. Figura 7. Una lámina de zinc (Zn) en una solución de sulfato de AB cobre (II) (CuSO4) reacciona más lento que el zinc en polvo. Figura 8. A. La reacción de magnesio (Mg) en ácido clorhídrico Se manifiesta claramente cuando se quiere hacer (HCl) se produce instantáneamente con fuerza, liberando una fogata y se cuenta con un tronco de árbol, los grandes cantidades de calor. B. La reacción de cobre (Cu) en HCl campesinos saben muy bien, que en primer lugar, se no se produce o se produce lentamente a temperatura deben hacer astillas (aumenta la superficie de ambiente. contacto) y no el tronco completo. ¿Qué concentración de ácido clorhídrico (HCl) reacciona  La Naturaleza de los reaccionantes: No es un factor rápidamente con una muestra de zinc (Zn)? cinético en sí, sino un factor termodinámico que se El zinc (Zn) reacciona con ácido clorhídrico (HCl). El Zn en relaciona con la estructura misma de la sustancia y una solución poco concentrada de HCl, reacciona lento; con su tendencia a reaccionar. La estructura en cambio, en una solución con una alta concentración molecular de las sustancias determina su propia de HCl, la reacción es rápida. Esta reacción conduce a la naturaleza, la cual influye sobre la rapidez de las formación de cloruro de zinc (ZnCl2) y de hidrógeno (H2), reacciones químicas (Fig. 8). notándose por la liberación de gas en forma de burbujas. Una sustancia posee su propia naturaleza, la cual le confiere sus características individuales. Dicha estructura específica influye sobre la rapidez de la reacción química de cada una de las sustancias. La ACTIVIDAD 3. (Tiempo: 25 minutos) FACTORES RELACIONADOS CON LOS REACCIONANTES: Efecto de la concentración, Grado de subdivisión y Naturaleza de los reaccionantes Con esta actividad se demostrará cómo influye la concentración de los reaccionantes, el tamaño de las partículas y su naturaleza en la velocidad de reacción; por medio de la reacción del bicarbonato de sodio (NaHCO3) presente en una tableta de Alka- Seltzer® con agua para formar ácido carbónico (H2CO3), que se descompone en dióxido de carbono (CO2) y agua (H2O). Forme equipos de tres o cuatro estudiantes y repártales los materiales que necesitarán. Pregúnteles ¿han observado cómo algunos alimentos se descomponen más rápidamente que otros? Cuando encienden un cerillo ¿han visto cómo toma muy poco tiempo para que el cerillo se queme por completo? Materiales Agua (cantidad necesaria). 1. 1Tableta de Alka-Seltzer®. 2 vasos plásticos transparentes. 2 goteros plásticos. 1 cuchillo, cronómetro. 5 mL de ácido acético (vinagre, CH3COOH). 193 2.

CINÉTICA QUÍMICA Química Procedimiento 1. Dividir una tableta de Alka-Seltzer® a la mitad y colocar cada mitad en un vaso plástico. 2. Agregar 5mL de agua a uno de los vasos y 5mL de vinagre (CH3COOH) al otro vaso. 3. Medir el tiempo que tarda en disolverse el sólido y anotar los resultados. Pregúnteles: ¿cuál de las dos reacciones químicas se llevó a cabo más rápido? ¿Por qué? ¿Cuál de los dos reactivos utilizados brindó mejores resultados? ¿Qué concluirías de la naturaleza de los reaccionantes? Factores relacionados con la reacción velocidad de una reacción sin que él mismo se En seguida, se describen los factores relacionados consuma durante el proceso o sufra un cambio con la reacción: químico, denominándose catálisis a la acción que  Temperatura: La temperatura tiene un marcado produce. efecto sobre la velocidad de reacción, el cual se En general, el término catalizador (positivo) se usa aprecia en diversas situaciones de la vida diaria. para referirse a una sustancia que ayuda a acelerar Por ejemplo, para conservar nuestros alimentos, la velocidad de una reacción; hay sustancias los mantenemos en una refrigeradora para evitar llamadas inhibidores (catalizadores negativos) que que se descompongan pronto. puede causar que disminuya la aceleración de una reacción (Fig. 10). La velocidad de la mayoría de las reacciones Por ejemplo, el peróxido de hidrógeno (H2O2, agua aumenta al incrementar la temperatura del medio oxigenada) se descompone en oxígeno (O2) y agua donde se desarrollan (Fig. 9). Cuando aumenta la (H2O). Una solución de H2O2 se puede almacenar temperatura, se incrementa la energía cinética de durante varios meses porque la velocidad en que las partículas de las sustancias reaccionantes sucede la reacción de descomposición es lenta; si provocando que los choques sean más frecuentes. se añade una sal de manganeso, una sal que posea Esto aumenta el número de colisiones efectivas yodo o una sustancia biológica llamada enzima, la entre ellas, lo que les permite reaccionar e reacción se produce rápidamente, tal como indica incrementar la rapidez de reacción. Mientras más el burbujeo a medida que el oxígeno escapa de la rápido se muevan, mayor será la probabilidad de solución. que choquen y reaccionen. Al disminuir el calor, las reacciones se hacen más lentas. Figura 9. Deshidratación del sulfato de cobre (II) (CuSO4). Al Figura 10. Un escarabajo bombardero fabrica un gas explosivo aumentar la temperatura, se deshidrata, dejando el sulfato de mezclando la hidroquinona y peróxido de hidrógeno, a los que cobre (II) anhidro (blanco). agrega una enzima inhibidora, como mecanismo de defensa. El gas sale del escarabajo a 100 °C y puede disparar hasta 50 chorros sucesivos con un alcance de 5 centímetros.  Presencia de un catalizador en una reacción: Un catalizador es una sustancia que logra modificar la 194

