Muestra de Propuesta didáctica de Física y Química 3 ESO Andalucía. Proyecto 5 Etapas. Bruño

ANDALUCÍA

MUESTRA

3

E S O

PROPUESTA DIDÁCTICA Rafael Jiménez Prieto Pastora M.ª Torres Verdugo

© GRUPO EDITORIAL BRUÑO, S. L., 2024 - C/ Valentín Beato, 21 - 28037 Madrid.

Reservados todos los derechos. El contenido de esta obra está protegido por la Ley, que establece penas de prisión y/o multas, además de las correspondientes indemnizaciones por daños y perjuicios, para quienes reprodujeren, plagiaren, distribuyeren o comunicaren públicamente, en todo o en parte, una obra literaria, artística o científica, o su transformación, interpretación o ejecución artística fijada en cualquier tipo de soporte o comunicada a través de cualquier medio, sin la preceptiva autorización.

Índice Claves del proyecto Materiales del proyecto

1 Las magnitudes y su medida. El trabajo científico 2 La estructura de la materia. Agrupaciones de átomos

3 Elementos y compuestos. La tabla periódica 4 Las reacciones químicas.

Introducción a la estequiometría

5 Las fuerzas y sus efectos. Leyes de la dinámica 6 Las fuerzas en la naturaleza (I). Gravitación 7 Las fuerzas en la naturaleza (II).

Electricidad y magnetismo

8 Circuitos eléctricos. Aplicaciones de la corriente eléctrica

9 Ciencia y sociedad. El reto del desarrollo sostenible Anexo. Introducción a la nomenclatura y formulación inorgánica In English, please. Answer key

Claves del Proyecto

E S O NUEVOS PROYECTOS ESO BRUÑO Con Bruño se aprende Ciencia investigando, descubriendo y explorando la Naturaleza.

En solo 5 ETAPAS cíclicas el alumnado adquirirá las competencias y saberes necesarios para su desarrollo personal, intelectual, social y emocional.

e

e

(Preparándote para el aprendizaje) OBJETIVO: despertar, llamar la atención, impresionar... al alumnado.

(Indagación sobre los conceptos) OBJETIVO: hacer pensar y/o provocar la reflexión del alumnado. Estimular el pensamiento crítico y creativo del estudiante.

e

e

(Exposición de los contenidos) OBJETIVO: exponer y explicar los contenidos.

(Valoración del aprendizaje) OBJETIVO: valorar el aprendizaje de forma personal.

e (Aplicación de los conceptos: actividades) OBJETIVO: proponer actividades o situaciones para construir el conocimiento.

Materiales del Proyecto

E S O

Libros impresos para el alumnado Con los libros impresos tus alumnos y alumnas construirán conocimiento, desarrollarán competencias y adquirirán los saberes de esta ciencia de forma contextualizada y experimental.

Propuestas didácticas (impresas y digital) En las propuestas didácticas encontrarás las orientaciones metodológicas y los solucionarios de las distintas unidades del libro del alumno.

Libros digitales para el alumnado y el docente Estos proyectos educativos incorporan Edudynamic, un libro digital adaptable a cualquier plataforma y dispositivo.

Podrás trabajar de forma online y offline y es compatible con todos los sistemas operativos.

Se trata de un entorno digital sencillo, bien estructurado y de navegación intuitiva que te permitirá descubrir otras formas de aprender.

Encontrarás: Todas las unidades didácticas y secciones en formato digital y adaptables al dispositivo.

Actividades interactivas y recursos digitales de diverso tipo (vídeos, esquemas, animaciones, evaluaciones, enlaces externos...).

LIBROS DIGITALES PARA EL ALUMNADO

LIBROS IMPRESOS PARA EL ALUMNADO Con un enfoque competencial en el que el alumnado es el centro del proceso de enseñanza-aprendizaje.

Se aprende con situaciones de aprendizaje y contextualizadas.

Se guía en valores y con referencia a los ODS de la Agencia 2030: cuidado del medioambiente, igualdad de género y social, educación para la salud, consumo responsable, etc.

Se desarrollan competencias básicas y específicas de la materia: comunicación lingüística; plurilingüe; matemática y competencia en ciencia, tecnología e ingeniería (STEMS); digital; personal, social y de aprender a aprender; etc.

Que se ajustan automáticamente a cualquier pantalla y sus contenidos están disponibles con y sin conexión a Internet desde cualquier dispositivo. Incorporan además muchos y variados recursos: Actividades interactivas autocorregibles y con trazabilidad.

Simulaciones y laboratorios virtuales.

Recursos para atender al alumnado con altas capacidades.

Recursos para atender a los distintos ritmos de aprendizaje.

Elementos y secuencias para evaluar y valorar el aprendizaje del alumnado en diferentes situaciones y contextos.

BRUÑO EN SU ALIANZA CON EL PROFESORADO ÁREA PRIVADA DEL DOCENTE es el espacio donde se puede encontrar una importante batería de recursos y documentos para mejorar y apoyar la labor docente:

DOCUMENTACIÓN DEL PROYECTO

Programaciones.

Competencias básicas y específicas, perfiles de salida, criterios de evaluación y saberes básicos.

Claves y orientaciones metodológicas.

Solucionarios.

TRATAMIENTO DE LA DIVERSIDAD E INCLUSIÓN Adaptaciones curriculares para que todo el alumnado pueda trabajar las unidades de los libros en distintos ritmos de aprendizaje.

Refuerzos curriculares que personalizan las necesidades del alumnado.

Fichas de refuerzo y de ampliación.

EVALUACIÓN INTEGRADA

Durante todo el proceso de aprendizaje: Instrumentos de autoevaluación.

Rúbricas.

Fichas de evaluación.

4

Las reacciones químicas.

Introducción a la estequiometría

UNIDAD

4

Tras concluir el estudio de la materia, sus propiedades y su naturaleza, esta unidad finaliza el bloque de Química, con todo lo relacionado con los cambios químicos. Comenzando por la propia definición e identificación de los cambios químicos –tanto en el laboratorio como en el entorno–, se abordan con­ ceptos fundamentales como la conservación de la masa y la estequiometría, pasando por algunas reacciones químicas concretas de mayor relevancia.

¿QUÉ SABES DE...?

1 ¿Sabrías distinguir un cambio físico de uno químico? ¿Se te ocurre algún ejemplo?

2 ¿Qué reacciones químicas podrías reconocer en tu entorno cotidiano?

Las reacciones químicas.

3 ¿Cuántas reacciones químicas crees que se conocen? ¿Te atreves a hacer una estimación?

Introducción a la estequiometría

¿TE HAS PREGUNTADO ALGUNA VEZ EN QUÉ CONSISTE UNA REACCIÓN QUÍMICA Y CÓMO RECONOCERLA? ¿TE HAS PREGUNTADO ALGUNA VEZ QUÉ ESTÁ FORMADA LA MATERIA? Si aún no lo sabes..., descubriremos juntos: 1 ¿Cómo los cambios de la materia?

En estason unidad, aprenderás:

¿QUÉ SABES DE...?

21 ¿Qué es lalas ley de conservación la masa? ¿Por qué placas litosféricas de forman un puzle?

3 es una ecuación 2 ¿Qué Los volcanes: el fuego química? interno 4 es la estequiometría de las reacciones 3 ¿Qué Los seísmos: ¿por qué tiembla la Tierra? químicas?

4 ¿Cómo se forman las montañas?

5 ¿Cuáles son las reacciones químicas de interés?

5 ¿Cómo se expanden los océanos?

Mediante estas preguntas de exploración inicial, puede esta­ blecerse el punto de partida del alumnado en esta unidad, que trata en parte conceptos ya estudiados en 2.º de ESO.

6 ¿Viajan los continentes a la deriva?

1

¿Cómo son los cambios de la materia?

1 ¿Cómo son los cambios de la materia?

e

e Uno de los objetivos de la química es explicar las transformaciones de la materia, cuyo estudio científico comenzó en el siglo xvii. En esta época, se suponía que las sustancias combustibles contenían un misterioso principio, el «flogisto», que se iba desprendiendo de la sustancia a medida que se quemaba.

¿Cómo se reconoce una reacción química?

A menudo es fácil detectar una reacción química por el cambio radical que se da en el sistema material después de que sucede. Pero en ocasiones el proceso no se percibe con claridad, bien por su lentitud o porque origina productos parecidos en su aspecto a los reactivos que había inicialmente.

En estos casos, el cambio químico que ha tenido lugar puede detectarse a partir de ciertos fenómenos fácilmente observables que suelen acompañar el proceso y que sirven como indicadores, en caso de duda.

INDICADORES DE LAS REACCIONES QUÍMICAS

a ¿Te parece lógica esta hipótesis del flogisto? b ¿Crees que es válida actualmente?

Los cambios de la materia son algo cotidiano y perceptible; estamos muy acostumbrados a observar cambios a nuestro alrededor y gracias a ellos desarrollamos la noción del paso del tiempo. Sin embargo, no todos los cambios —también llamados procesos o fenómenos— son de la misma entidad. Así, distinguimos entre cambios físicos y cambios químicos. Observa el esquema: Un cambio físico es aquel que no altera las sustancias que intervienen en él. Son ejemplos el movimiento, la deformación, o los cambios de estado.

Desprendimiento de gases

Precipitación

Variación de temperatura

Cambios de color

Este fenómeno se da cuando al menos uno de los productos de la reacción es un gas. Si ocurre en el seno de una disolución, el gas formado, cuya solubilidad es muy baja, se desprende en forma de burbujas perfectamente perceptibles, tanto más cuanto más rápida es la reacción.

