Tarea y ejercitación de fisicoquímica de 3ro A
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Reactivos Productos  25 átomos 25 átomos Es más, como la materia no se crea ni se destruye, si existen determinados átomos en los reactivos, también dichos átomos deben aparecer en los productos. 10 átomos de oxígeno + 10 átomos de hidrógeno + 5 átomos de carbono 10 átomos de oxígeno + 10 átomos de hidrógeno + 5 átomos de carbono Entonces, ¿qué cambia de los reactivos a los productos? En toda reacción química lo único que cambia son las uniones entre los átomos que forman las moléculas de los reactivos. Cuando estos átomos se unen de otra forma decimos que ocurre una reacción química. Veamos que es lo que sucede en una reacción química. HCl + NaOH NaCl + H2O Esta representación de las reacciones químicas se conoce como ecuación química y está indicando que cuando una molécula de HCl se une con una de NaOH ambas reaccionan para formar una molécula de H2O y NaCl (recuerden que los compuestos formados por iones no se los llama moléculas sino compuestos iónicos). Primero observemos las estructuras de Lewis de los reactivos.     Ahora observemos las estructuras de Lewis de los productos.   Si observan con detalle verán que los mismos átomos están presentes en los reactivos y en los productos, pero lo que ha cambiado es la manera en que estos se unen.  PRIMER TEMA NUEVO estequiometría En el tema anterior pudimos sacar de conclusión que en toda reacción química los mismos átomos que intervienen en los reactivos se encuentran en los productos. Y no solamente son los mismos, sino que se encuentran en la misma cantidad. Existen varias preguntas que se tendrían que hacer ahora, pero la primera sería…¿Dónde hay reacciones químicas? Aunque también podrían preguntarse ¿Para qué me sirven a mi las reacciones químicas?... voy a tratar de explicarles estas preguntas. Reacciones químicas hay en todos lados, algunas muy evidentes y otras pueden pasar muy desapercibidas. Algunas reacciones químicas evidentes serían cuando prenden un fósforo, cuando queman un papel, cuando se colocan agua oxigenada en una herida, o cuando las chicas realizan una rica torta para sus novios o cuando los chicos comen esas ricas tortas disolviendo las mismas en la boca. Entre las reacciones químicas menos evidentes podemos nombrar a todas las que están ocurriendo ahora y no nos estamos dando cuenta…¿dónde?...dentro de ustedes mismos. Cada una de las células que forma el cuerpo de todos los seres vivos podríamos considerarlas como una bolsa donde dentro de ellas ocurren millones de reacciones químicas distintas. Es más…cada una de esas reacciones químicas es tan importante que algún defecto en una de ellas es muy probable que ocasione, en el sujeto, alguna enfermedad. Por ejemplo la carencia de cierta reacción química ocasiona la enfermedad celíaca, mientras que la cantidad desproporcionada de una reacción química anormal da como resultado el mal de Alzheimer. Pero más allá de las enfermedades, ocurren muchísimas reacciones químicas en nuestro cuerpo. La química que estudia todas las reacciones que ocurren dentro de los seres vivos se llama bioquímica. Nosotros nos vamos a abocar a ciertas reacciones sencillas que pueden ocurrir o no en los seres vivos. El conocimiento de las reacciones químicas es tan importante porque puede ser clave para entender y curar determinada enfermedad, aunque también puede ser muy importante para alguna empresa o industria que necesite tal reacción química. Por ejemplo, las gaseosas, los alimentos cocinados (facturas, galletitas etc…) y los alimentos enlatados están hechos a base de múltiples reacciones químicas altamente controladas. Cuando se ponen a la venta, estos productos siguen reaccionando hasta podrirse….salvo que le pongan conservantes. Estos conservantes detienen las reacciones químicas en el punto que los fabricantes deseen, y así poder venderlos. Claro está que los conservantes tienen un tiempo de vida y por eso todos los alimentos tienen fecha de vencimiento. Lo mismo ocurre con los medicamentos, prendas de vestir y con todo lo que rodea sus vidas: útiles, cosméticos, computadoras etc… Si bien esta introducción es medio extensa, considero que en estas 4 semanas que no nos vamos a ver van a tener tiempo de sobra como para leer este texto por lo menos 3 veces!!! Entonces….