CINÉTICA QUÍMICA Química ACTIVIDAD 4. (Tiempo: 30 minutos) FACTORES RELACIONADOS CON LA REACCIÓN II: Presencia de un catalizador, Temperatura y Superficie de contacto Con esta actividad se demostrará cómo influye la presencia de un catalizador, la temperatura y la superficie de contacto en la velocidad de reacción. Forme equipos de tres o cuatro estudiantes y repártales los materiales que necesitarán. Pregúnteles ¿Por qué es conveniente congelar los alimentos? ¿Qué sustancias químicas utilizarán las industrias para preservar la comida enlatada? ¿Podemos hacer más lentas las reacciones químicas? Materiales 1 bote de peróxido de hidrógeno (50mL) (agua oxigenada, H2O2). 1 papa grande sin cáscara. 5 vasos plásticos transparentes. 1 tenedor metálico. 1 hornilla o parrilla eléctrica u otra fuente de calor*. 4 recipientes con profundidad. 1 regla, cronómetro. Agua (cantidad necesaria). 1 mechero Experimento 1 Procedimiento 1. Machacar una papa con ayuda del tenedor y colocarla en un vaso hasta que alcance una altura de dos centímetros. 2. Verter en el vaso peróxido de hidrógeno (H2O2) hasta una altura de cinco centímetros del vaso. 3. Agitar el vaso y observar lo que ocurre. 4. Repetir el procedimiento aumentando la cantidad de peróxido. 5. Medir la altura de la reacción cinco veces, una por cada minuto y anotar los resultados. Elaborar una gráfica que muestre los resultados obtenidos. Pregúnteles: ¿los cambios que experimenta la concentración del peróxido de hidrógeno (H2O2) influye en la velocidad de reacción? ¿De qué forma influye? ¿Cómo afecta en la velocidad de reacción que el vaso se agite? ¿Cómo influye en la velocidad de reacción la adición de un catalizador? ¿Por qué? Experimento 2 Procedimiento 1. Enumerar cuatro vasos y colocar en cada uno de ellos un trozo papa machacada hasta una altura de dos centímetros. 2. Preparar cuatro baños María con los recipientes hondos para los vasos, siguiendo las indicaciones siguientes: i) Baño de hielo (0 °C), ii) Baño de agua a temperatura ambiente (20 °C-25 °C), iii) Baño de agua a temperatura corporal (36 °C-39 °C) y iv) Baño de agua caliente (70 °C-80 °C). 3. Sumergir cada vaso en cada Baño María durante 5 minutos. Una vez transcurrido el tiempo, deberán añadir el peróxido de hidrógeno (H2O2) hasta completar una altura de cinco centímetros. 4. Agitar los vasos y colocar nuevamente los vasos en los baños respectivos. 5. Medir la altura de la espuma formada. Repetir las mediciones cinco veces, uno cada minuto. Pregúnteles: ¿en qué vaso se produjo más espuma en menos tiempo? ¿Cómo podrías explicar estos resultados? ¿Cómo influye la temperatura en la velocidad de reacción? ¿Qué sucedió con la temperatura del agua cercana a la del cuerpo humano? ¿Cuál o cuáles podrían ser tus conclusiones? ACTIVIDAD 5. (Tiempo: 15 minutos) FACTORES RELACIONADOS CON LA REACCIÓN I: Presencia de un catalizador Con esta actividad se demostrará cómo influye la presencia de un catalizador en la velocidad de una reacción. Forme equipos de tres estudiantes y repártales los materiales por utilizar. Pregúnteles ¿cuál es la función de un catalizador? 195

CINÉTICA QUÍMICA Química Materiales Pinzas de madera (para sujetar la ropa). 1 terrón de azúcar mediano. Ceniza. 1 mechero de alcohol (Actividad 4). Procedimiento 1. Sujetar el terrón de azúcar con las pinzas y acercarlo a la fuente de calor para intentar hacerlo arder. 2. Impregnar el terrón de azúcar con la ceniza y repetir el paso 1. Observar lo que ocurre. ¿Qué sucedió? Al aproximar el terrón de azúcar a la llama no arde, sino que se tuesta y se funde como caramelo. Si el azúcar se funde antes de arder, es porque la temperatura de fusión es inferior a la temperatura de combustión. El azúcar arde en el aire a una temperatura superior a los 500 °C. Al impregnar el terrón de azúcar con la ceniza y lo acercamos a la llama, el azúcar comienza a arder. La ceniza actúa como un catalizador que permite que la reacción de combustión del azúcar suceda a una temperatura muy inferior. Pregúnteles: ¿cuáles son los reactivos? ¿Cuál es la función del cerillo en la reacción química? ¿Y de la ceniza? ¿Qué tipo de catalizadores se hallan en nuestro organismo? Justifica la siguiente afirmación “...Cualquier ser vivo es semejante a una máquina térmica que es capaz de regenerar sus propias piezas…”. 3. ECUACIÓN DE VELOCIDAD depende de la temperatura. Por ejemplo, para la La relación matemática que indica la dependencia de siguiente reacción: la velocidad de reacción y la concentración de los reactivos, se expresa por medio de la ecuación de + velocidad o la ley de velocidad. En general, para una reacción química de la siguiente forma: La ecuación de velocidad, es la siguiente: ++ [ ][ ] La expresión de la ecuación de velocidad, es: Orden de una reacción En una reacción química, el exponente al que se [][] encuentra elevada la concentración de un reactivo en la ecuación de velocidad se llama orden parcial o La ecuación de velocidad muestra que la velocidad simplemente orden, respecto a ese reactivo. de una reacción es proporcional a la concentración La suma de las órdenes parciales, esto es, la suma de de los reactivos. Además, esta relación nos indica todos los exponentes de la ecuación de velocidad, es que cada concentración se halla a una potencia el orden total de la reacción. determinada. Es de reconocer que los exponentes, y no son necesariamente los coeficientes En síntesis, y representan el orden parcial de la estequiométricos de la ecuación química, ya que reacción, respecto al reactivo A y al reactivo B, estos deben determinarse de forma experimental; respectivamente; la suma + indica el orden total los cuales, pueden ser números enteros positivos y de la reacción. En el ejemplo anterior, es de segundo negativos, el cero o fracciones. orden para NO, primer orden para Cl2 y tercer orden en general. Ahora, consideremos otro ejemplo, la La constante de proporcionalidad se designa por la reacción de descomposición del óxido de nitrógeno letra k y se denomina constante de velocidad. Esta (V): constante es específica para cada reacción química y 4 + , [] 196