La precipitación ocurre cuando el producto de la reacción entre sustancias que se encuentran en disolución es insoluble.

En este caso, al formarse el producto, aparece un sólido (precipitado) en el seno de la disolución, que inmediatamente se deposita en el fondo del recipiente.

Las transformaciones químicas van siempre acompañadas de un desprendimiento o una absorción de calor.

Si ocurre con suficiente intensidad, podemos percibir cómo tiene lugar un aumento o una disminución muy bruscos de la temperatura del sistema.

Es el indicador más conocido de los procesos químicos y sucede cuando los productos de la reacción tienen distinto color que los reactivos.

Muchas reacciones que dan lugar a cambios de color característicos se utilizan para detectar y cuantificar la presencia de ciertas sustancias en una muestra.

¿Qué ocurre durante una reacción química?

Las reacciones que desprenden calor se llaman exotérmicas y las que absorben calor reciben el nombre de endotérmicas.

¿Cómo funcionan las tiras reactivas?

Un cambio químico da lugar a nuevas sustancias. Son ejemplos la combustión de un gas, que produce CO2 y H2O, o la síntesis de plásticos a partir de derivados del petróleo.

¿Qué es una reacción química?

Los cambios o fenómenos químicos reciben habitualmente el nombre de reacciones químicas.

Hoy sabemos que la materia está formada por átomos Una tira reactiva es un material impregnado con uno o vadiferentes y que los compuestos se originan al unirse rios reactivos específicos, que reaccionan con una sustanlos átomos en distintas proporciones. Durante una cia determinada. La reacción produce un rápido cambio de 1. ¿Qué tipo de cambios se dan en estas situaciones?

Explica química se produce una reorganización de los reacción color, que solo ocurre en presencia de la sustancia buscada, tu respuesta. átomos de los reactivos, que se reagrupan de otra Oxidación del hierro. Bolardo de amarre oxidado permitiendo así detectarla. manera para dar lugar a los productos. Observa el ejemAplastamos una bola de plastilina.

(Puerto de a) Málaga). b) Obtenemos hidrógeno y oxígeno a partir del agua.plo de la oxidación del hierro:

e

c) La gasolina se quema en el motor de un coche. d) Se extrae aceite de las aceitunas en una almazara.

Una reacción química es un proceso mediante el cual se obtienen, a partir de unas sustancias iniciales, llamadas reactivos, otras sustancias diferentes, que se denominan productos.

Las reacciones químicas ocurren continuamente en la naturaleza. Se conocen millones de ellas y en la actualidad los químicos pueden reproducirlas en el laboratorio, así como desarrollar otras nuevas. Su estudio, tanto macroscópico como microscópico, es una parte importantísima de la ciencia química.

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¿De qué factores depende la velocidad de una reacción química?

Durante siglos, el mecanismo por el cual se producían las reacciones químicas era completamente desconocido. Fue necesario esclarecer la estructura de la materia para poder dar una explicación de los fenómenos observados.

Desde muy antiguo, se sabe que el hierro 2. Busca un ejemplo de sus proceso físico yde otro de proceso pierde propiedades brillo, dureza y químiresistencia cuandoy es abandonado a lalos in- clasifico que tengan lugar en la cocina justifica por qué cas de una u otratemperie. manera.

3. Utiliza la bibliografía o Internet para buscar información sobre algún tipo de tira reactiva que se utilice habitualmente en el campo de la medicina. Redacta esta información en un breve párrafo de cinco o seis líneas.

Proceso químico.

Los átomos de ambos elementos se combinan, dando lugar a trióxido de dihierro, una nueva sustancia con propiedades totalmente diferentes.

La velocidad de reacción en un proceso químico es variable según las sustancias que intervienen y depende de factores como la temperatura, la agitación, el estado de agregación de los reactivos y su concentración.

La velocidad de reacción es una magnitud muy importante y está directamente relacionada con el número de choques eficaces entre las partículas de los reactivos. Si necesitamos aumentar la velocidad, podemos proceder:

¿Qué son los catalizadores?

En muchas reacciones químicas se observa que ciertas sustancias presentes en muy pequeña cantidad, aumentan enormemente la velocidad de reacción.

Estas sustancias, que no son reactivos, pues no se consumen en la reacción, son los catalizadores. Son importantísimos para la industria química y también desde el punto de vista biológico. Sin ellos, muchas reacciones no serían útiles, por ser demasiado lentas. Algunos ejemplos de catalizadores son las enzimas y las vitaminas.

Refinería de la Rábida (Huelva).

➜ Elevando la temperatura o agitando el sistema, lo que hará que las partículas se muevan con mayor velocidad y choquen con más frecuencia. ➜ Concentrando más los reactivos —si se encuentran disueltos— o comprimiéndolos —si son gases—, disminuyendo así la distancia entre las partículas.

O2

Fe Las reacciones químicas. Introducción a la estequiometría

UNIDAD 4

Las reacciones químicas transcurren a muy distinta velocidad, según las sustancias implicadas o las condiciones en que se llevan a cabo. Por ejemplo, una cerilla arde porque la reacción entre el compuesto de fósforo que impregna su extremo y el oxígeno del aire es muy rápida; sin embargo, una reja de hierro se oxida muy lentamente.

87

Fe2O3

➜ Aumentando la superficie de contacto entre los reactivos, si alguno es sólido o líquido, pues los choques ocurrirán en esa superficie.

Esto es debido a que se produce una reacción química entre el hierro y el oxígeno del aire.

e 4. Los siguientes enunciados son incorrectos. Léelos atentamente, encuentra los errores y reescríbelos para que sean correctos.

La teoría de las colisiones En un proceso químico, se rompen las uniones entre los átomos de los reactivos y se establecen nuevos enlaces, que dan lugar a los productos.

a) Una reacción química es un proceso en el que se desprende una nueva sustancia, cambiando de color. b) Los productos son las sustancias que se transforman en un proceso químico.

Productos

Para que esto ocurra, es necesario que las partículas de los reactivos colisionen. Además, debe ser un choque eficaz: con una energía mínima y la orientación adecuada. En caso contrario, la ruptura de los enlaces no se producirá y no tendrá lugar la formación de los productos.

Este modelo teórico, que explica cómo sucede la reacción, se conoce como teoría de las colisiones.

88

Reactivos

c) Una reacción química ocurre por la sustitución de los átomos de los reactivos.

5. Redacta una breve explicación para los siguientes fenómenos. Recuerda lo que has aprendido y busca más información, si es necesario, en libros o en Internet: a) La fermentación de la leche se produce rápidamente un día de verano. b) Para quitar una mancha hemos necesitado utilizar lejía concentrada. c) Una pastilla efervescente se disuelve en agua rápidamente, desprendiendo burbujas.

➚ Cuando las partículas que forman los reactivos chocan con la energía y

la orientación adecuadas, se reorganizan los átomos y se forman los productos.

UNIDAD 4

6. Utiliza la información del código QR de esta página para elaborar un esquema sobre las características de los catalizadores y su importancia para la industria química.

Efervescencia.

Puedes ampliarlo incorporando más datos de otras fuentes de información.

Las reacciones químicas. Introducción a la estequiometría

ORIENTACIONES METODOLÓGICAS Después de visionar el vídeo (código QR) y partiendo de la actividad de exploración, que nos da el contexto histórico, se comien­ za por la definición de cambio químico –ya conocida por el alumnado–, la terminología propia de las reacciones químicas y los indicadores que ponen de manifiesto un cambio químico. Se trata de conceptos muy básicos y fácilmente visibles en ejemplos del entorno. De aquí se pasa a la explicación microscópica y a otro concepto muy importante, como es la velocidad de reacción y los factores que influyen en ella.

3

8

89

SOLUCIONES filtramos el aceite tras utilizarlo para freír un rebozado. En cambio, es un ejemplo de proceso químico la combustión del gas al encender una hornilla o un calentador, o la transformación que tiene lugar en un huevo al cocerlo.

e Respuesta libre. La teoría del flogisto estuvo vigente hasta bien entrado el siglo xviii, época en la que, por la aplicación del método científico, se llegó a la conclusión de que no era una hipótesis válida.

3. Respuesta libre. Una de las tiras reactivas que se pueden encontrar en Internet son las utilizadas para el análisis de orina, por ejemplo.

4. a) Una reacción química es un proceso en el que se forman nuevas sustancias, poniéndose de manifiesto de distintas maneras, con cambios de color o variaciones de temperatura, entre otras.

e 1. a) Cambio físico, porque no cambia la sustancia, solo lo hace su forma.

b) Los productos son las sustancias que se obtienen en una reacción química.

b) Es un cambio químico. Se obtienen dos sustancias diferentes a partir del agua, hidrógeno y oxígeno.

c) Una reacción química ocurre por reordenación de los átomos de los reactivos.

c) Es un proceso químico, porque al quemar la gasolina se obtienen varias sustancias de naturaleza completamente diferente, como dióxido de carbono y vapor de agua, principalmente.

5. a) Se trata de un proceso químico, que aumenta su velocidad al ha­ cerlo la temperatura. b) Al utilizar lejía concentrada hemos aumentado el número de partí­ culas de hipoclorito de sodio (lejía), y, por tanto, favorecemos de este modo la reacción.

d) Se trata de un cambio físico, porque no cambian las sustancias implicadas, aceite y pulpa. El proceso de extracción del aceite es un proceso mecánico, consistente simplemente en triturar las aceitunas y separar el aceite de la pulpa.

c) Al trocear la pastilla aumentamos la superficie de contacto entre los reactivos y, en consecuencia, favorecemos un aumento en el número de colisiones por unidad de tiempo.

