química introductoria-conferencia y laboratorio

el capítulo anterior introdujo el uso de símbolos de elementos para representar átomos individuales., Cuando los átomos ganan o pierden electrones para producir iones, o se combinan con otros átomos para formar moléculas, sus símbolos se modifican o combinan para generar fórmulas químicas que representan adecuadamente a estas especies. Extender este simbolismo para representar tanto las identidades como las cantidades relativas de sustancias sometidas a un cambio químico (o físico) implica escribir y equilibrar una ecuación química. Considere como ejemplo la reacción entre una molécula de metano (CH4) y dos moléculas diatómicas de oxígeno (O2) para producir una molécula de dióxido de Carbono (CO2) y dos moléculas de agua (H2O)., La ecuación química que representa este proceso se proporciona en la mitad superior de la Figura 1, con modelos moleculares de llenado de espacio mostrados en la mitad inferior de la figura.

este ejemplo ilustra los aspectos fundamentales de cualquier ecuación química:

1. Las sustancias sometidas a reacción se llaman reactantes, y sus fórmulas se colocan en el lado izquierdo de la ecuación.
2. Las sustancias generadas por la reacción se llaman productos, y sus fórmulas se colocan en la vista derecha de la ecuación.
3. Los signos más ( + ) separan las fórmulas individuales del reactivo y del producto, y una flecha (\rightarrow) separa los lados del reactivo y del producto (izquierda y derecha) de la ecuación.,
4. Los números relativos de las especies de reactivos y productos están representados por coeficientes (números colocados inmediatamente a la izquierda de cada fórmula). Normalmente se omite un coeficiente de 1.

es una práctica común utilizar los coeficientes de número entero más pequeños posibles en una ecuación química, como se hace en este ejemplo. Sin embargo, tenga en cuenta que estos coeficientes representan el número relativo de reactivos y productos, y, por lo tanto, pueden interpretarse correctamente como ratios. El metano y el oxígeno reaccionan para producir dióxido de carbono y agua en una proporción de 1:2:1:2., Esta relación se cumple si los números de estas moléculas son, respectivamente, 1-2-1-2, o 2-4-2-4, o 3-6-3-6, y así sucesivamente (Figura 2). Del mismo modo, estos coeficientes se pueden interpretar con respecto a cualquier cantidad (número) unidad, por lo que esta ecuación se puede leer correctamente de muchas maneras, incluyendo:

• Una molécula de metano y dos moléculas de oxígeno reaccionan para producir una molécula de dióxido de carbono y dos moléculas de agua.
• Una docena de moléculas de metano y dos docenas de moléculas de oxígeno reaccionan para producir una docena de moléculas de dióxido de carbono y dos docenas de moléculas de agua.,
• Un mol de moléculas de metano y 2 moles de moléculas de oxígeno reaccionan para producir 1 mol de moléculas de dióxido de carbono y 2 moles de moléculas de agua.

ecuaciones de equilibrio

una ecuación química equilibrada tiene iguales números de átomos para cada elemento involucrado en la reacción están representados en los lados del reactivo y del producto., Este es un requisito que la ecuación debe satisfacer para ser consistente con la Ley de conservación de la materia. Se puede confirmar simplemente sumando el número de átomos a cada lado de la flecha y comparando estas sumas para asegurar que son iguales. Tenga en cuenta que el número de átomos para un elemento dado se calcula multiplicando el coeficiente de cualquier fórmula que contenga ese elemento por el subíndice del elemento en la fórmula. Si un elemento aparece en más de una fórmula en un lado dado de la ecuación, se debe calcular el número de átomos representados en cada uno y luego sumarlos., Por ejemplo, ambas especies de productos en la reacción de ejemplo, CO2 y H2O, contienen el elemento oxígeno, por lo que el número de átomos de oxígeno en el lado del producto de la ecuación es

la ecuación para la reacción entre metano y oxígeno para producir dióxido de carbono y agua se confirma que está equilibrada por este enfoque, como se muestra aquí:

{\text{CH}}_{4}+2{\text{O}}_{2}\rightarrow{\text{CO}}_{2}+2{\text{H}}_{2}\text{O}