CINÉTICA QUÍMICA Química Posee el exponente de 1 en [N2O5], lo que implica velocidad de la reacción se duplica. O si reduce a la que la reacción es de primer orden con respecto al mitad; la velocidad también se reduce a la mitad. N2O5. Si se duplicara la concentración del N2O5, la Resuelva mediante la participación de sus estudiantes los siguientes ejercicios, con la finalidad de conocer la forma en que se emplea k y la velocidad de reacción: PROBLEMA 3 Considere la siguiente reacción: ++ ++ Se sabe que al poner a reaccionar, en el momento en que la concentración de H2O2 es de 0.007M, la de KI es de 0.005M y la de HCl sea de 0.02M; la rapidez de reacción es 3x10-2 M/s. Además, el orden de reacción del H2O2 y KI son 1, y la del HCl es 0 (determinados de forma experimental). Ahora, calcule la constante de proporcionalidad: Estrategia: Una ecuación de velocidad consta de tres partes: una velocidad, una constante de velocidad (k) y los términos de concentración. Cuando se conocen dos de ellos (en este caso: las concentraciones y la velocidad de reacción), se puede calcular el tercero. Paso 1. Obtener expresión de la ecuación de velocidad de reacción: 1 [ ][ ][ ] Paso 2. Se despeja la constante de proporcionalidad, k ][ ] /[ Paso 3. Introduciendo los valores dados para todas las variables de la relación, se obtiene: 3 // 7 74 PROBLEMA 4 A partir del resultado del Problema 1 y manteniendo la misma temperatura, pero con concentraciones para H2O2 de 0.02 M, KI de0.025 M y HCl de 3 M. Obtenga la velocidad de reacción: Paso 1. Introduciendo los valores dados para todas las variables de la relación, se obtiene: [ ][ ] 74 4 7/ 197

CINÉTICA QUÍMICA Química ACTIVIDAD INTEGRADORA CON… LITERATURA-BIOLOGÍA ¿HAS VISTO A UNA LUCIÉRNAGA? Realiza la siguiente lectura: Las luciérnagas son insectos que brillan en la oscuridad, prendiendo y apagando el abdomen como si llevaran una pequeña linterna. Existen otros insectos y bacterias que presentan esa asombrosa particularidad de luz intermitente. Al fenómeno de esta luz producida por algunos seres vivos se llama bioluminiscencia. Para que en el abdomen de la luciérnaga ocurran las reacciones químicas que producen luz, se necesita que en su aparato luminoso estén presentes: el oxígeno del aire, una sustancias que se llama luciferina y una enzima denominada luciferasa. El oxígeno del aire penetra en el aparato luminoso de la luciérnaga por una serie de tubos llamados traqueales, se pone en contacto con la luciferina y la oxida en presencia de la luciferasa (una enzima que actúa como catalizador) para formar una nueva sustancia llamada luciferasa oxidada. La energía necesaria para que se produzca la reacción proviene de una sustancia que los bioquímicos llaman Trifosfato de adenosina (ATP). Una vez formada la luciferasa oxidada, esta se descompone espontáneamente y se regenera la luciferina inicial y el oxígeno, y el exceso de energía que fue facilitada por el ATP es liberada en forma de luz. Solicíteles a sus estudiantes que respondan las siguientes preguntas a partir de la lectura efectuada:  ¿Qué piensas que sucedería sin la enzima luciferasa?  ¿Cuál es la función, que consideras, que poseen las enzimas? ¿Qué es un catalizador?  Investiga en qué otros fenómenos o procesos químicos se observa la presencia de catalizadores ¿Qué efectos tienen sobre las reacciones químicas?  Investiga lo siguiente. ¿Qué efecto tienen cada uno de los siguientes factores en la velocidad de reacción: Cambios en la concentración, cambios en la temperatura, el estado físico de los reactivos químicos y su naturaleza, y la presencia de catalizadores? RESUMEN Cinética química: Su fin principal es determinar el Constante de velocidad: Presenta el símbolo k. Es la mecanismo de las reacciones químicas mediante el constante que aparece en la ley que expresa la estudio de la velocidad en distintas condiciones (la velocidad de una reacción química en función de la temperatura, concentración, etc.). concentración de las especies que intervienen. 198