2. Respuesta libre. Un ejemplo de proceso físico en la cocina es la sepa­ ración de los componentes de una mezcla, como hacemos cuando

6. Respuesta libre.

¿Qué es la ley de conservación de la masa?

2

2 ¿Qué es la ley de conservación de la masa?

e

e Cuando los primeros químicos, en el siglo xviii, comenzaron a aplicar el método científico al estudio de los procesos, obtuvieron importantes resultados, a partir de los cuales lograron establecer unas sencillas leyes sobre los cambios químicos de la materia: las leyes ponderales.

ORIENTACIONES METODOLÓGICAS

¿Sabes qué relación hay entre las leyes ponderales y la pesada?

Una de las leyes ponderales más sencillas se refiere a la conservación de la masa total en los procesos químicos y fue establecida en 1789 por el químico francés Antoine-Laurent de Lavoisier.

Ley de conservación de la masa o ley de Lavoisier. En toda reacción química, la masa total de los reactivos es igual a la masa total de los productos de la reacción, es decir, la masa se conserva.

En definitiva, la cantidad de materia total implicada en un proceso químico permanece constante, aunque evidentemente cambian las sustancias presentes antes y después. Observa el siguiente ejemplo: El gas butano (C4H10) arde en presencia de oxígeno (O2), formándose dióxido de carbono (CO2) y vapor de agua (H2O).

Reactivos

C4H10 (g)

+

Productos

O2 (g)

29 g Butano + 104 g Oxígeno

Para quemar 29 g de C4H10, se requieren 104 g de O2.

Masa total = 133 g

→

CO2 (g)

+

H2O (g)

88 g Dióxido de carbono + 45 g Vapor de agua Masa total = 133 g

Tras la reacción, se producen 88 g de CO2 y 45 g de H2O. La suma de las masas de los reactivos y la de los productos coincide. La masa se conserva.

La ley de conservación de la masa se cumple en todos los procesos químicos.

Esto es lógico si tenemos en cuenta que, durante una reacción, ocurre un reagrupamiento de los átomos, por lo que el número total de átomos no cambia antes y después. La consecuencia es que la masa tiene que ser la misma.

7. El gas cloro (Cl2) reacciona con el gas hidrógeno (H2) para dar cloruro de hidrógeno (HCl), que es una sustancia gaseosa y corrosiva, que se disuelve en agua con facilidad. a) Justifica por qué es un cambio químico e identifica los reactivos y productos.

90

Este breve epígrafe comienza con el vídeo motivador (QR) y la actividad inicial, cen­ trada también en el contexto histórico en que se enuncia la ley de conservación de la masa, una de las más importantes de la química.

Su sencillo enunciado y fácil aplicación debe complementarse con la justificación microscópica, que enlaza con la explicación a nivel microscópico ya estudiada para los procesos químicos.

b) A partir de 175 g de cloro y una cierta cantidad de hidrógeno, se han formado 179,9 g de cloruro de hidrógeno. ¿De qué cantidad de hidrógeno se trata? Halla dicha cantidad aplicando la ley de conservación de la masa como en el ejemplo anterior.

UNIDAD 4

SOLUCIONES

e 7. a) Se trata de un cambio químico, ya que se forma una nueva sustan­ cia, el cloruro de hidrógeno (HCl). Los reactivos de este proceso son el gas hidrógeno (H2) y el gas cloro (Cl2).

La relación es total, ya que el propio adjetivo «ponderal» hace referencia al peso. Son leyes que surgieron cuando comenzaron a medirse las can­ tidades de reactivos y productos implicadas en reacciones químicas di­ versas.

b) Han reaccionado 179,9 g – 175 g = 4,9 g de gas hidrógeno (H2), de acuerdo con la ley de conservación de la masa.

9

4 Las reacciones químicas. Introducción a la estequiometría

¿Qué es una ecuación química?

3 3 ¿Qué es una ecuación química?

La información relativa a un proceso químico es tanto cualitativa como cuantitativa. Necesitamos conocer las sustancias que participan como reactivos o productos, pero también las cantidades de

estos que se consumen o producen. Para representar un proceso químico en su conjunto y mostrar esa información relevante, se utiliza un esquema que recibe el nombre de ecuación química.

El ajuste desde el punto de vista microscópico Ya sabemos que en una reacción química tiene lugar una reorganización de los átomos que forman los reactivos, para dar lugar a los productos.

En una ecuación química los reactivos aparecen a la izquierda, indicados mediante sus fórmulas. Los productos se indican a la derecha de la ecuación.

Reactivo

➚ Roca caliza. Torcal

de Antequera (Málaga).

11. Ajusta las ecuaciones químicas correspondientes a estos procesos químicos:

Productos

CaCO3 (s)

→

Carbonato de calcio

CaO (s) Óxido de calcio

+

a) El carbono (C, sólido) reacciona con el oxígeno (O2, gas) y produce monóxido de carbono (CO, gas).

CO2 (g)

Dióxido de carbono

b) El clorato de potasio (KClO3 sólido) se descompone al calentarse en dos sustancias, cloruro de potasio (KCl sólido) y oxígeno gaseoso (O2).

Para cada sustancia se indica su estado de agregación: sólido (s), líquido (l), gas (g), o disuelta en agua (ac).

Una flecha indica el sentido del proceso.

c) El metano (CH4, gas) y el oxígeno (O2, gas) reaccionan y producen dióxido de carbono (CO2, gas) y vapor de agua (H2O, gas).

La ecuación química ajustada Una ecuación química nos informa, en primer lugar, de las sustancias que intervienen en un proceso químico. A través de las fórmulas de dichas sustancias, es posible interpretar lo que sucede desde el punto de vista microscópico; sabremos cómo se reagrupan los átomos de los reactivos para dar los productos. Observa este ejemplo: SO2 (g) Dióxido de azufre

+

O2 (g)

→

Oxígeno

OBSERVA Y APRENDE Justifica, desde el punto de vista microscópico, el ajuste de la ecuación química que representa la reacción entre el gas hidrógeno (H2) y el nitrógeno gaseoso (N2) para dar gas amoníaco (NH3).

Si escribimos la ecuación y dibujamos una molécula para cada sustancia, podemos comprobar que el número total de átomos de cada elemento en reactivos y productos no coincide:

SO3 (g)

En una ecuación ajustada, los coeficientes estequiométricos permiten llevar a cabo una interpretación cuantitativa del proceso. Esta puede realizarse en términos microscópicos (de átomos o moléculas) o en términos macroscópicos (de moles de sustancia). Fíjate bien:

Si una ecuación química no está ajustada, es necesario llevar a cabo un procedimiento encaminado a obtener los coeficientes estequiométricos, que se conoce como ajuste de la ecuación. Este proceso se realiza interpretando la reacción en términos de átomos.

NH3 (g) H H H N HN N H H H H H

N N N NN N

H H H HH H

¿Cómo se ajusta una ecuación química?

→

H2 (g) + N2 (g) 2 átomos de H

¿Cuál es el significado de los coeficientes estequiométricos?

1 átomo de N 3 átomos de H

2 átomos de N

Trióxido de azufre

El dióxido de azufre gaseoso reacciona químicamente con el oxígeno gaseoso, dando lugar a una nueva sustancia, el trióxido de azufre, también gaseosa.

O OO S SS O OO

Sin embargo, la ecuación anterior no nos proporciona información cuantitativa. Si te fijas, verás que los reactivos –dióxido de azufre y oxígeno– aportan cuatro átomos de oxígeno en total. Pero el producto –trióxido de azufre– contiene solo tres átomos de oxígeno. ¿Dónde está el átomo que falta?

O OO O OO O OO O OO S SS

La respuesta es que, para que una ecuación química proporcione información cuantitativa debe estar ajustada. Una ecuación ajustada es aquella en la que hay el mismo número de átomos de cada tipo en los reactivos y en los productos. Esto se consigue colocando delante de las fórmulas los números adecuados, que reciben el nombre de coeficientes estequiométricos. Estos coeficientes solo se escriben si son distintos de 1.

O OO O OO S SS

O OO S SS O OO O OO

2 SO2 (g)

+

Dióxido de azufre

Para la ecuación anterior, los coeficientes serían estos: 2 SO2 (g) + O2 (g) → 2 SO3 (g) La ecuación química está ajustada, pues ahora tenemos el mismo número de átomos en los reactivos y en el producto: un total de 6 átomos de oxígeno y 2 átomos de azufre. Se trata de los mismos átomos, reagrupados de otra forma, dando así lugar a la nueva sustancia.

Las reacciones químicas. Introducción a la estequiometría

La representación esquemática de los átomos y moléculas que intervienen en un proceso químico puede servirte para interpretarlo mejor y comprender qué coeficientes estequiométricos debes utilizar para ajustar la ecuación química. Fíjate en el ejemplo de la reacción de formación del amoníaco, que ya ajustamos con anterioridad:

O OO

O2 (g)

El procedimiento para el ajuste de ecuaciones químicas sencillas consta de los siguientes pasos:

Interpretación microscópica

2 SO3 (g)

➜ El proceso se repite después de cada recuento hasta que haya el mismo número de átomos de cada elemento en reactivos y productos.