¿qué es la estequiometría?...para responder esa pregunta, primero se tendrían que haber dado cuenta que las reacciones químicas son muy importantes, y cuando digo muy importante e$toy diciendo que la$ reaccione$ química$ $on muy importante$. Y no, no es un error de tipeo. Las reacciones químicas mueven millones de dólares por día en todo el mundo y desgraciadamente el ser humano considera importante lo que genera plata. Pero eso es otro tema. Para conocer con exactitud cada reacción química, es necesario conocer cuantos átomos intervienen en dicha reacción. Y para conocer eso, es necesario saber cuantas moléculas se colocan en el lado de los reactivos y cuantas moléculas aparecerán en los productos. La estequiometría se encarga justamente de colocar las cantidades iguales de átomos entre los reactivos y los productos. ¿Y por qué es necesario conocer las cantidades justas de reactivos y productos? Por que en la naturaleza todas las reacciones químicas ocurren respetando la ley de conservación de la materia. En este punto, ustedes tendrían que ser capaz de nombrar que dice dicha ley. V  eamos un ejemplo: N2 + H2 NH3  Pueden ver una ecuación química que representa una reacción química que origina como producto amoníaco (NH3). Pero si miran bien…¿ocurrirá esta reacción tal como está escrita? Sí colocamos una molécula del gas nitrógeno junto con una molécula del gas hidrógeno ¿reaccionarán y aparecerá una molécula de amoníaco? La respuesta es no. Esta reacción, tal como está escrita no sucede acá ni en ninguna parte del universo. ¿Por qué no? Porque no respeta la ley de conservación de la materia. Entonces…ahí tenemos que decir “…oh…¿y ahora quien podrá defendernos?...” “…YO…LA ESTEQUIOMETRÍA…”. Hablando en serio, la estequiometría nos revelará como será la reacción justa. Veamos de nuevo la ecuación: N2 + H2 NH3 Vemos que del lado de los reactivos hay dos átomos de nitrógeno y dos átomos de hidrógeno, mientras que del lado de los productos sólo hay un átomo de nitrógeno y tres átomos de hidrógeno. El truco está en agregar más moléculas de un lado y del otro hasta que la cantidad de átomos sean iguales en ambos miembros. Empecemos: N2 + H2 NH3 Agreguemos una molécula más de amoníaco en los productos. N2 + H2 NH3 + NH3 Si se fijan bien, los átomos de nitrógeno están correctos a cada lado, pero los de hidrógeno no lo están. Entonces, ahora no modifiquemos los átomos de nitrógeno, pero si los de hidrógeno. N2 + H2 + H2 NH3 + NH3 Agregué una molécula del gas hidrógeno, pero todavía no están equilibradas las cantidades de los átomos de hidrógeno. Agreguemos otra más. N2 + H2 + H2 + H2 NH3 + NH3 Ahora si, los átomos de hidrógeno y nitrógenos en ambos lados de ecuación química están igualados. Por lo tanto se respeta la ley de conservación de la materia, y podemos afirmar que la reacción ocurre de esta manera. N2 + H2 + H2 + H2 NH3 + NH3    3 moléculas 2 moléculas 1 molécula Una vez que conocemos las cantidades exactas de las moléculas de los reactivos y los productos de forma tal que la cantidad de átomos en ambos miembros son iguales, se dice que la ecuación está balaceada estequiometricamente. La forma de colocar esta reacción balanceada sería la siguiente: N2 + 3 H2 2 NH3   Al escribir la ecuación de esta forma, los números delante de las moléculas se llaman coeficientes estequiométricos. Estos coeficientes indican la cantidad de moléculas, pero también nos da una idea acerca de la cantidad de átomos. Por ejemplo el 3 indica que existen tres moléculas de H2 y como cada molécula posee 2 átomos de hidrógeno podemos afirmar que del lado de los reactivos hay 6 átomos de hidrógeno ya que 3 por 2 es igual a 6. Lo mismo ocurre del otro lado. Veamos otro ejemplo de estequiometría: H2 + O2 H2O Esta ecuación muestra como se puede fabricar agua si se mezcla el gas hidrogeno junto con el gas oxígeno. De nuevo la pregunta es ¿cómo serán las cantidades justas de todas las moléculas? Entonces recurrimos a la estequiometría. En particular, al método del tanteo. O sea, vamos a “tantear” hasta encontrar las cantidades justas. Podemos ver que las cantidades de átomos de hidrógeno a cada lado son las mismas, pero no así con las de oxígeno. Entonces modifiquemos las moléculas que poseen oxígeno, por ejemplo el agua. H2 + O2 H2O + H2O Ahora tenemos dos átomos de oxígeno a cada lado de la ecuación, pero no están igualadas las cantidades de hidrógenos. Con una simple inspección nos podemos dar cuenta como igualarlas. H2 + H2 + O2 H2O + H2O Ahora si están todos los átomos en cantidades iguales, y podemos escribir los coeficientes estequiométricos: 2 H2 + O2 2 H2O Y ya hemos balanceado la ecuación. Ejercicio 1 Balancear las siguientes ecuaciones químicas N2 + O2 NO NO + O2 NO2 I2 + H2 HI C + O2 CO2 Na + O2 Na2O C2H4 + O2 CO + H2O CH4 + O2 CO2 + H2O CO2 + H2O C6H12O6 + O2 SEGUNDO TEMA NUEVO SÍNTESIS DE COMPUESTOS Ahora que ya comprenden lo que varía en una reacción química, vamos a ver distintos tipos de reacciones químicas. En este caso, vamos a clasificar las reacciones químicas de acuerdo al producto que se forma. En química la palabra “síntesis” significa “elaboración” o “fabricación”. De ahí el título. Como escribí en el párrafo anterior, existen muchas formas de clasificar las reacciones químicas, una de ellas en teniendo en cuenta el producto que se forma. Para conocer en detalle sobre este tema van a leer la fotocopia que ya deberían haber sacado y que se llama “síntesis de