CINÉTICA QUÍMICA Química Enzima: Proteína que ejerce como catalizador en las potencias a la que se eleva las concentraciones es el reacciones biológicas químicas. orden total de la reacción. Orden de reacción: En la expresión de la ecuación de Velocidad de reacción: Cantidad de sustancia que se velocidad de una reacción química, la suma de las consume o se produce por unidad de tiempo. Si desea enriquecer más su conocimiento, consulte: 1. Andalucía Innova (2011) 100 Preguntas, 100 Respuestas. Especial Ciencia Cotidiana. Junta. Consultado en octubre 2011 de http://www.andaluciainvestiga.com/revista/pdf/100p100cienciacotidianaweb.pdf 2. Chang. R., W. College (2002) Química. Séptima Edición. Colombia. McGraw-Hill Interamericana Editores, S.A. de C.V. 3. Doria, M., J. Ibáñez, R. Mainero(et al) (2009) Experimentos de química en microescala para nivel medio superior. Universidad Iberoamericana. México. 4. Educarchile. El portal de la educación (s/f) Cinética química y la Velocidad de reacción. Consultado en octubre de 2011en http://www.educarchile.cl/Userfiles/P0001/File/velocidad_de_reacc_estudi.pdf 5. Educarchile. El portal de la educación (s/f) Cinética química. Fichas temáticas. Consultado en diciembre de 2011en http://www.educarchile.cl/Portal.Base/Web/VerContenido.aspx?ID=133178 6. Kotz, J., P. Treichel, P. Harman (2003) Química y reactividad química. Quinta Edición. México. Thomson. 7. Saavedra, G.(s/f) Velocidad de reacción. Facultad de Agronomía. Universidad de Concepción. Consultado en octubre de 2011en http://www.ciencia-ahora.cl/Revista13/VelocidadReaccion.pdf 8. Ramos, T. (2009) Factores que modifican la velocidad de una reacción. CESLAS. Nivel Secundario. Colegio Ignacio Zaragoza. Consultado en octubre de 2011en ancyriosceslas09.blogspot.com/2009/07/factores-que- modifican-la-velocidad-de.html 9. RENa (2008) Reacciones químicas. Velocidad de las reacciones químicas. Catalizadores. Red Escolar Nacional. Ministerio del Poder Popular para Ciencia, Tecnología e IndustriasIntermedias. Consultado en octubre de 2011en http://www.rena.edu.ve/TerceraEtapa/Quimica/ReaccionesQuimicas.html 10. Silberberg, M. (2000) Química General. Segunda Edición. McGraw-Hill Interamericana Editores, S.A. de C.V. México. 11.Vaquero, M. (2008) Velocidad de las reacciones químicas y concentración. Recursos de Ciencias para la enseñanza en secundaria, apuntes, webquest, proyectos científicos, descargas, simulaciones.Consultado en octubre de 2011en http://www.deciencias.net/simulaciones/quimica/reacciones/concentra.htm 199

CINÉTICA QUÍMICA Química ACTIVIDAD EVALUADORA 1. De los enunciados siguientes, especifica ¿uál o 10-4 mol/L. La constante de velocidad es 1.9 L/ cuáles son los correctos? (mol • h). a. En cualquier reacción química, al duplicar la concentración de uno de los reactivos, se ha 6. Desarrolla lo que se le solicita a continuación: de duplicar la velocidad de reacción. Balancee la siguiente ecuación y exprese la b. En la mayoría de las reacciones, la velocidad velocidad en términos de los cambios de la aumenta al aumentar la temperatura. concentración respecto al tiempo para cada c. Los catalizadores no modifican la expresión de sustancia: la velocidad de las reacciones químicas. d. Los catalizadores siempre van a aumentar la + velocidad de reacción. 7. Considera la reacción siguiente: 2. De los enunciados, indica las correctas: a. El valor de la constante de la velocidad será + independiente de la temperatura. b. El orden total de una reacción química será Suponiendo que, en un momento en particular en siempre la suma de todos los coeficientes la reacción, el óxido nítrico (NO) reacciona a la estequiométricos de los reactivos que están velocidad de 0.066 mol/ (L • s). a) ¿Cuál es la en la ecuación química. velocidad de formación del NO2? b) ¿Cuál es la c. El orden total de cualquier reacción química velocidad a la que reacciona el oxígeno? c) ¿Qué ha de ser siempre un número entero. tan rápido decrecerá la [ ] cuando la [ ] d. La constante de velocidad de una reacción, es disminuye a 1.60 mol/ (L • s)? la misma para varios pasos elementales, en el mecanismo de reacción. 8. ¿Qué entiendes por orden de reacción? Escribe una ecuación de velocidad de reacción y luego 3. Si se desea que el proceso de reacción entre la identifique en ella, qué significa cada término de sustancia A y B, sea rápido, siendo A un sólido y B la expresión. disuelto en agua, indica cuáles de entre las siguientes medidas deberás adoptar: 9. El monóxido de carbono se quema generando a. Enfriar el sistema. b. Pulverizar A y añadir exceso de B. dióxido de carbono: c. Disminuir la concentración de B. d. Transmitir calor al sistema. + 4. Explica por qué se oxidan más rápidamente las Si [CO] y [O2] son de 0.02 mol/L y la velocidad de tienen limaduras de hierro que un clavo. reacción es de 3.68x 10-5moles/ (L x min): 5. Usando la ecuación de velocidad, determina la a. La expresión general para la ley de velocidad velocidad de la reacción de CO y NO2, a 540K, cuando [CO] = 3.8 x 10-4mol/L y [NO2] = 0.650 x para esta reacción es [ ][ ]. Por lo tanto, determine el valor de la constante de velocidad y especifique sus unidades. b. ¿De qué orden es la reacción con respecto al CO? c. ¿Cuál es el orden general de la reacción? 200

Lección 15. ESTEQUIOMETRÍA CONTENIDOS 1. Concepto de estequiometría. 2. Leyes ponderales. 3. Ecuaciones químicas. 4. Cálculos estequiométricos. INDICADORES DE LOGRO ¿POR QUÉ ES IMPORTANTE? 1. Describe el significado de las leyes ponderales. A lo largo del día, contamos y medimos 2. Escribe de manera correcta una ecuación constantemente diferentes tipos de objetos, como cuando cocinamos, compramos, trabajamos, etc. En química balanceada utilizando el método del química, es importante poder cuantificar, con la tanteo. mayor exactitud, la cantidad de productos que se 3. Describe e interpreta la información que indica pueden obtener a partir de la materia prima que se una ecuación química balanceada. ingresa a un determinado proceso. Solo de esta 4. Realiza cálculos estequiométricos utilizando las manera puede hacerse más eficiente la labor de todas cantidades indicadas en una ecuación química las empresas que desarrollan procesos químicos. balanceada. PALABRAS CLAVE DESCRIPCIÓN Estequiometría, leyes ponderales, ecuación química La lección inicia definiendo qué es la estequiometría y balanceada, método del tanteo, factor de conversión, su utilidad, para luego explorar sus bases en las tres mol. leyes ponderales. Después, se retoma el tema de las ecuaciones químicas, específicamente, su balanceo mediante el método del tanteo. Finalmente, se utiliza la información proporcionada por una ecuación balanceada para realizar cálculos estequiométricos.