Trióxido de azufre

2 mol SO2

N

H HH H H H

H2 (g) Hidrógeno

91

N2 (g)

+

→

1 Escribimos el proceso y realizamos un primer recuento a partir de los subíndices de cada elemento:

Nitrógeno

H2 + N2

→

NH3

4 SO2 (g) + 2 O2 (g) → 4 SO3 (g)

H

N

H

N

1 O2 (g) → SO3 (g) SO2 (g) + 2

2

2

3

1

→

3 H2 (g) + N2 (g) N

2 NH3 (g)

HH HH

H

N NN N N

HH

HH HH 2 átomos de N

H NN HH HH

HH

N NN H HH H H 2 × 1 = 2 átomos de N 2 × 3 = 6 átomos de H

Una vez que tenemos el mismo número de átomos de cada elemento en reactivos y productos, podemos decir que la reacción está ajustada:

NH3 (g) Amoníaco

3 H2 (g)

+

N2 (g)

→

Nitrógeno

2 NH3 (g) Amoníaco

Desde un punto de vista microscópico, la reacción queda ajustada cuando el número de átomos de cada elemento en reactivos y productos es el mismo.

2 Reajustamos los coeficientes. En este caso colocamos un coeficiente igual a 2 para el amoníaco (NH3) y realizamos un nuevo recuento:

→

H2 + N2

Sin embargo, lo habitual es utilizar los coeficientes estequiométricos enteros más sencillos posibles.

94

UNIDAD 4

2 NH3

H

N

H

N

2

2

6

2

3 Repetimos el proceso. En este caso, asignando un coeficiente igual a 3 para el hidrógeno, igualamos el número de átomos y finalizamos el ajuste: 3 H2 + N2

8. Cada ecuación química representa un proceso químico determinado. Contesta a estas cuestiones:

HH

N HH H NHHHN HH 2 × 1 = 2 átomos de N 2 × 3 = 6 átomos de H NN H H

Para equilibrar el número de átomos de hidrógeno (H) basta con colocar 3 moléculas de hidrógeno gaseoso (H2) en los reactivos:

Hidrógeno

Cuando ajustamos una ecuación química, realmente hay infinitos valores posibles para los coeficientes estequiométricos, pues basta con que cumplan con la conservación del número de átomos y guarden la misma proporción entre ellos.

Si consideramos otra vez el ejemplo de la reacción entre el dióxido de azufre y el oxígeno, podrás comprobar que estas otras ecuaciones también son válidas:

H

HH

3 × 2 = 6 átomos de H

HH HH H H

+ 1 mol O2 → 2 mol SO3

2 NH3 (g)

N NN NN

2 átomos de N

El ajuste de una ecuación química se lleva a cabo, por tanto, utilizando un método de tanteo. Puedes verlo con el siguiente ejemplo, correspondiente a la reacción de formación del amoníaco a partir del nitrógeno y el hidrógeno:

Interpretación macroscópica Por cada dos moles de dióxido de azufre gaseoso que reaccionan con un mol de gas oxígeno se forman dos moles de trióxido de azufre, también gaseoso.

2 átomos de H

➜ A partir de las fórmulas de las sustancias participantes se hace un primer recuento de los átomos de cada elemento. ➜ Si el número de átomos de algún elemento no es el mismo en reactivos y productos, se modifican los coeficientes estequiométricos necesarios, y se vuelve a hacer un recuento.

Oxígeno

→

H2 (g) + N2 (g)

Por cada dos moléculas de dióxido de azufre (SO2) que reaccionan con una molécula de oxígeno (O2), se forman dos moléculas de trióxido de azufre (SO3).

→

Debemos intentar igualar el número total de átomos de cada elemento en reactivos y productos, añadiendo las moléculas que sean necesarias. En este caso, como falta un átomo de nitrógeno (N) en el producto, colocamos una molécula adicional de amoníaco (NH3):

La ecuación queda ajustada cuando coincide el número de átomos de cada elemento en reactivos y productos.

a) ¿Dónde aparecen los reactivos y los productos?

→

2 NH3

H

N

H

N

6

2

6

2

b) ¿Cuándo se dice que una ecuación química está ajustada? c) ¿Por qué una ecuación química sin ajustar no cumple la ley de conservación de la masa? d) ¿Qué información nos proporciona una ecuación química ajustada?

10. Para representar el proceso químico que tiene lugar entre el benceno y el hidrógeno para dar ciclohexano, nos han dado la siguiente ecuación química:

9. Observa la siguiente ecuación química: Zn (s) + 2 HCl (ac) → ZnCl2 (ac) + H2 (g)

92

C6H6 (l) +

H2 (g) → C6H12 (l)

a) Razona si está ajustada o no.

a) Ajusta la ecuación anterior por el método de tanteo, como en el ejemplo.

b) Interprétala tanto cualitativa como cuantitativamente. Ten en cuenta que para ello necesitarás, en primer lugar, identificar las sustancias que intervienen.

b) Interpreta la información cualitativa y cuantitativa que nos proporciona la ecuación una vez ajustada.

UNIDAD 4

Las reacciones químicas. Introducción a la estequiometría

93

ORIENTACIONES METODOLÓGICAS Este epígrafe se dedica al significado, manejo y ajuste de ecuaciones químicas, herramienta fundamental en relación con los cambios químicos, pues permite introducir los aspectos cuantitativos de los mismos, como se verá en el resto de la unidad. Se trata, por tanto, de contenidos básicos para afrontar la estequiometría, sobre los que debe incidirse para garantizar que son asimilados correctamente por parte del alumnado.

SOLUCIONES

8. a) Los reactivos se colocan a la izquierda y los productos a la de­ recha. b) Está ajustada cuando el número de átomos de cada tipo es el mis­ mo en los reactivos que en los productos. c) Porque, al realizar el recuento de átomos, hay diferente número en los reactivos y en los productos de alguno(s) de ellos. Esto hace que la masa sea distinta antes y después de la reacción. d) Nos indica las sustancias que participan en la reacción y también la proporción entre las moléculas que reaccionan.

9. a) Sí, está ajustada, porque el número de átomos de cada elemento en reactivos y productos coincide, de acuerdo con los coeficientes estequiométricos y las fórmulas de cada sustancia. b) De acuerdo con esta ecuación, podemos decir cualitativamente que el zinc (Zn) reacciona con el cloruro de hidrógeno (HCl) para formar dicloruro de zinc (ZnCl2) e hidrógeno (H).

3 10

Cuantitativamente, y desde el punto de vista macroscópico, dire­ mos que por cada mol de zinc que reacciona con dos moles de cloruro de hidrógeno, se forman un mol de dicloruro de zinc y un mol de hidrógeno.

10. a) La ecuación ajustada es: C6H6 (l )

+

3 H2 (g ) →

C6H12 (l )

b) Cualitativamente, diremos que el benceno y el hidrógeno reaccio­ nan para producir ciclohexano. Cuantitativamente, y desde un punto de vista microscópico, decimos que por cada molécula de benceno que reacciona con tres moléculas de hidrógeno, se for­ ma una molécula de ciclohexano, mientras que desde un punto de vista macroscópico decimos que por cada mol de benceno que reacciona con tres moles de hidrógeno se forma 1 mol de ci­ clohexano.

11. a) 2 C (s )

+

O2 (g ) →

b) 2 KClO3 (s ) → c) CH4 (g ) +

2 KCl (s )

2 O2 (g ) →

2 CO (g ) +

3 O2 (g )

CO2 (g) +

2 H2O (g )

¿Qué es la estequiometría de las reacciones químicas?

4

Cálculos con ecuaciones químicas

4 ¿Qué es la estequiometría

de las reacciones químicas?

e e

Como ya sabes, la relación de estequiometría en masa puede obtenerse experimentalmente o también a partir de la relación de estequiometría en moles, multiplicando el número de moles indicado para cada sustancia por su correspondiente masa molar. En cualquier caso, una relación de estequiometría en masa debe cumplir con la ley de conservación de la masa.

Las relaciones de estequiometría nos permiten realizar, aplicando la proporcionalidad, cálculos relativos a las cantidades de las sustancias que intervienen en una reacción química.

Fíjate en este otro ejemplo, en el que se obtiene y aplica la relación de estequiometría en masa para la reacción de formación del agua:

Para realizar cálculos de cantidades de reactivos o productos en una ecuación química, seguimos estos pasos:

Una de las leyes ponderales descubiertas a finales del siglo xviii se refiere a las proporciones entre los reactivos que intervienen en una reacción química de formación. Su descubridor, el farmacéutico y químico francés Joseph Louis Proust, tuvo mucho que ver con España.

OBSERVA Y APRENDE

➜ Obtenemos, a partir de la ecuación química ajustada, la relación de estequiometría necesaria, en moles o en masa.

En la reacción entre el hidrógeno (H2) y el oxígeno (O2) para formar agua (H2O), deduce su relación de estequiometría en masa, y calcula la cantidad de agua que se obtendrá cuando reaccionen completamente 96 g de oxígeno.

➜ Planteamos y resolvemos el cálculo de proporcionalidad correspondiente, haciendo uso de la relación de estequiometría anterior.

¿Sabes qué representó el movimiento cultural de la Ilustración para la ciencia en nuestro país?

Tras ajustar la ecuación química del proceso, escribimos su relación de estequiometría molar: → 2 H2 (g) + O2 (g) 2 H2O (g)

Observa estos dos ejemplos, en los que se utilizan las relaciones de estequiometría en moles y en masa:

Antiguo laboratorio de química.

2 mol H2

En 1795, Proust publicó la ley de las proporciones definidas. Según se enuncia en esta ley, cuando se combinan elementos para dar lugar a un compuesto, lo hacen siempre en la misma proporción de sus masas.

