Reacciones químicas y ecuaciones químicas

Una ves que se ha estudiado la masa de los átomos y de las moléculas, se analizará que los sucede en una reacción química, un proceso en el que una sustancia (o sustancias) cambia para formar uno o más sustancias nuevas. Con el objeto de comunicarse entre si, con respecto a las reacciones químicas, los especialistas en la materia, han desarrollado una forma estándar para representarlas en medio de ecuaciones químicas. Una ecuación química utiliza simbolos químicos para mostrar que sucede durante una reacción química.

Ejemplos de ecuaciones para reacciones químicas.

Determinación experimental de fórmulas empíricas

El hecho de que sea posible determinar la fórmula empírica de un compuesto conociendo su composición porcentual, permite identificar experimentalmente los compuestos. El procedimiento es el siguiente. Primero, el análisis químico indica el número de gramos de cada elemento presente en una determinada cantidad del compuesto. Después, las cantidades en gramos se convierten a números de moles. Por ultimo se determina la formula empírica como muestra el siguiente ejemplo.

Considere el compuesto etanol. Cuando el estanol se quema en un aparato se forma dióxido de carbono (CO2) y agua (H2O). Debido a que el gas del aparato no contiene carbono ni hidrógeno, se concluye que tanto el carbono (C) como el hidrógeno (H) estaban presentes en el etanol y que también podría haber oxígeno (O). (El oxígeno molecular se agrego en el proceso de combustión, pero parte del oxígeno también puede provenir de la muestra original de etanol).

Las masas de CO2 y H2O producidas pueden determinarse midiendo el aumento en la masa de los abserbentes de CO2 y H2O, respectivamente.Suponga que en un experimento la combustión de 11,5 g de etanol produjo 20,0 g de CO2 y 13,5 g de H2O. Se puede calcular la masa de carbono e hidrógeno en la muestra original de 11,5 g de etanol como sigue:

 Masa de C = 22.0 g de CO2 x(1 mol de CO2/ 44,01 gCO2)x(1mol C/1mol CO2)x(12,01g C /1molC)
                   = 6,00 g C

Masa de H = 13,5 g de H2O x(1mol H2O/12,02g H2O)x(2mol H/1mol H2O)x(1,008g H/ 1mol H)
                  = 1,51 g H

Asi, 11,5 g de etanol contienen 6,00 g de carbono y 1,51 g de hidrógeno. El resto debe ser oxígeno, cuya masa es:

Masa de O = masa de la muestra - (masa de C + masa de H)
                  = 11,5 g - (6,00 g + 1,51 g)
                  = 4,0 g

El número de moles de cada uno de los elementos presentes en 11,5 g de etanol es

Moles de C = 6,00 g C  x (1molC/12,01g C) = 0,500 mol C

Moles de H = 1,51 g H x (1molH/1,008g H) = 1,05 mol H

Moles de O = 4,0 g O x (1molO/16,00g O) = 0,25 mol O

Por lo tanto, la fórmula empírica del etanol es C0,5H1,5O0,25 (el número de moles se redondea a dos cifras significativas). Debido a que el número de átomos debe ser un entero, los subíndices se dividen entre 0,25, que es menor de ellos, y se obtiene la fórmula empírica C2H6O.

Ahora se entiende mejor la palabra "empírica", que literalmente significa "basada solo en la observación de mediciones". La fórmula empírica del etanol se determina por el análisis del compuesto en función de los elementos que lo forman. No es necesario conocer como se encuentran unidos los átomos entre sí en el compuesto.

Composición porcentual de los conpuestos

La fórmula de un compuesto indica el número de átomos de cada elemento presente en cada unidad del compuesto. Sin embargo, suponga que se necesita verificar la pureza de un compuesto para usarlo en un experimento de laboratorio. A partir de la fórmula es posible calcular el porcentaje con que contribuye cada elemento a la masa total del compuesto. De esta manera, comparandolo con el resultado de la composición porcentual obtenida experimentalmente con la muestra, se determina la pureza de la misma.