ESTEQUIOMETRÍA Química 1. CONCEPTO DE ESTEQUIOMETRÍA 2. LEYES PONDERALES El hallazgo de un instrumento de medición, la La estequiometría, palabra que se deriva del balanza, y su aplicación de forma sistemática a la griego stoicheion, que significa “elemento”, y investigación de las transformaciones químicas por metron, “medida”, es la rama de la Química parte del químico francés Antoine-Laurent Lavoisier que se encarga del estudio de las relaciones (1743-1794), propiciaron el descubrimiento de las cuantitativas entre elementos y compuestos dentro leyes de las combinaciones químicas y el de una reacción química. El estudio de estas establecimiento de la química como ciencia. relaciones tiene como base el mol, estudiado en la Las leyes ponderales, son una expresión clara de esa Lección 4, definido como la cantidad de una necesidad de encontrar las regularidades en los sustancia que contiene tantas entidades elementales fenómenos y utilizar este conocimiento para (átomos, moléculas, iones, electrones u otras aprovechar mejor las reacciones químicas. partículas) como átomos hay exactamente en 12 g de carbono 12, es decir, aproximadamente igual a ACTIVIDAD 1. (Tiempo aproximado: 30 minutos) 6.02 x 1023. ¿CAMBIA EL PESO? Sin embargo, sus estudiantes se preguntarán ¿para qué nos sirve la estequiometría? Materiales Una botella de plástico de 350 mL, un globo, una tableta En la Lección 4, se pudo constatar que diariamente antiácida o un sobre de antiácido (efervescente); 100 mL de utilizamos cantidades de sustancias químicas y se agua, un recipiente medidor de volúmenes de cocina y una señaló cómo traducir esas cantidades en unidades balanza. químicas. Además, se instruyó lo que indican las fórmulas químicas y cómo utilizar esta información Procedimiento tal como lo hacen los profesionales en las industrias 1. Pesar cada uno de los materiales individualmente. y en los laboratorios. Estas cantidades son 2. Medir 100 mL de agua con el medidor de volúmenes, importantes pues se puede saber la cantidad de sustancia por obtener a partir de la materia prima pesarlos en la balanza y depositarlos en la botella. con la que se inicia un proceso químico. 3. Partir en trozos pequeños la tableta y ponerlos dentro del No obstante, en los primeros tiempos de la Química, globo. la mayoría de los fenómenos estudiados solo se 4. Colocar el globo cuidadosamente, sin dejar caer el describían indicando cuáles reactivos eran necesarios y cuáles productos se esperaban de una antiácido, en la boca de la botella. reacción. Con el paso de los años y la aparición del 5. Pesar en la balanza todo el dispositivo y anotar el valor método científico experimental, se fue haciendo necesario medir, contar y calcular (cuantificar) con la obtenido (como la imagen de abajo). mayor exactitud posible, cuáles productos y en qué 6. Retirar el dispositivo de la balanza, levantar el globo y cantidad podían obtenerse de unos determinados reactivos. Para el conocimiento químico, fue dejar caer el antiácido en el agua hasta considerar que se determinante conocer qué relación existe entre las detuvo la reacción. cantidades de las sustancias que intervienen en una 7. Volver a pesar el dispositivo y anotar el peso. reacción, desde el punto de vista cuantitativo. Pregúnteles: ¿por qué se infla el globo? ¿Por qué creen que el dispositivo pesa lo mismo antes y después de la reacción química? Pesaje de dispositivo sobre balanza granataria. 202

ESTEQUIOMETRÍA Química Ley de la conservación de la masa (Ley de Lavoisier) independientemente de la forma de su preparación, Como se mencionó anteriormente, fue Lavoisier los elementos intervienen en proporciones fijas y quien, mediante experimentos, midió la masa de las constantes. Así, cuando dos elementos forman un sustancias antes, durante y después de una reacción compuesto, una cantidad dada de uno de ellos se específica (combustión). Con sus experimentos sentó combinará con una cantidad definida del otro, pues las bases de la química moderna, al incorporar a la si lo hicieran de diferente manera estarían formando observación herramientas para medir otro compuesto. cuidadosamente lo que sucede durante el proceso de los fenómenos químicos. Fruto de sus Ley de las proporciones múltiples (ley de Dalton) observaciones logró enunciar la importante ley de la Dalton, en 1808, concluyó que: conservación de la masa, que se expresa de la siguiente manera: Dos elementos pueden combinarse entre sí en más de una proporción para dar compuestos distintos. En En cualquier reacción química que ocurra en un ese caso, determinada cantidad fija de uno de ellos sistema cerrado, la masa total de las sustancias se combina con cantidades variables del otro existentes se conserva. O lo que es lo mismo: en una elemento, de modo que las cantidades variables del reacción química la masa de los reactivos (sustancias segundo elemento guardan entre sí una relación de de partida) es la misma masa que la de los productos números enteros sencillos. (sustancias finales). El gas natural está compuesto principalmente de Puede pedirles a los estudiantes que apliquen esta metano (CH4), pero también se compone de etano ley a la Actividad 1. (C2H6), propano (C3H8) y butano (C4H10). Note que en el metano el peso de carbono es: 12.0 gramos; el Ley de las proporciones constantes o definidas (ley etano suma 24.0 gramos de carbono, el propano de Proust) 36.0 gramos y el butano 48.0 gramos. Se puede ver Al cuantificar la materia es importante saber si un entonces que en el etano la masa correspondiente al cierto compuesto está constituido por los mismos carbono es el doble de la masa presente en el elementos y en qué proporción están. La ley de metano. Así, la del propano es el triple y la del Proust responde a estas interrogantes. Proust llegó a butano es el cuádruple; diciéndolo sintetizado: la conclusión que: números enteros sencillos. Cuando se combinan químicamente dos o más 3. ECUACIONES QUÍMICAS elementos para dar un determinado compuesto, Recordando la Lección 11, una ecuación química, es siempre lo hacen en una proporción fija, con un enunciado en fórmulas que expresan las independencia de su estado físico y forma de identidades y las cantidades de las sustancias obtención. presentes en el cambio físico o químico. El lado izquierdo de una ecuación muestra la cantidad de De lo anterior se deduce que esta SOLO SE PUEDE cada sustancia presente antes del cambio y el lado APLICAR cuando estemos comparando masas de derecho muestra las cantidades presentes después DOS elementos para formar el MISMO COMPUESTO. del cambio. Por ejemplo, en el metano (CH4), Para que una ecuación represente estas cantidades independientemente de la cantidad de carbono e exactamente, debe estar balanceada; esto es, el hidrógeno disponible para reaccionar, cuando se mismo número de cada tipo de átomo debe forma dicha molécula, siempre lo harán cuatro aparecer en ambos lados de la ecuación. Este átomos de hidrógeno por cada uno de carbono, es requisito es una conclusión directa de la ley de la decir, en un compuesto químico, 203