La existencia de esta proporción se conoce como estequiometría y se manifiesta en cualquier tipo de proceso químico; se constata experimentalmente que siempre los reactivos y productos en una reacción química dada mantienen una proporción constante.

■ En la reacción de formación del dióxido de nitrógeno

(H2) y el nitrógeno (N2) para dar amoníaco, calcula la cantidad en moles de amoníaco que se obtiene a partir de 5 moles de hidrógeno.

se cumple la siguiente relación de estequiometría en masa: Nitrógeno

Partimos de la ecuación química ajustada para esta reacción, y de su relación de estequiometría molar, dada por los coeficientes estequiométricos:

¿Qué son las relaciones de estequiometría?

La más inmediata relación de estequiometría se obtiene a partir de los coeficientes estequiométricos de una ecuación química ajustada: podemos establecer una proporción entre las moléculas de las sustancias que intervienen en el proceso.

Multiplicando todos los términos de esta proporción por el número de Avogadro (NA), obtenemos la relación de estequiometría molar.

Si multiplicamos cada término por su masa molar, resulta la relación de estequiometría en masa.

NH N

H

H H

Hidrógeno

3 H2 (g)

+

N2 (g)

→

2 NH3 (g)

3 moléculas H2

+

1 molécula N2

→

2 moléculas NH3

H H

H H

N N H H H

3 × NA moléculas H2 3 mol H2

HH

N

+

N2 (g)

3 mol H2

+

1 mol N2

→ 2 NH (g) → 2 mol NH 3

3

Aplicando las relaciones anteriores, calculamos la cantidad de amoníaco que nos piden planteando la correspondiente proporcionalidad entre las sustancias implicadas en cada caso. x mol NH3 2 mol NH3

H N N N H H HH H H H N H Amoníaco H

→ x=

=

5 mol H2 3 mol H2

5 mol H2 · 2 mol NH3 3 mol H2

1 mol N2

→

28 g N2

→

140 g N2 28 g N2

12. Ajusta la reacción entre el monóxido de carbono (CO, gas) y el oxígeno (O2, gas) para dar dióxido de carbono (CO2, gas). Obtén sus relaciones de estequiometría molar y en masa.

13. Halla las relaciones de estequiometría en moles y en masa para la reacción entre el dióxido de azufre (SO2) y el oxígeno (O2) que produce trióxido de azufre (SO3).

34 g NH3

95

96

1 mol O2

→

2 mol H2O

2 O2 (g)

→

64 g

2 NO2 (g) 92 g

=

x g O2 64 g O2

→x=

64 g O2 · 140 g N2 28 g N2

= 320 g O2

De igual modo, podemos calcular la cantidad de dióxido de nitrógeno que se formará: 140 g N2 28 g N2

=

x g NO2 92 g NO2

92 g NO2 · 140 g N2 28 g N2

→ = 460 g NO2

Para que reaccionen completamente 140 g de nitrógeno se necesitan 320 g de oxígeno. Al finalizar el proceso se obtienen 460 g de dióxido de nitrógeno.

Se cumple la ley de Lavoisier, pues la masa de los reactivos (140 g + 320 g), es igual a la masa de los productos de la reacción (460 g).

MH = 2 g/mol MO = 32 g/mol MH O = 18 g/mol

 Masa molecular H2 = 2 · 1 u = 2 u  Masa molecular O2 = 2 · 16 u = 32 u  Masa molecular H2O = 2 · 1 u + 1 · 16 u = 18 u

2

2

RECUERDA El n.º de moles de una sustancia puede calcularse como el cociente entre su masa en gramos y su masa molar: m n= M

2

m = 31 g

Deducimos la relación de estequiometría en masa, multiplicando para cada sustancia el número de moles por su masa molar: 2 H2 (g) 2 mol H2 · 2 g/mol 4 g H2

+ +

O2 (g) 1 mol O2 · 32 g/mol 32 g O2

→ →

96 g O2 32 g O2

=

x g H2O 36 g H2O

→

x=

36 g H2O · 96 g O2 32 g O2

M = 250 g/mol

2 H2O (g) 2 mol H2O · 18 g/mol 36 g H2O

Por último, calculamos la cantidad de agua que se produce a partir de 96 g de oxígeno, planteando la correspondiente relación de proporcionalidad entre ambas sustancias:

Para calcular la cantidad de oxígeno que reacciona, planteamos una relación de proporcionalidad a partir de los datos de que disponemos:

→ x=

2 mol NH3

Las reacciones químicas. Introducción a la estequiometría

+

28 g

En este proceso, cuando reaccionan 5 moles de hidrógeno se obtienen 3,3 moles de amoníaco, de acuerdo con la relación de estequiometría molar.

+ 1 mol N2 × 28 g/mol → 2 mol NH3 × 17 g/mol +

Oxígeno

N2 (g)

→

= 3,3 mol NH3

Dióxido de nitrógeno

Calcula la cantidad de oxígeno que se necesita para que reaccionen completamente 140 g de nitrógeno (N2) y la cantidad de dióxido de nitrógeno (NO2), que se obtendrá una vez finalizado el proceso.

+ 1 × NA moléculas N2 → 2 × NA moléculas NH3 +

3 mol H2 × 2 g/mol 6 g H2

N

3 H2 (g)

H

N N NN N N N H H H H H Nitrógeno

N

En una ecuación química ajustada, los coeficientes estequiométricos permiten su interpretación microscópica.

Esta proporción dada por los coeficientes estequiométricos puede expresarse también en moles, a través del número de Avogadro, o en masa, teniendo en cuenta la masa molar de cada sustancia. Observa cómo se haría para la reacción de formación del amoníaco:

+

Averiguamos para cada sustancia el valor de su masa molar:

OBSERVA Y APRENDE ■ Partiendo de la reacción ajustada entre el hidrógeno

= 108 g H2O

n=

m M

=

31 g 250 g/mol

= 0,12 mol

Cuando 96 g de O2 reaccionan con una cantidad suficiente de H2, se formarán 108 g de H2O.

14. El etano es un hidrocarburo que arde en presencia de oxígeno, dando lugar a dióxido de carbono y agua. Se observa que 15 g de etano reaccionan con 56 g de oxígeno y producen 27 g de agua. a) ¿Qué cantidad de dióxido de carbono se habrá generado? ¿En qué ley te has basado? b) ¿Qué relación de estequiometría podemos obtener a partir de los datos? ¿Cuál es su significado? c) Escribe otras relaciones de estequiometría en masa válidas para esta reacción. ¿Cómo se obtienen?

a) ¿Qué cantidad de oxígeno se necesita para producir 5,5 g de dióxido de carbono, de acuerdo con este proceso?

15. El carbono reacciona químicamente con el oxígeno al calentarlo y forma dióxido de carbono, de acuerdo con la siguiente ecuación química: C (s) + O2 (g) → CO2 (g)

a) La masa en gramos de trióxido de azufre que se obtiene a partir de 35 g de oxígeno.

b) ¿Cuánto carbono se consume?

Indica claramente los pasos que sigues para realizar ambos cálculos.

16. Basándote en las relaciones de estequiometría correspondientes a la reacción que tiene lugar entre el dióxido de azufre (SO2) y el oxígeno (O2) para dar trióxido de azufre (SO3), calcula:

b) Los moles de dióxido de azufre y de oxígeno necesarios para formar 7 moles de trióxido de azufre.

Las reacciones químicas. Introducción a la estequiometría

UNIDAD 4

97

ORIENTACIONES METODOLÓGICAS Tras una breve contextualización histórica y el visionado del vídeo motivador, este apartado se centra en los aspectos cuantitativos de los procesos químicos, con la introducción y manejo de uno de los conceptos más importantes de la química: la estequiometría.

Es esencial el estudio detenido de los ejemplos y la realización de tantas actividades prácticas como sea posible, sin perder de vista la justificación conceptual de los cálculos realizados y la comprensión del proceso real que está teniendo lugar en cada caso.

SOLUCIONES

e

7,5 g de etano + 14 g de oxígeno → 8 g de dióxido de carbono + + 13,5 g de agua

Respuesta libre. Supuso un gran avance en este aspecto, ya que España era un país en el que la actividad científica, a diferencia de otros ámbitos del saber, era muy minoritaria.

30 g de etano + 56 g de oxígeno → 32 g de dióxido de carbono + + 54 g de agua 15. Comenzamos escribiendo la relación de estequiometría en masa, a partir de la ecuación química ajustada:

12. La ecuación ajustada, con sus relaciones de estequiometría, es:

C (s ) +

O2 (g ) →

CO2 (g )

2 CO (g ) +

O2 (g )

→

2 CO2 (g )

1 mol +

1 mol →

1 mol

En moles:

2 mol CO +

1 mol O2 →

2 mol CO2

12 g +

32 g

→

44 g

En masa:

56 g CO

32 g O2

→

88 g CO2

+

A partir de la relación de estequiometría en masa, se puede plantear la correspondiente relación de proporcionalidad:

13. La reacción ajustada, con sus relaciones de estequiometría es: 2 SO2 (g )

+

O2 (g )

→

2 SO3 (g )

En moles:

2 mol SO2

+

1 mol O2 →

2 mol SO3

En masa:

128,2 g SO2

+

32 g O2

→

Masa de oxígeno =

160,2 g SO3

Masa de carbono =

14. a) Según la ley de Lavoisier, la masa de reactivos ha de ser igual a la masa de los productos de la reacción. De acuerdo con esto:

5,5 g dióxido de carbono · 32 g oxígeno =4g 44 g dióxido de carbono

5,5 g dióxido de carbono · 12 g carbono = 1,5 g 44 g dióxido de carbono

Para obtener 5,5 g de dióxido de carbono es necesario que reaccio­ nen 1,5 g de carbono con 4 g de oxígeno. Se observa que se cumple la ley de Lavoisier, pues 1,5 g de carbono + 4 g de oxígeno es igual a 5,5 g de dióxido de carbono.