compuestos” (pero no realicen los ejercicios que se indican en dicha fotocopia). Luego de leerla continúen con la lectura de esta guía. Insisto, no sigan leyendo si no leyeron y entendieron mínimamente de que trata el tema. Habrán visto que la formación de un óxido básico tiene el siguiente esquema: Metal + gas oxígeno óxido básico Esto quiere decir que si hacemos reaccionar un metal junto con el gas oxígeno vamos a formar un producto el cual denominaremos óxido básico. De forma similar existen óxidos ácidos, hidrácidos, hidróxidos, oxoácidos y sales. Entonces, tenemos la siguiente clasificación de reacciones según el producto formado. Metal + gas oxígeno óxido básico No Metal + gas oxígeno óxido ácido No metal + gas hidrógeno hidrácido Óxido básico + agua hidróxido Óxido ácido + agua oxoácido Hidrácido + hidróxido sal + agua Oxoácido + hidróxido sal + agua Recuerden que:
Si bien al principio es probable que les parezca complicado, solamente con acordarse un par de nombres, después la cosa sale sola. Nunca les voy a pedir que se acuerden las reacciones de memoria, sino que puedan ver una molécula y sepan distinguirla y saber, por ejemplo, si es un oxoácido o un óxido básico. Ejercicio 2 Ahora si, realicen el ejercicio que dice “Balancear las siguientes ecuaciones e identificar el tipo de reacción, los reactivos y productos” de la fotocopia. No es obligatorio, pero el que lo desea y tiene vocación de médico, puede realizar el ejercicio que dice “Para pensar (aplicación clínica)” O TRO TEMA (como diría Santo Biasati)Ya sabemos que son las reacciones químicas y ya sabemos un tipo de clasificación de las reacciones químicas. Pero no podemos andar por la vida sin saber como llamar a los protagonistas de las reacciones químicas. Por eso el próximo tema es nomenclatura de los compuestos químicos. NOMENCLATURA Este tema seguro lo han visto el año pasado, y si no, no importa porque es fácil de aprender. Debido a la gran diversidad de compuestos químicos que existen, se han propuesto varias formas de llamarlos. Vamos a encontrar la nomenclatura tradicional, la nomenclatura por atomicidad y la nomenclatura por numerales de Stock. Además cada compuesto puede tener su propio nombre comercial. En definitiva, conviene tener un poco de paciencia y leer el siguiente tema mientras toman mate con sacarosa………o lo que es lo mismo….azúcar. Antes de empezar con el tema de nomenclatura conviene explicar un nuevo concepto: el número de oxidación. Cada átomo posee un número de oxidación. Este número de oxidación es una característica que le damos a los átomos para facilitar algunas cuestiones. Todos los átomos poseen un número de oxidación, y es un número entero, tanto positivo o negativo (por ejemplo 1,-3,5 etc). Acá va la definición de número de oxidación: el número de oxidación de un átomo en un compuesto es el número de electrones que pone en juego (que cede o que acepta) en la unión con otro átomo, ¿se entendió?...pasemos en limpio. Miremos el compuesto iónico NaCl, pero más precisamente, su estructura de Lewis: En este compuesto podemos observar que el átomo de cloro acepta un electrón del sodio, mientras que el sodio acepta un electrón. Teniendo en cuenta la definición de número de oxidación, es fácil decir que el número de oxidación del Na es +1 mientras que el número de oxidación del Cl es -1. En general, en los compuestos formados por iones es muy sencillo descubrir cual es el número de oxidación de cada átomo. Además, en una molécula, la suma de los números de oxidación de todos sus átomos tiene que dar cero. E n las moléculas covalentes, la situación puede complicarse un poquito. Miremos la estructura de Lewis de la molécula de agua. Vemos que el oxígeno intercambia 2 electrones, mientras que cada hidrógeno 1 sólo electrón. El número de oxidación del oxígeno siempre es -2, por lo tanto cada hidrógeno tendrá un número de oxidación de +1. Si realizan la cuenta: un átomo de oxígeno con número de oxidación -2, más dos átomos de hidrógeno con un número de oxidación de +1 ¿Cuánto es la sumatoria total?...cero. Existen algunas reglas fáciles para asignar el número de oxidación a un átomo:
Calculemos algunos números de oxidación más: MgO = Como el oxígeno siempre posee -2, el magnesio debe tener +2 ya que la sumatoria debe dar cero. HCl = El hidrógeno unido a un no metal posee +1 ya que está unido a un no metal, mientras que el cloro debe tener -1. NH3 = El hidrógeno unido a un no metal posee +1, entonces el nitrógeno debe tener -3 para que la sumatoria de cero. H2 = Como son dos átomos iguales, el número de oxidación es cero. N2O = El oxígeno tiene -2, entonces cada nitrógeno debe tener +1. Na(OH) = El oxígeno tiene -2 y el hidrógeno +1, por lo tanto el sodio debe tener +1. A continuación les muestro un cuadro que contiene los estados de oxidación más comunes de muchos átomos.
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