ESTEQUIOMETRÍA Química conservación de la masa y de la teoría atómica, el proceso a una ecuación siguiendo las reglas de vistos en el apartado anterior y que podemos los números de oxidación de la Lección 9: resumir de la siguiente manera:  En un proceso químico, los átomos no pueden ser _ generados, destruidos o cambiados, solo Verifique que todos los estudiantes hayan reordenados en distintas combinaciones. escrito bien la ecuación. Explíqueles que el  Las fórmulas de los compuestos representan guion bajo indica dónde se escribirá el proporciones fijas de los elementos que los coeficiente. componen, así que una proporción diferente 2. Balanceo de los átomos. Este paso requiere representa un compuesto diferente. observar ambos lados de la ecuación para hacer coincidir el número de cada tipo. Indíqueles que: ACTIVIDAD 2. (Tiempo aproximado: 45 minutos)  Deben iniciar con la sustancia más compleja, aquella que tenga la mayor cantidad de átomos BALANCEANDO o de diferentes tipos de átomos o seleccionar un compuesto que contenga el átomo de un A medida desarrolla el contenido Balanceo de ecuaciones elemento que se repita en la mayoría de las por tanteo, llevará a cabo esta actividad con el sustancias que intervienen. estudiantado. Para ello puede formar grupos de dos a  Asignar a la fórmula del compuesto cuatro integrantes. seleccionado un coeficiente tal que logre igualar el número de átomos del elemento en Materiales reactantes y productos. Dicho coeficiente debe Cinco bolitas de durapax pintadas de verde, cinco bolitas ser el menor posible y afecta a todos los de durapax pintadas de rojo, un pliego de cartulina, tabla elementos incluso a los índices. periódica, tirro, navaja, cuaderno de apuntes y lápiz.  Repetir el procedimiento anterior con los átomos de los elementos hasta que la ecuación Indíqueles que deben partir las bolitas de durapax por la esté balanceada. mitad, intentando dejarles una superficie lisa ya que,  Deben terminar con la menos compleja, como servirá para pegarlas a la cartulina. un elemento individual. Balanceo de ecuaciones por tanteo Pregúnteles si han identificado qué sustancia es Escriba a sus estudiantes la siguiente descripción en la más compleja (MgO) y cuál es la menos la pizarra: compleja (Mg) y verifique que todos estén de Una tira de magnesio al reaccionar con el oxígeno acuerdo, proponiendo el orden en el cual harán del aire produce un polvo llamado óxido de el balanceo: primero el MgO, después el O2 y magnesio (MgO). finalmente el Mg. Coménteles que también producen luz y calor (luz Al balancear por el método del tanteo, se blanca de algunos fuegos artificiales), pero para prueba con diferentes coeficientes por realizar el balanceo de la ecuación solo nos exploración o “tanteo” hasta encontrar o interesan las sustancias presentes en la reacción. acertar con el valor que permita hacer coincidir Luego explíqueles que para realizar el balanceo hay el número de cada tipo de átomo a ambos lados ciertos pasos, y que, a medida se los vaya indicando, de la ecuación. ellos deben ir realizándolos en la cartulina, de acuerdo con la Actividad 2. 1. Traducción del proceso. Si la reacción es descrita y no se presenta como ecuación, hay que traducir 204