15 g de etano + 56 g de oxígeno = x g de dióxido de carbono + + 27 g de agua Resolviendo, se obtiene que se producen 44 g de dióxido de car­ bono.

16. Planteando la correspondiente proporcionalidad, a partir de la rela­ ción de estequiometría, se obtiene:

b) De acuerdo con estos datos, se obtiene la relación de estequiometría en masa, según la cual por cada 15 g de etano que reaccionan con 28 g de oxígeno se forman 16 g de dióxido de carbono y 27 g de agua.

a) m (SO3) = 35 g O2 ⋅ 160,2 g SO3 /32 g O2 = 175,2 g SO3

c) Respuesta libre. Se obtienen relaciones de estequiometría en masa válidas multiplicando o dividiendo las cantidades por el mismo número, manteniendo así la proporción. Por ejemplo:

b) n (SO2) = 7 mol SO3 ⋅ 2 mol SO2 /2 mol SO3 = 7 mol SO2 n (O2) = 7 mol SO3 ⋅ 1 mol O2 /2 mol SO3 = 3,5 mol de O2 11

4 Las reacciones químicas. Introducción a la estequiometría

¿Cuáles son las reacciones químicas de interés?

5

5 ¿Cuáles son las reacciones químicas de interés?

¿En qué consiste la combustión?

e

La combustión es una reacción muy rápida entre una sustancia denominada combustible y el oxígeno del aire. Esta reacción se conoce desde la más remota antigüedad, ya que es la base del fuego, y tiene lugar en situaciones tan cotidianas como cuando quemamos madera, gas o gasolina.

Hay personas que, cuando ingieren ciertos alimentos o realizan comidas copiosas, sufren ardor de estómago.

Para estos casos, existen fármacos que ayudan a reducir el malestar, llamados antiácidos de forma general.

Los combustibles han ido cambiando a lo largo del tiempo y hoy en día se utilizan los llamados combustibles fósiles (carbón, petróleo y gas natural). En la reacción de combustión, los productos son el dióxido de carbono y agua, y, sobre todo, se desprende una gran cantidad de calor.

a ¿Qué efecto crees que produce el antiácido para que disminuya el ardor de estómago? b ¿Te parece que este fenómeno pueda estar relacionado con los cambios químicos?

Combustible + O2 (g)

→ CO (g) + H O (g) + Energía calorífica

Oxígeno

Se conocen millones de reacciones químicas y cada día se descubren otras nuevas; sin embargo, no todas tienen la misma importancia. Hay reacciones que son imprescindibles para la vida; otras son fundamentales en la industria química y farmacéutica, uno de los pilares en los que se basa el desarrollo social y tecnológico.

2

2

Dióxido de carbono

Agua

Combustión del gas.

De la reacción de combustión solamente nos interesa la energía liberada. La combustión nos proporciona casi el 90 % de la energía total que consumimos de una forma fácil y rápida. Sin embargo, tiene los inconvenientes del agotamiento de las reservas de combustible y, muy especialmente, el incremento del efecto invernadero, provocado por las grandes cantidades de dióxido de carbono que se vierten a la atmósfera.

¿Qué son las reacciones ácido-base?

¿Qué ocurre en la fotosíntesis?

Un destacado grupo de reacciones químicas se producen entre las sustancias denominadas ácidos y las llamadas bases o álcalis. Reciben el nombre de reacciones de neutralización ácido-base o simplemente reacciones ácido-base.

Con este nombre se conoce un conjunto complejo de reacciones químicas encadenadas, que sostienen la vida en nuestro planeta y regeneran el oxígeno atmosférico.

La caracterización de una sustancia como ácido o como base se fundamenta en sus propiedades, y ya era conocida en la época de los alquimistas. Fíjate bien:

Aunque comprende un buen número de reacciones diferentes, agrupadas en dos fases, denominadas fase luminosa y fase oscura, de una forma muy simplificada, la fotosíntesis puede resumirse mediante esta ecuación química:

Ácidos

Bases

Son ácidos los zumos de frutas, como los cítricos, el vinagre, los refrescos de cola, o el propio jugo gástrico del estómago.

Son bases la lejía, el bicarbonato de sodio, la sangre, la leche y la mayoría de los productos cosméticos y de limpieza.

➜ Son sustancias muy corrosivas.

➜ Reaccionan con los ácidos, haciéndolos per-

➜ Tienen sabor ácido.

der sus propiedades.

➜ Reaccionan con los metales

➜ Son sustancias corrosivas y sus disolucio-

y el mármol desprendiendo gases.

nes tienen un tacto jabonoso.

➜ Colorean de rojo la tintura de tornasol.

➜ Colorean de azul la tintura de tornasol.

Luz

CO2 (g) + H2O (I) + Sales minerales Dióxido Agua de carbono

➜ Tienen sabor amargo.

→

Glucosa Almidón Lípidos

Clorofila Proteínas, etc.

+ O2 (g) Oxígeno

Olivar.

e 17. La reacción de combustión es muy importante. Trabajaréis en parejas: a) Redactad un breve párrafo explicando el por qué. b) Investigad en libros o en Internet acerca del cambio climático y su relación con las reacciones de combustión a gran escala. Completad el párrafo anterior con esta información. c) Finalizad el texto con una argumentación sobre las medidas que podemos adoptar para atajar este grave problema medioambiental.

Las reacciones de neutralización ácido-base son aquellas cuyos reactivos son un ácido y una base. Los productos de esta reacción son, en todos los casos, una sal y agua. Observa este ejemplo, de la reacción entre el cloruro de hidrógeno –un ácido– y el hidróxido de sodio –una base–: Ácido HCl (ac) Cloruro de hidrógeno 98

Base +

NaOH (ac) Hidróxido de sodio

Sal →

NaCl (ac) Cloruro de sodio

18. Teniendo en cuenta la ecuación química que representa la fotosíntesis, ¿por qué dirías que es esencial preservar los grandes bosques y las selvas de la Tierra? Explícalo.

Agua +

19. Para detectar la presencia de ácidos o bases se utilizan sustancias que cambian de color: los indicadores.

Busca en libros de química o en Internet alguno de estos indicadores y completa una breve ficha sobre él.

Podéis utilizar las fichas elaboradas para componer un mural sobre los indicadores ácido-base.

H2O (l) Agua

UNIDAD 4

Las reacciones químicas. Introducción a la estequiometría

99

ORIENTACIONES METODOLÓGICAS Después de la actividad inicial, este epígrafe aborda directamente tres ejemplos de reacciones químicas bastante cotidianas y de gran trascendencia: son las reacciones de neutralización ácido-base, las de combustión y la fotosíntesis. Las dos prime­ ras pueden ejemplificarse con facilidad, pues es sencillo plantear e interpretar las ecuaciones químicas que representen ambos procesos. La última es más compleja, pero igualmente puede introducirse y destacarse su importancia para la vida en la Tierra.

SOLUCIONES mento del efecto invernadero; esto se relaciona como la principal causa del cambio climático actual.

e a) El efecto es neutralizar la excesiva acidez producida en la digestión de ciertos alimentos, responsables del ardor de estómago. b) Respuesta libre. Está muy relacionado, ya que en definitiva se trata de una reacción química ácido­base.

e 17. Respuesta libre. Orientaciones: la reacción de combustión produce, además de dióxido de carbono y vapor de agua, una gran cantidad de calor, que aprovechamos para múltiples usos, como pueden ser calefacción, calentamiento de alimentos en la cocina o producción de energía eléctrica en las centrales térmicas, entre otros. Al quemar masivamente combustibles fósiles se produce la emisión de grandes cantidades de CO2 a la atmósfera que está produciendo un incre­ 3 12

18. En la fotosíntesis, son reactivos el dióxido de carbono atmosférico y el agua, además de ciertas sales minerales. Debido al proceso, estos reactivos se transforman, dando lugar a biomoléculas (glucosa, almi­ dón, lípidos, proteínas…) y oxígeno, que son los productos. El oxíge­ no que se produce es liberado por las plantas a la atmósfera, repo­ niendo el que se consume en otros procesos, como la respiración de los seres vivos, manteniendo así un equilibrio en la cantidad de oxí­ geno en la naturaleza. De ahí la importancia de mantener las masas de bosques y selvas del planeta.

19. Respuesta libre. Orientaciones: dos indicadores habituales en el la­ boratorio de Química son: • Tornasol. Color rojo frente a un ácido, y azul frente a una base.

• Fenolftaleína. Incolora frente a un ácido, y color rosa fucsia frente a una base.

PROFUNDIZA ORIENTACIONES METODOLÓGICAS

PROFUNDIZA Reacciones químicas entre gases

En esta unidad, esta sección complementa lo estudiado sobre estequiometría, introduciendo las reacciones en fase gaseosa. El punto de partida es la re­ lación de estequiometría en volumen, aplicable a este tipo de procesos, con la que es posible realizar los cálculos correspondientes de cantidades de reactivos y productos.

Hay procesos químicos en los que todas las sustancias que intervienen se encuentran en estado gaseoso. En estos casos, además de las relaciones de estequiometría molar y en masa, es posible escribir una nueva relación estequiométrica, expresada en términos de volumen.