La composicón porcentual en masa es el porcentaje en masa de cada elemento presente en un compuesto. La composición porcentual se obtiene al dividir la masa de cada elemento contenido en 1 mol del compuesto entre la masa molar del compuesto y multiplicandolo por 100%. Matematicamente, la composición porcentual de un elemento en un compuesto se expresa como:

Composicion porcentual  = (n x masa molar de un elemento / masa molar del compuesto) x 100%

Donde n es el número de moles del elemento contenido en 1 mol del compuesto. Por ejemplo, en 1 mol del peróxido de hidrógeno (H2O2) hay 2 moles de átomos de H y 2 moles de átomos de O. Las masas molares de H2O2, H y O son 34,02 g, 1,008 g y 16,00 g, respectivamente. Por lo tanto, la composición porcentual del H2O2 se calcula asi:

%H = (2 x 1,008g / 34,02 g) x 100% = 5,925%

%O = (2 x 16,00 g / 34,02g) x 100% = 94,06%

La suma de los porcentajes es 5,926% + 64,06% = 99,99%. La pequeña diferencia respecto al 100% se debe al redondeo de las masas molares de los elementos.

El espectrómetro de masas

El método más exacto y directo para determinar masas atómicas y moleculares es la espectrometría de masas. En un espectrómetro de masas se bombardea una muestra en estado gaseoso con un haz de electrones de alta energía. Las colisiones entre los electrones y los átomos (o moléculas) en estado gaseoso producen iones positivos al liberarse un electrón de cada átomo o molécula. Estos iones positivos (de masa m y carga e) se aceleran al pasar entre dos placas con cargas opuestas. Los iones acelerados son desviados, por un imán, en una trayectoria circular. El radio de la trayectoria depende de la relación entre la carga y la masa (es decir e/m). Los iones con menor relacion e/m describen una curva con mayor radio que los iones que tienen una relacion e/m mayor, de manera que se pueden separar los iones con cargas iguales pero distintas masas. La masa de cada ión (y por lo tanto del átomo o molécula original) se determina por la magnitud de su desviación. Por último, los iones llegan al detector, que registra una corriente para cada tipo de ión. La cantidad de corriente que se genera es directamente proporcional al número de iones, de modo que se puede determinar la abundancia relativa de los isótopos.

El primer espectrómetro de masas, desarrollado en la década de 1920 por el físico inglés F. W. Aston resulta muy rudimentario hoy día. Aún así demostró, sin lugar a dudas, la existencia de los isótopos neón-20 (masa atómica 19,9924 uma y abundancia natural 90,92%) y neón-22 (masa atómica 21,9914 uma y abundancia natural 8,82%). Con el desarrollo de espectrómetros de masas más sofisticados y más sensibles, los científicos lograron descubrir que el neón tiene un tercer isótopo estable con una masa atómica de 20,9940 uma y una abundancia natural de 0,257%. Esto demuestra la gran importancia de la exactitud experimental en una ciencia cuantitativa como la química. Los primeros experimentos no detectaron el isótopo neón-21 debido a que su abundancia natural es de sólo 0,257%. En otras palabras, de 10.000 átomos de Ne, sólo 26 son de neón-21. La masa de lás moléculas se pueden determinar de manera similar, por medio del espectrómetro de masas.

 

Masa atómica promedio

Cuando se busca la masa atómica del carbono en una tabla periodica, se encontrara que su valor no es 12,00 uma, sino 12,01 uma. La razón de esta diferencia es que la mayoria de los elementos de origen natural (incluído el carbono) tiene más de un isótopo. Esto significa que al medir la masa atómica de un elemento, por lo general se debe establecer la masa promedio de la mezcla natural de los isótopos. Por ejemplo, la abundancia natural del carbono-12 y del carbono-13 es de 98,90 y 1,10% respectivamente. Se ha determinado que la masa atómica del carbono-13 es 13,00335 uma. Asi la masa atómica promedio del carbono se calcula como sigue:

Masa atómica promedio
del carbono natural = (0,9890)(12,0000 uma)+(0,0110)(13,0000 uma)
                              = 12,0 uma

Una determinación más exacta revela que la masa atómica del carbono es de 12.01 uma. Observe que en los cálculos que incluyen porcentajes, es necesario convertir los porcentajes en fracciones. Por ejemplo, 98,90% se transforma en 98,90/100 o 0,9890. Debido a que en el carbono natural hay muchos más átomos de carbono-12 que de carbono-13, la masa atómica promedio se acerca más a 12 uma que a 13 uma.