ESTEQUIOMETRÍA Química Para ello, se inicia con el coeficiente más bajo, estudiantes para escribir los estados físicos en los el 1 o un coeficiente tal que logre igualar el que se encuentran las sustancias, realizando las número de átomos del elemento en reactantes siguientes preguntas: ¿en qué estado de la y productos, como lo indica el segundo literal. materia se encuentra el Mg cuando se indica que Indíqueles que, usando el lápiz y las mitades de hay “una tira de magnesio”?; si el oxígeno está en las bolas de colores, escriban antes del MgO el el aire, ¿cuál es su estado?; si el MgO que se coeficiente 1 y sobre el símbolo de cada produce es polvo, ¿cuál es su estado? elemento en el compuesto, coloquen una bolita por el número de átomos que hay de cada uno. Por tanto la ecuación balanceada sería: Lo que obtendrán será similar a esto: () () () Luego, realizar los mismos pasos para el oxígeno Cuando el coeficiente es 1 no se indica en la y el magnesio de acuerdo al orden ecuación. anteriormente planteado y no olvidando que deben multiplicar el coeficiente por el subíndice Puede sugerir otras reacciones para continuar la de cada átomo: actividad. Por ejemplo, escriba la ecuación balanceada de la reacción entre el cloruro de Esto indica que en los reactivos hay un átomo hidrógeno y el oxígeno de la cual se obtiene agua de magnesio y dos de oxígeno y en los líquida y cloro. productos uno de magnesio y uno de oxígeno. Tomando en cuenta las indicaciones anteriores Pregúnteles ¿Están balanceados todos los puede resolver: átomos? ¿Por qué? ¿Qué coeficiente hay que cambiar para balancear todos los elementos? _HCl(g) + _O2(g)  _H2O(l) + _Cl2(g) _HCl(g) + _O2(g)  1H2O(l) + _Cl2(g) Dado que es preferible trabajar con números 1HCl(g) + 1O2(g)  1H2O(l) + 1Cl2(g) enteros, podrían ajustar (cambiar) el coeficiente del Mg y del MgO, ya que ambos se alteran de HCl(g) + O2(g)  2H2O(l) + Cl2(g) igual manera, por el número que sigue, es decir, 4HCl(g) + O2(g)  2H2O(l) + 2Cl2(g) el 2: Otras recomendaciones al balancear una ecuación 3. Comprobación. Después de balancear y ajustar serían: los coeficientes, siempre hay que asegurarse que  El coeficiente opera sobre todos los átomos de la la ecuación está balanceada: fórmula después de él, en otras palabras, que se () () multiplica por cada uno de ellos y de sus subíndices, como se aprendió en la Lección 11. 4. Especificaciones de los estados de la materia. La  Al balancear ecuaciones no deben alterarse las ecuación final también debe indicar el estado fórmulas químicas. físico de cada sustancia. Recordando la Lección 11  No se deben agregar otros reactivos o productos y el enunciado al inicio de la actividad, guíe a sus para balancear la ecuación, porque esto representa una reacción química diferente. 4. CÁLCULOS ESTEQUIOMÉTRICOS Una ecuación balanceada contiene información cuantitativa relacionada con las sustancias 205

ESTEQUIOMETRÍA Química individuales; en otros términos, las cantidades de los 1 mol de C3H8 es equivalente estequiométricamente reactivos y los productos involucrados en términos a 4 moles de H2O de moles, + + C3H8 5 3C 4H m l C3H8 5 m l 3m l C m lé l C3H8 5 m lé l 3 m lé l 4m l H H 3 .03 C C 4 m lé l 44.09 C3H8 60 7 .06 H Figura 1. Información obtenida a partir de la ecuación balanceada de la combustión del gas propano. que pueden ser traducidos a términos de moléculas De igual manera: o de masa (ver Lección 4).Si conoce el número de 3 moles de CO2 son equivalentes moles de una sustancia, la ecuación balanceada le estequiométricamente a 4 moles de H2O indica el número de moles de todas las otras en la 5 moles de O2 son equivalentes reacción (Fig. 1). estequiométricamente a 3 moles de CO2 Dicho de otra manera, el número de moles de una Así sucesivamente. sustancia es equivalente estequiométricamente al número de moles de cualquier otra sustancia en la Este tipo de equivalencias se usan para crear ecuación balanceada. Para ser más claros, el término factores de conversión. Estos puede obtenerlos con equivalente estequiométricamente significa que una ayuda de sus estudiantes (Tabla 1). cantidad definida de una sustancia se forma, produce o reacciona con una cantidad definida de Tabla 1. Factores de conversión (relaciones estequiométricas) otra. para la reacción de combustión del propano 1. 2. Considerando la reacción de la figura 1, puede 3. 4. observar que: 6. 5. + 8. 1 mol de C3H8 reacciona con 5 moles de O2 1 mol de C3H8 produce 3 moles de CO2 7. 1 mol de C3H8 produce 4 moles de H2O Por tanto, en esta reacción: 9. 10. 1 mol de C3H8 es equivalente estequiométricamente 11. 12. a 5 moles de O2 1 mol de C3H8 es equivalente estequiométricamente a 3 moles de CO2 206

ESTEQUIOMETRÍA Química Utilizando los factores de conversión anteriores, resuelva junto con sus estudiantes los siguientes problemas que representan la variedad de cálculos estequiométricos que pueden efectuarse. Retomando la información que indica la ecuación de la figura 1 y recordando las igualdades y/o factores de conversión que aprendió a obtener en la Lección 4, resuelva con ayuda de los estudiantes los problemas planteados en la Lección. PROBLEMA 1. Cálculos mol-mol a. ¿Cuántos moles de O2 son consumidos cuando se producen 10 moles de H2O? Indíqueles que deben iniciar con el dato que se les ha dado, en este caso, los 10 moles de agua y que deben buscar un factor de conversión que les permita pasar de moles de agua a moles de oxígeno, para el caso la # 9. 0m l H × 5m l H 4m l = .5 m l nm b. ¿Cuántos moles de CO2 se producen a partir de 3 moles de C3H8? Utilizando el factor #4 podrán resolver de la siguiente manera: 3m l C3H8 × 3 m l C m l C3H8 =9m l C p PROBLEMA 2. Cálculos gramo-mol a. ¿Cuántos gramos de C3H8 reaccionan con 1.2 moles de O2? El P.M del C3H8 es 44g/mol . ml × ml C3H8 × 44.09 C3H8 = 0.58 C3H8 5m l ml C3H8 b. ¿Cuántos moles de H2O se obtienen a partir de 3 g de C3H8? 3 C3H8 × m l × 4m l H = 0. 7m l H 44.09 ml C3H8 C3H8 207