La relación de estequiometría en volumen viene dada directamente, como ocurre con la relación molar, por los coeficientes estequiométricos.

Observa: 3 H2 (g)

Depósitos de gas.

+

N2 (g)

→

2 NH3 (g)

3 volúmenes H2

+

1 volumen N2

→

2 volúmenes NH3

3 L H2

+

1 L N2

→

2 L NH3

Hidrógeno

Nitrógeno

Amoníaco

¿Para qué sirve?

¿Cómo se justifica?

La relación de estequiometría en volumen se puede utilizar para realizar cálculos de volúmenes de reactivos consumidos o productos obtenidos en una reacción entre gases.

El volumen que ocupa un mol de un gas, a una presión y una temperatura dadas, es siempre el mismo. Este volumen molar viene dado por la ecuación de los gases perfectos:

Así, en el ejemplo anterior de la reacción de formación del amoníaco, si queremos calcular el volumen de hidrógeno necesario para obtener 21 L de amoníaco, nos basaríamos en la relación en volumen: x L H2 3 L H2 x=

=

→

2 L NH3 = 31,5 L H2

SOLUCIONES

Para 1 mol: Vm = R T/ p

p = 1 atm

Cada mol de gas, en estas condiciones, ocupa un volumen de 22,4 L.

21 L NH3

3 L H2 · 21 L NH3 2 L NH3

p V=nRT T = 273 K

Por tanto, la relación en moles puede expresarse directamente en unidades de volumen, pues el número de moles y el volumen son proporcionales.

20. a) La ecuación ajustada de este proceso es:

20. El propano (C3H8) reacciona químicamente con el oxígeno (O2), para formar dióxido de carbono (CO2) y agua (H2O). Teniendo en cuenta que todas estas sustancias se encuentran en estado gaseoso: a) Ajusta la ecuación química correspondiente a este proceso. c) Calcula el volumen de oxígeno que se necesita para que reaccionen completamente 12,5 L de gas propano.

100

5 O2 (g ) →

C3H8 (g ) +

b) Escribe sus relaciones de estequiometría en moles y en volumen.

3 CO2 (g ) +

4 H2O (g )

b) Las relaciones de estequiometría molar y en volumen son:

UNIDAD 4

5 O2 (g ) →

C3H8 (g ) +

En moles: 1 mol + 5 mol En volumen: 1 L + 5 L

→ 3 mol → 3L

c) Volumen de oxígeno = 12,5 L C3H8 ⋅

21. Explica la diferencia entre un proceso físico y un proceso químico, ilustrando la explicación con un ejemplo de cada uno de ellos.

34. Indica el coeficiente estequiométrico que falta en cada una de las siguientes ecuaciones químicas para que estén ajustadas:

Si llenamos el mechero con 250 mL de etanol, cuya densidad es 0,79 g/cm3:

b) A partir de 23 g de H2 reaccionando con ◆ g de O2, se han formado 207 g de H2O.

a) CuSO4 (ac) + ◆ KOH (ac)

→

a) ¿Qué masa de etanol hemos colocado en el mechero?

b) 2 Na (s) + 2 H2O (l)

◆ NaOH (ac) + H2 (g)

c) Para obtener 1,8 g de H2O se han precisado 1,6 g de O2 y una cantidad ◆ g de H2.

a) Una persona sube por una escalera mecánica.

29. ¿Verdadero o falso? Justifica tu respuesta.

b) Hace frío y el agua del patio se congela.

a) Lavoisier descubrió que los reactivos se consumen en una reacción.

d) Hemos cocido un huevo.

23. Contesta brevemente estas cuestiones: a) ¿Qué se entiende por reacción química? b) ¿Qué fenómenos fácilmente perceptibles nos indican que está ocurriendo una reacción química?

24. ¿Son correctos estos enunciados? En caso de que sean incorrectos, sustitúyelos por los enunciados adecuados: a) Al añadir colorante al caldo del arroz, se produce una reacción química, pues se da un cambio de color. b) La transformación del petróleo en plástico ocurre mediante reacciones químicas. c) Al hervir el agua tiene lugar un proceso físico, aunque se desprenda vapor. d) Mientras arde una cerilla ocurre un proceso físico.

25. Explica qué ocurre a nivel microscópico durante una reacción química. ¿Por qué cambian las sustancias que participan en la reacción?

26. ¿Qué es la velocidad de reacción? Indica cuáles de las siguientes acciones aumentan la velocidad de una reacción: a) Calentar los reactivos. b) Añadir más cantidad de reactivos. c) Concentrar los reactivos. d) Utilizar un recipiente más pequeño.

27. Una sustancia A reacciona químicamente con otra B para formar una nueva sustancia C. Se sabe que cuando 25 g de A reaccionan con cierta cantidad de B se forman 110 g de C. ¿Cuál es la cantidad de B que se ha consumido en este proceso? Justifícalo, indicando la ley en la que has basado tu razonamiento.

28. La formación del agua tiene lugar por la reacción entre el hidrógeno (H2) y el oxígeno (O2), elementos ambos gaseosos. Halla, teniendo en cuenta la ley de conservación de la masa, las cantidades de reactivos o productos que faltan en cada caso:

102

b) La ley de conservación de la masa se explica a nivel microscópico. c) La conservación de la masa depende de la cantidad de reactivos que pongamos inicialmente. d) Los moles de productos obtenidos en una reacción son los mismos que los moles de reactivos.

30. Define qué es una ecuación química. a) Escribe un ejemplo de ecuación química y explica el significado de lo que aparece en ella. b) Dada la siguiente ecuación química: Calcio

Ca (s) +

Agua

Hidróxido de calcio

Hidrógeno

Ca(OH)2 (ac) +

H2 (g)

H2O (l) →

Indica qué información podemos obtener a partir de ella. ¿Podría obtenerse información cuantitativa?

31. Las siguientes ecuaciones representan procesos químicos. Sin embargo, una de ellas nos muestra una reacción que no podría tener lugar de la forma representada. Identifícala y señala el error: a) C (s) + O2 (g)

→

CO2 (g) + H2O (l)

b) HCl (ac) + NaOH (ac) c) C12 H22 O11 (s)

→

NaCl (ac) + H2O (l)

→

C (s) + H2O (l)

32. Contesta estas cuestiones: a) ¿Qué condiciones deben cumplirse para considerar que una ecuación química está ajustada? b) ¿Cómo puedes comprobar si una ecuación está ajustada o no? c) ¿En qué ley científica nos basamos para llevar a cabo el ajuste de las ecuaciones químicas?

33. Comprueba, realizando el recuento de átomos, si las siguientes ecuaciones químicas están ajustadas o no: a) Al (s) + N2 (g)

→

2 AIN (s)

b) CaCO3 (s) + 2 HCl (ac) → CaCl2 (ac) + CO2 (g) + H2O (l) c) Kl (ac) + Pb(NO3)2 (ac) → d) C8H16 (l) + 13 O2 (g) e) CO2 (g) + Ca(OH)2 (s)

→ →

Pbl2 (s) + 2 KNO3 (ac)

8 CO2 (g) + 10 H2O (g) CaCO3 (s) + H2O (l)

→

c) Zn(OH)2 (s) + H2SO4 (ac)

Cu(OH)2 (s) + K2SO4 (ac)

→ ZnSO4 (ac) + ◆ H2O (l)

35. Ajusta las siguientes ecuaciones químicas, aplicando el método de tanteo mediante el recuento de los átomos: a) NO (g) + O2 (g)

→

b) Al (s) + O2 (g)

→ Al2O3 (s)

NO2 (g)

e) PbO2 (s)

→

PbO (s) + O2 (g)

36. Ajusta estas ecuaciones químicas, utilizando el método de tanteo mediante el recuento de los átomos: a) Cu (NO3)2 (s)

→

b) ¿Cuánto oxígeno necesitamos para quemar completamente ese etanol? c) ¿Qué cantidad de dióxido de carbono se habrá formado tras el proceso, una vez consumido todo el etanol?

H2 (g) + Cl2 (g) → HCl (g)

CO2 (g) + H2O (g)

→

CuO (s) + NO2 (g) + O2 (g)

b) C3 H6 (g) + O2 (g)

→

CO2 (g) + H2O (g)

c) C10H22 (g) + O2 (g)

→

CO2 (g) + H2O (g)

d) Ca(OH)2 (ac) + H3PO4 (ac) → Ca3 (PO4)2 (s) + H2O (l) 37. La estequiometría o proporción entre las cantidades de reactivos y productos de una reacción química es uno de los conceptos más importantes de la química. a) ¿Qué se entiende por relación de estequiometría, con independencia de la forma en que esté expresada?

a) Ajusta la ecuación química y escribe su relación de estequiometría molar. b) ¿Cuántos moles de cloro se requieren para que reaccionen completamente 4 moles de hidrógeno? c) Si queremos que reaccionen completamente 461,5 g de cloro (Cl2), ¿cuántos moles de hidrógeno serán necesarios para ello? Utiliza el dato de la masa molar del Cl2 (71 g/mol).

42. Considera la reacción de combustión entre el gas butano (C4H10) y el oxígeno, en la que se forman dióxido de carbono y vapor de agua. a) Escribe la ecuación química que corresponde a este proceso y ajústala.

b) ¿Es la relación de estequiometría única para una misma reacción?

b) Halla la relación de estequiometría molar y calcula, a partir de ella, su relación de estequiometría en masa.

c) ¿Qué utilidad tienen las relaciones de estequiometría?

c) Calcula la cantidad de oxígeno que se necesita para quemar completamente 25 g de gas butano, de acuerdo con este proceso.

