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.

Átomos y moléculas

El lenguaje que los químicos emplean para describir las formas de la materia y los cambios posibles en su composición se ecuentra en todo el mundo científco. Los símbolos químicos, las fórmulas y las ecuaciones aparecen en áreas tan diversas como son agricultura, economía doméstica, ingeniería, geología, física, biología, medicina y odontología. 

La palabra "estequiometría" deriva del griego stoicheion, que significa "primer principio o elemento", y metron, que quiere decir "medida". La estequiometría describe las relaciones cuantitativas entre los elementos en los compuestos (composición estequiométrica) y entre las sustancias cuando experimentan cambios químicos (estequiometría de reacción).

Aproximadamente 400 a.C., el filósofo griego Demócrito sugirió que toda la materia estaba formada por partículas minúsculas, discretas e indivisibles, a las cuales llamó átomos. Sus ideas fueron rechazadas durante 2000 años, pero a fines del siglo XVIII comenzaron a ser aceptadas.

En 1808, el maestro de escuela inglés, John Dalton, publicó las primeras ideas "modernas" acerca de la existencia y naturaleza de los átomos. Resumió y amplió los vagos conceptos de antiguos filósofos y científicos. Esas ideas forman la base de la teoría atómica de Dalton, que es de las más relevantes dentro del pensamiento científico. Los postulados de Dalton se pueden enunciar en la siguiente forma condensada:

1. Un elemento está compuesto de partículas pequeñas e indivisibles llamadas átomos.
2. Todos los átomos de un elemento dado tiene propiedades idénticas, las cuales difieren de las de átomos de otros elementos.
3. Los átomos de un elemento no pueden crearse, destruirse o transformarse en átomos de otros elementos.
4. Los compuestos se forman cuando átomos de elementos diferentes se combinan entre sí en una proporción fija.
5. Los números relativos y tipos de átomos son constantes en un compuesto dado.

En la época de Dalton ya se conocía la ley de la conservación de la materia y la ley de las proporciones definidas, las cuales fueron la base de su teoría atómica. Dalton consideró que los átomos eran esferas sólidas e indivisibles, idea que en la actualidad se rechaza, pero demostró puntos de viusta jmportantes acerca de la naturaleza de la materia y sus interacciones. En ese tiempo algunos de sus postulados no pudieron verificarse (o refutarse) experimentalmente, ya que se basaron en las limitadas observaciones experimentales de su época. Aun con sus limitaciones, los postulados de Dalton constituyen un marco de referencia que posteriormente los científicos pudieron modificar o ampliar. Por esta razón se considera a Dalton como el padre de la teoría atómica.

Las partículas más pequeñas de un elemento que mantiene su identidad química a través de todos los cambios químicos y físicos se llama átomo. En casi todas las moléculas, dos o más átomos se unen entre sí formando unidades discretas muy pequeñas (partículas) que son eléctricamente neutras.

Una molécula es la partícula más pequeña de un compuesto o elemento que tiene existencia estable e independiente. Un átomo de oxígeno no puede existir sólo a temperatura ambiente y presión atmosférica normal; por tanto, cuando se mezclan átomos de oxígeno en esas condiciones, de inmediato se combinan en pares. El oxígeno que se conoce está formando por dos átomos de oxígeno; es una molécula diatómica O2. Otros ejemplos de moléculas diatómicas son el hidrógeno, el nitrógeno, el flúor, el cloro, el bromo y el yodo.

Otros elementos existen como moléculas más complejas; por ejemplo, el fósforo forma moléculas de cuatro átomos y el azufre moléculas de ocho átomos a temperatura y presiones normales. Las moléculas que contienen más de dos átomos se denominan moléculas poliatómicas.

Las moléculas de los compuestos están formadas por más de un tipo de átomos. una molécula de agua consta de dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno. Una molécula de metano consta de un átomo de carbono y cuatro átomos de hidrógeno.
Los átomos son los componentes de las moléculas, y éstas a su vez son los componentes de los elementos y de la mayor parte de los compuestos. A simple vista es posible observar las muestras de los compuestos y elementos, formadas por grandes números de átomos y moléculas. Con el microscopio electrónico es posible "ver" en la actualidad a los átomos. Para formar una fila de 2.5cm de largo serían necesario 217 millones de átomos de silicio.

Cambios químicos y físicos

Se ha descrito la reacción del magnesio cuando se quema en el oxígeno del aire. Esta reacción, dijimos que es un cambio químico. En cualquier cambio quimico, 1) se utilizan una o más sustancias (al menos parcialmente); 2) se forman una o más sustancias nuevas; y 3) se libera o se absorbe energía. Cuando las sustancias experimentan cambios químicos, demuestran sus propiedades químicas. Por otra parte, un cambio físico ocurre sin que se dé un cambio en la composición química. En forma general, las propiedades físicas se alteran considerablemente cuando la materia experimenta cambios físicos. En los cambios químicos siempre se libera o absorbe energía. Se necesita energía para fundir hielo y para hervir agua. Por el contrario, la condensación de vapor para formar agua líquida siempre libera energía, como ocurre en la congelación de agua líquida para formar hielo.

Sustancias y Mezclas

Una sustancia es una forma que tiene una composición  constante o definida (el número y el tipo de unidades básicas presentes) y propiedades distintivas. Algunos ejemplos son: agua, amoníaco, azucar (sacarosa), oro oxígeno, etc. Las sustancias difieren entre sí por su composición y se pueden identificar por su aspecto, olor, sabor y otras propiedades. A la fecha, el número de sustancias conocidas excede los cinco millones, y la lista aumenta con rapidez.

Una mezcla es una combinación de dos o más sustancias en la cual éstas mantienen su identidad. Algunos ejemplos familiares son aire, bebidas gaseosas, leche y cemento.

Las mezclas no tienen composición fija; muestra de aire colectadas en dos ciudades distintas probablemente tendrán composiciones diversas como resultado de sus diferencias en altitud, contaminación, etcétera.

Las mezclas pueden ser homogéneas o heterogéneas. Cuando una cuchara de azúcar se disuelve en agua, la composición de la mezcla, después de agitar lo suficiente, es la misma en toda la solución. Esta solución es una mezcla homogénea. Sin embargo, si se colocan juntas arena y virutas de hierro resulta una mezcla heterogénea, pues los componentes individuales permanecen físicamente separados y se pueden ver como tales. Cualquier mezcla, ya sea homogénea o heterogénea, se puede separar en sus componentes puros por medios físicos, sin cambiar la identidad de dichos componentes. Así, el azúcar se ñpuede separar de la mezcla homogénea antes descrita evaporando la solución hasta la sequedad. Si se condensa el vapor de agua que se libera, es posible obtener el componente agua. Y se puede utilizar un imán para recuperar las virutas de hierro de la arena, dado que el iman no atrae a esta última. Después de la separación, no habrá ocurrido cambio alguno en la composición de las sustancias que constituían la mezcla.