Element	Reactants	Products	Balanced?,
C	1 × 1 = 1	1 × 1 = 1	1 = 1, yes
H	4 × 1 = 4	2 × 2 = 4	4 = 4, yes
O	2 × 2 = 4	(1 × 2) + (2 × 1) = 4	4 = 4, yes

A balanced chemical equation often may be derived from a qualitative description of some chemical reaction by a fairly simple approach known as balancing by inspection., Considere como ejemplo la descomposición del agua para producir hidrógeno molecular y oxígeno. Este proceso está representado cualitativamente por una ecuación química desequilibrada:

{\text{H}}_{2}\text{O}\rightarrow{\text{H}}_{2}+{\text{O}}_{2}\text{(unbalanced)}

La comparación del número de átomos H y o a ambos lados de esta ecuación confirma su desequilibrio:

Element	Reactants	Products	Balanced?,
H	1 × 2 = 2	1 × 2 = 2	2 = 2, sí
O	1 × 1 = 1	1 × 2 = 2	1 ≠ 2, no

El número de átomos en los reactivos y productos lados de la ecuación son iguales, pero el número de átomos de O no. Para lograr el equilibrio, los coeficientes de la ecuación se pueden cambiar según sea necesario., Tenga en cuenta, por supuesto, que los subíndices de la fórmula definen, en parte, la identidad de la sustancia, por lo que estos no se pueden cambiar sin alterar el significado cualitativo de la ecuación. Por ejemplo, cambiar la fórmula del reactivo de H2O a H2O2 produciría equilibrio en el número de átomos, pero hacerlo también cambia la identidad del reactivo (ahora es peróxido de hidrógeno y no agua). El equilibrio del átomo O se puede lograr cambiando el coeficiente de H2O a 2.,

\mathbf{2}\text{H}_{2}\text{O}\rightarrow{\text{H}}_{2}+{\text{O}}_{2}\text{(unbalanced)}

Element	Reactants	Products	Balanced?,
H	2 × 2 = 4	1 × 2 = 2	4 ≠ 2, no
O	2 × 1 = 2	1 × 2 = 2	2 = 2, sí

El átomo de H de equilibrio se molesta por este cambio, pero es fácilmente restablecido por cambiar el coeficiente para el H2 producto a 2.,

2{\text{H}}_{2}\text{O}\rightarrow\mathbf{2}{\text{H}}_{2}+{\text{O}}_{2}\text{(balanced)}

Element	Reactants	Products	Balanced?,r>	H	2 × 2 = 4	2 × 2 = 2	4 = 4, yes
O	2 × 1 = 2	1 × 2 = 2	2 = 2, yes

estos coeficientes producen números iguales de átomos h y o en los lados del reactivo y del producto, y la ecuación equilibrada es, por lo tanto:

2{\text{h}}_{2}\Text{o}\rightarrow 2{\Text{h}}_{2}+{\Text{o}}_{2}

a veces es conveniente usar fracciones en lugar de enteros como coeficientes intermedios en el proceso de equilibrar una ecuación química., Cuando se alcanza el equilibrio, todos los coeficientes de la ecuación pueden multiplicarse por un número entero para convertir los coeficientes fraccionarios en enteros sin alterar el equilibrio del átomo., \displaystyle\frac{7}{2} , se utiliza en su lugar para obtener una ecuación equilibrada provisional:

{\text{C}}_{2}{\text{H}}_{6}+\frac{7}{2}{\text{O}}_{2}\rightarrow 3{\text{H}}_{2}\text{O}+2{\text{CO}}_{2}

una ecuación equilibrada convencional con coeficientes de solo enteros se deriva multiplicando cada coeficiente por 2:

2{\text{c}}_{2}{\text{h}}_{6}+7{\text{O}}_{2}\rightarrow 6{\text{H}}_{2}\text{O}+4{\text{CO}}_{2}

finalmente con respecto a las ecuaciones equilibradas, recordemos que la Convención dicta el uso de los coeficientes de número entero más pequeños., Aunque la ecuación para la reacción entre el nitrógeno molecular y el hidrógeno molecular para producir amoníaco es, de hecho, equilibrada,

3 {\text{N}}_{2}+9{\text{H}}_{2}\rightarrow 6 {\text{NH}} _ {3}

los coeficientes no son los enteros más pequeños posibles que representan los números relativos de las moléculas del reactivo y del producto., Dividiendo cada coeficiente por el mayor factor común, 3, se obtiene la ecuación preferida:

{\text{N}}_{2}+3{\text{H}}_{2}\rightarrow 2{\text{NH}}_{3}

información adicional en ecuaciones químicas

los estados físicos de los reactivos y productos en ecuaciones químicas muy a menudo se indican con una abreviatura entre paréntesis después de las fórmulas. Las abreviaturas comunes incluyen s para sólidos, l para líquidos, g para gases y aq para sustancias disueltas en agua (soluciones acuosas, introducidas en el capítulo anterior)., Estas notaciones se ilustran en la ecuación de ejemplo aquí:

2\text{Na(}s\text{)}+2{\text{H}}_{2}\text{O(}l\text{)}\rightarrow 2\text{NaOH(}aq\text{)}+{\text{H}}_{2}\text{(}g\text{)}

la ecuación representa la reacción que tiene lugar cuando el metal de sodio se coloca en agua. El sodio sólido reacciona con el agua líquida para producir gas hidrógeno molecular y el compuesto iónico hidróxido de sodio (un sólido en forma pura, pero disuelto fácilmente en agua).,

las condiciones especiales necesarias para una reacción a veces se designan escribiendo una palabra o símbolo encima o debajo de la flecha de la ecuación. Por ejemplo, una reacción llevada a cabo por calentamiento puede ser indicada por la letra griega en mayúscula delta (Δ) SOBRE LA FLECHA.

{\text{CaCO}}_{3}\text{(}s\text{)}\stackrel{\Delta}{\rightarrow}\text{CaO(}s\text{)}+{\text{CO}}_{2}\text{(}g\text{)}

Otros ejemplos de estas condiciones especiales se encuentran en mayor profundidad en capítulos posteriores.,

ecuaciones para reacciones iónicas

dada la abundancia de agua en la tierra, es lógico pensar que muchas reacciones químicas tienen lugar en medios acuosos. Cuando los iones están involucrados en estas reacciones, las ecuaciones químicas pueden escribirse con varios niveles de detalle apropiados para su uso previsto. Para ilustrar esto, considere una reacción entre compuestos iónicos que tiene lugar en una solución acuosa., Cuando se mezclan soluciones acuosas de CaCl2 y AgNO3, se produce una reacción produciendo Ca acuosa(NO3)2 y AgCl sólido:

esta ecuación equilibrada, derivada de la manera habitual, se llama ecuación molecular, porque no representa explícitamente las especies iónicas que están presentes en la solución. Cuando los compuestos iónicos se disuelven en agua, pueden disociarse en sus iones constituyentes, que posteriormente se dispersan de forma homogénea a lo largo de la solución resultante (una discusión exhaustiva de este importante proceso se proporciona en el capítulo sobre soluciones)., Los compuestos iónicos disueltos en agua son, por lo tanto, representados de manera más realista como iones disociados, en este caso:

a diferencia de estos tres compuestos iónicos, AgCl no se disuelve en agua en una medida significativa, como lo indica su notación de estado físico, S.

que representa explícitamente todos los iones disueltos da como resultado una ecuación iónica completa., En este caso particular, las fórmulas para los compuestos iónicos disueltos se sustituyen por fórmulas para sus iones disociados:

examinando esta ecuación se muestra que dos especies químicas están presentes en forma idéntica a ambos lados de la flecha, Ca2+(aq) y {\text{NO}}_{3}{}^{-}\text {(} aq \ text {)}., ni química ni físicamente cambiadas por el proceso, por lo que pueden ser eliminadas de la ecuación para obtener una representación más sucinta llamada ecuación iónica neta:

siguiendo la Convención de usar los enteros más pequeños posibles como coeficientes, esta ecuación se escribe entonces:

{\text{Cl}}^{\text{-}}\text{(}aq\text{)}+{\text{Ag}}^{+}\text{(}aq\text{)}\rightarrow\text{AgCl(}s\text{)}

esta ecuación iónica neta indica que el cloruro de plata sólido puede ser producido a partir de iones de cloruro disuelto y plata(i), independientemente de la fuente de estos iones., Estas ecuaciones iónicas moleculares y completas proporcionan información adicional, a saber, los compuestos iónicos utilizados como fuentes de Cl– y Ag+.

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