Es importante entender que cuando se dice que la masa atómica del carbono es 12,01 uma, se hace referencia a un valor promedio. Si los átomos de carbono se pudieran examinar en forma individual, se encontrarían átomos con masa atómica de 12,00000 o bien 13,00335 uma, pero ninguno de 12,01 uma.

Atomos, moléculas y iones

• La química moderna empezó con la teoría de Dalton, que establece que toda la materia está compuesta por partículas pequeñas e invisibles llamadas átomos; que todos los átomos del mismo elemento son idénticos; que los compuestos contienen átomos de diferentes elementos combinados en relación de numeros enteros, y que los átomos no se crean ni se destruyen durante las reacciones químicas (ley de la conservación de la masa).

• Los átomos  de los elementos que constituyen un compuesto particular siempre se combinan en la misma proporción en masa (ley de las proporciones definidas). Cuando dos elementos se combinan para formar mas de un compuesto, la masa del elemento que se combina con una cantidad fija de masa del otro elemento siempre es una relación de múmeros enteros pequeños (ley de las proporciones múltiples).

• Un átomo está constituído por un núcleo central muy denso, que contiene protones y neutrones, y por electrones que se mueven alrededor del núcleo a una distancia relativamente grande.

• Los protones están cargados positivamente, los neutrones no tienen carga y los electrones están cargados negativamente. Los protones y neutrones tienen aproximadamente la misma masa, que es alrededor 1.840 veces mayor que la masa del electrón.

• El número atómico de un elemento es el número de protones presentes en el núcleo de un átomo de ese elemento; determina su identidad. El núnmero de masa es la suma del número de protones y de neutrones presentes en el núcleo.

• Los isótopos son átomos de un mismo elemento, con el mismo número de protones pero diferente número de neutrones.

• En las fórmulas químicas se combinan los símbolos de los elementos que las forman, utilizando como subíndice números enteros para indicar el tipo y número de átomos contenidos en una unidad más baja de un compuesto.

• La fórmula molecular indica el número y tipo específico de átomos combinados en cada molécula de un compuesto. La fórmula empírica muestra la relación más sencilla de los átomos que forman una molécula.
• Los compuestos químicos pueden ser compuestos moleculares (en los que la unidad más pequeña son moléculas individuales discretas) o bien compuestos iónicos (en los cuales los iones positivos y negativos estan unidos por una atracción mutua). Los compuestos iónicos están formados por cationes y aniones, que se forman cuando los átomos pierden o ganan electrones, respectivamente.

• Los nombres de muchos compuestos inorganicos se deducen a partir de algunas reglas sencillas. Las fórmulas se pueden escribir a partir de los nombres de los compuestos.

Fórmulas empíricas

La fórmula molecular del peróxido de hidrógeno, sustancia que se utiliza como antiséptico y como agente blanqueador para fibras textiles y decolorante de cabello, es H₂O₂. Esta fórmula indica que cada molécula de peróxido de hidrógeno contiene dos átomos de hidrógeno y dos átomos de oxígeno. La relación de átomos de hidrógeno a átomos de oxígeno en esta molécula es de 2:2 o 1:1. La fórmula empírira del peróxido de hidrógeno es HO. En consecuencia, la fórmula empírica indica cuales elementos estan presentes y la relación mínima, en número entero, entre sus átomos, pero no necesariamente indica el número real de átomos en una molécula determinada. Como otro ejemplo, considere el compuesto hidrazina (_N2H₄), que se utiliza como combustible para cohetes. La fórmula empírica de la hidrazina es NH₂, La relación entre el nitrógeno y el hidrógeno es 1:2, tanto en la fórmula molecular (_N2H₄), como en la fórmula (NH₂), solo la fórmula molecular indica el número de átomos de N (dos) y de H (cuatro) presentes en una molécula de hidrazina.

Las fórmulas empíricas son las fórmulas quimicas más sencillas; se escriben de manera que los subíndices de las fórmulas moleculares se reduzcan a los númeors enteros mas pequeños que sea posible. Las fórmulas moleculares son las fórmulas verdaderas de las moleculas. Cuando los químicos analizan un compuesto desconocido, generalmente el primer paso consiste en la determinacion de la fórmula empírica.

Para muchas moléculas, la fórmula molecular y la fórmula empírica son la misma. Algunos ejemplos lo constituyen el agua (_H2O), el amoniaco (NH₃), el dióxido de carbono (CO₂) y el metano (CH₃).