ESTEQUIOMETRÍA Química PROBLEMA 3. Cálculos gramo-gramo a. ¿Cuántos gramos de O2 se requieren para obtener 7 g de CO2? El PM del O2 es 32 g/mol y el PM del CO2 es 44 g/mol 7 C × m l C × 5m l × 3 .0 = 8.48 44.0 C 3m l m C l b. ¿Cuántos gramos de CO2 se obtienen si ya se produjeron 10 g de H2O? El PM del H2O es 18.015 g/mol 0 H × ml H × 3m l C × 44.0 l C = 3.05 C 8.0 5 H 4m l H m C ¿Producir mucho CO2 ayuda al efecto invernadero? El dióxido de carbono (CO2) es un gas presente de manera natural en la atmósfera y que está relacionado con los procesos vitales. Los seres vivos cuando respiramos, “quemamos” las materias orgánica con el oxígeno atmosférico y desprendemos CO2, pero las plantas verdes toman este gas y con ayuda de la luz lo transforman en materia orgánica, que nos sirve de alimento a los seres heterótrofos. Ahora bien, el dióxido de carbono también se produce cuando se queman materias carbonadas, como el carbón, la madera o los combustibles fósiles (gases licuados del petróleo, gas natural, gasolina). Si su emisión no se ve compensada adecuadamente por su fijación, aumentaría su concentración (cantidad) en la atmósfera y contribuiría al calentamiento del planeta, ya que este no permite a la radiación infrarroja disiparse provocando el “efecto invernadero” (calentamiento de la atmósfera), pues es el segundo gas atmosférico, tras el vapor de agua, que contribuye a dicho fenómeno. En la actualidad, se mide este y otros gases que contribuyen al efecto invernadero utilizando la estequiometría para calcular la llamada “huella de carbono”, que es una manera de cuantificar la cantidad de emisiones de gases invernadero, medidas en emisiones de CO2 equivalente, que son liberadas a la atmósfera debido a nuestras actividades cotidianas (transporte, alimentación, etc.) o a la comercialización de un producto (consumir energía, etc.) 208

ESTEQUIOMETRÍA Química RESUMEN Balanceo de ecuaciones: Consiste en colocar los coeficientes (número de moléculas) necesarios para que el número total de átomos de cada elemento sea el mismo a ambos lados de la ecuación. Ecuación química: Representación simbólica de una reacción química. Estequiometria: Se refiere a la conversión entre moles y gramos de reactivos y productos que se consumen, se producen respectivamente o ambos, en una reacción química. Factor de conversión (relación estequiométrica): Relaciones o proporciones existentes entre las distintas sustancias que intervienen en la reacción química. Leyes ponderales: Leyes generales que rigen las combinaciones químicas. Se basan en la experimentación y miden cuantitativamente la cantidad de materia que interviene en las reacciones químicas. Método del tanteo: Consiste en intentar con varios coeficientes hasta encontrar el que deje a la ecuación balanceada. Mol: Es la cantidad de sustancia que contiene 6.022 x 1023 entidades elementales de dicha sustancia. Si desea enriquecer más su conocimiento, consulte: 1. Instituto de Educación Secundaria I.E.S. “Al-Ándalus”, Tema 1. Naturaleza de la materia. Consultado en octubre de 2011 de http://www.iesalandalus.com/joomla3/images/stories/FisicayQuimica/FQ1B/fq1bt1_naturaleza_materia. pdf 2. Instituto de Educación Secundaria I.E.S. “Al-Ándalus”, Tema 4. Reacciones químicas. Consultado en octubre de 2011 de http://www.iesalandalus.com/joomla3/images/stories/FisicayQuimica/FQ1B/fq1bt4_reacciones_quimicas .pdf 3. Mora, V., Cabrera, M., Salazar, J. (2010). Química 2: Bachillerato. México: ST Editorial. 4. Petrucci, R., Harwood, W., Herring, F. ( 2003). Química General. Madrid: Prentice Hall. 5. Sildeberg, M. (2002). Química. México: McGraw Hill. 209

ESTEQUIOMETRÍA Química ACTIVIDAD EVALUADORA 1. ¿Qué diferencia hay entre añadir un subíndice 2 al final de la fórmula de CO para dar CO2 y anteponer un coeficiente a la fórmula para dar 2CO? ¿A través de qué ley ponderal explica su razonamiento? 2. Escribe y balancea las siguientes reacciones químicas según corresponda: a. El metal cobre reacciona con los gases oxígeno, dióxido de carbono y vapor de agua para formar el carbonato de cobre básico, Cu2(OH)2CO3, compuesto de color verde que aparece frecuentemente en las estatuas de bronce expuestas a la intemperie. b. NH3 (g)  H2 (g) + N2 (g) c. Al calentar piedra caliza (CaCO3), esta se descompone en óxido de calcio y gas dióxido de carbono. d. P4 (s)  O2 (g)  P4O10 (s) e. Al(s)  HCl(ac)  AlCl3 (ac)  H2 (g) 3. Escribe la ecuación correspondiente a la siguiente reacción si, las bolas azules representan al elemento nitrógeno; las rojas, al oxígeno y las blancas, al hidrógeno: + + Luego: a. Balancea la ecuación. b. Escribe la información que puede obtener a partir del literal a (similar a la Figura 1). c. Escribe todas las relaciones estequiométricas posibles. 4. El mineral de hierro Fe2O3 es impuro. Cuando se calienta con un exceso de carbono (coque), se obtiene el metal hierro y el gas monóxido de carbono. A partir de esta información obtenga: a. La ecuación balanceada. b. Los moles de hierro producidos a partir de 5 moles de Fe2O3. c. Los gramos de Fe2O3 que reaccionan con 8 moles de coque. d. Los moles de coque necesarios para obtener 20 g de monóxido de carbono. e. Los gramos de Fe2O3 que reaccionaron para formar 100 g de hierro. 210

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