38. Observa la siguiente ecuación química ajustada, correspondiente a la combustión del gas eteno: C2H4 (g) + 3 O2 (g) → 2 CO2 (g) + 2 H2O (g) Indica dos relaciones de estequiometría posibles en moles y en masa para la reacción anterior.

43. ¿Qué propiedades características y diferenciadas tienen los ácidos y las bases? ¿Cómo los distinguimos en el laboratorio? Pon tres ejemplos de sustancias ácidas y tres de sustancias básicas habituales en nuestro entorno.

39. El agua puede descomponerse mediante un proceso químico denominado electrólisis, en el cual se cumple esta relación de estequiometría en masa:

44. La reacción entre el ácido sulfúrico (H2SO4) y el hidróxido de sodio (NaOH) en disolución da lugar a sulfato de sodio (Na2SO4) disuelto y agua.

Agua 9g

→

Hidrógeno 1g

+

Oxígeno 8g

a) ¿Qué tipo de reacción química es? Explícalo.

Si se descomponen industrialmente 25 480 kg de agua con un rendimiento del 70 %, ¿qué cantidades de hidrógeno y de oxígeno se obtendrán de la descomposición?

40. Cuando no se requieren temperaturas altas, en el laboratorio se utilizan mecheros que funcionan quemando etanol (alcohol etílico), de acuerdo con la siguiente reacción, para la que se da la relación de estequiometría en masa: Etanol + Oxígeno

46 g

96 g

→

Dióxido de carbono

88 g

UNIDAD 4

+ 4 mol + 4L

41. La reacción entre el hidrógeno y el cloro para dar cloruro de hidrógeno es:

→ Ag (s) + O2 (g)

c) AgO (s)

d) C2H4 (g) + O2 (g)

4 H2O (g )

5 L O2 = 62,5 L O2 1 L C3H8

a) 10 g de H2 reaccionan con 80 g de O2 para formar ◆ g de H2O.

22. De los siguientes fenómenos, indica los que corresponden a un cambio físico y los que son cambios químicos. Justifica en cada caso la elección:

c) Un pendiente de plata se ha ennegrecido después de varios años.

3 CO2 (g ) +

+

Vapor de agua

54 g

b) Escribe la ecuación química y ajústala. c) Calcula los moles de hidróxido de sodio necesarios para que reaccionen completamente con 5 moles de ácido sulfúrico. d) Halla la masa de sulfato de sodio obtenida a partir de 20 g de ácido.

45. ¿Qué es una reacción de combustión? ¿Por qué son importantes? Escribe y ajusta la ecuación química para la combustión del gas propano (C3H8), utilizado habitualmente como combustible en calderas de calefacción.

Las reacciones químicas. Introducción a la estequiometría

103

SOLUCIONES 21. En un proceso físico, como es la fusión del hielo para dar agua líquida, no cambia la naturaleza de las sustancias, mientras que en un proceso químico, como es la combustión, sí cambian las sustancias implicadas.

d) Se ha producido un cambio en la naturaleza de las sustancias in­ volucradas, pues la proteína del huevo se ha desnaturalizado. Es un cambio químico.

22. a) Se ha producido un cambio de posición. Es un cambio físico. b) No cambia la naturaleza de la sustancia, que sigue siendo agua. Es un cambio físico. c) Se ha producido un cambio químico, pues se ha formado un com­ puesto de plata.

23. a) Una reacción química es un proceso en el cual cambian las sus­ tancias. b) Se pone de manifiesto cuando se producen cambios de color o de temperatura bruscos e inesperados, aparecen sustancias sólidas (precipitados) o se desprenden gases.

13 4 Las reacciones químicas. Introducción a la estequiometría

24. a) No es correcto. El cambio de color no es inesperado. Al añadir colorante al caldo de arroz, no se ha producido ninguna reacción química, pues el cambio de color es ocasionado por el colo­ rante. b) Correcto. Se obtienen sustancias de naturaleza completamente diferente. c) Correcto. Se desprende vapor de agua, pero hemos calentado pre­ viamente. d) No es correcto. Al arder se producen sustancias nuevas de natura­ leza diferente, se desprenden gases y se produce un gran aumen­ to de la temperatura. Cuando encendemos una cerilla, tiene lugar un proceso químico.

25. Tiene lugar un reordenamiento de los átomos que componen las di­ ferentes sustancias, lo cual origina nuevas sustancias distintas a las iniciales.

26. La velocidad de reacción es la rapidez con la que ocurre la transfor­ mación de reactivos en productos. Se incrementa la velocidad de re­ acción en todos los casos excepto el último (d), dado que, aunque se utilice un recipiente más pequeño, el factor que influye es la concen­ tración de las sustancias que participan como reactivos (un recipiente más pequeño implica menos cantidad de todo, pero no necesaria­ mente una mayor concentración).

27. Para que la masa total de reactivos sea igual a la de productos, como establece la ley de Lavoisier, se han tenido que consumir 85 gramos de B (25 g A + 85 g B = 110 g C).

Hidrógeno + Oxígeno

→

Agua

a)

10 g + 80 g

→

90 g

b)

23 g + 184 g

→

207 g

c)

0,2 g + 1,6 g

→

1,8 g

28.

32. a) Deben aparecer indicados los coeficientes estequiométricos, de tal forma que el número de átomos de cada tipo en reactivos y productos sea el mismo. b) Contamos el número de átomos de cada elemento en reactivos y productos y debe ser el mismo para todos los elementos que haya. c) En la ley de Lavoisier.

33. a) Al (s ) + N2 (g ) →

2 AlN (s ).

No está ajustada.

Reactivos: 1 átomo de Al y 2 átomos de N. Productos: 2 átomos de Al y 2 átomos de N. b) CaCO3 (s ) + 2 HCl (ac ) → CaCl2 (ac ) + CO2 (g ) + H2O (l ).

Está ajustada.

Reactivos: 1 átomo de Ca, 1 átomo de C, 3 átomos de O, 2 átomos de H y 2 átomos de Cl. Productos: 1 átomo de Ca, 1 átomo de C, 3 átomos de O, 2 átomos de H y 2 átomos de Cl. c) KI (ac ) + Pb(NO3)2 (ac ) → PbI2 (s ) + 2 KNO3 (ac ).

No está ajustada.

Reactivos: 1 átomo de K, 1 átomo de I, 1 átomo de Pb, 2 átomos de N y 6 átomos de O. Productos: 2 átomos de K, 2 átomos de I, 1 átomo de Pb, 2 átomos de N y 6 átomos de O. d) C8H16 (g ) + 13 O2 (g ) → 8 CO2 (g ) + 10 H2O (g ).

No está ajustada.

Reactivos: 8 átomos de C, 16 átomos de H y 26 átomos de O.

29. a) Falso. Lavoisier descubrió que la masa total de reactivos y de productos es la misma. b) Verdadero. Se explica al considerar que lo que ocurre es un rea­ grupamiento de átomos. c) Falso. La masa siempre se conserva. Si ponemos más cantidad de alguno de los reactivos, sobrará y quedará una parte sin reaccionar. d) Falso. Los moles de productos obtenidos no tienen por qué coinci­ dir con los de reactivos, necesariamente. Depende de los coefi­ cientes estequiométricos.

30. Es una representación simbólica de un proceso químico, en la que se indican las sustancias que participan mediante sus fórmulas quími­ cas y el estado físico en que se encuentran, separando reactivos y productos con una flecha. a) Un ejemplo es la ecuación que representa la reacción de forma­ ción del agua, que indica que el hidrógeno gaseoso reacciona con el oxígeno gaseoso y forman agua, también en estado gaseoso: H2 (g ) +

31. La primera es incorrecta, pues aparece en los productos el elemento hidrógeno (H), que no se encuentra formando parte de ninguno de los reactivos iniciales.

O2 (g ) → H2O (g )

Productos: 8 átomos de C, 20 átomos de H y 26 átomos de O. e) CO2 (g ) + Ca(OH)2 (s ) → CaCO3 (s ) + H2O (l ) Está ajustada.

Reactivos: 1 átomo de C, 1 átomo de Ca, 2 átomos de H y 4 áto­ mos de O. Productos: 1 átomo de C, 1 átomo de Ca, 2 átomos de H y 4 áto­ mos de O. 34. a) CuSO4 (ac ) + 2 KOH (ac ) → Cu(OH)2 (s ) + K2SO4 (ac ) b) 2 Na (s ) + 2 H2O (l) → 2 NaOH (ac ) + H2 (g ) c) Zn(OH)2 (s ) + H2SO4 (ac ) → ZnSO4 (ac ) + 2 H2O (l ) 35. a) 2 NO (g ) + O2 (g ) → 2 NO2 (g ) b) 4 Al (s ) + 3 O2 (g ) → 2 Al2O3 (s ) c) 2 AgO (s ) → 2 Ag (s ) + O2 (g ) d) C2H4 (g ) + 3 O2 (g ) → 2 CO2 (g ) + 2 H2O (g ) e) 2 PbO2 (s ) → 2 PbO (s ) + O2 (g ) 36. a) 2 Cu(NO3)2 (s ) → 2 CuO (s ) + 4 NO2 (g ) + O2 (g )

b) Reactivos: calcio (sólido) y agua (líquida).

Productos: hidróxido de calcio (en disolución acuosa) e hidrógeno (gas). No podría obtenerse información cuantitativa, ya que no está ajustada.

3 14

b) 2 C3H6 (g ) + 9 O2 (g ) → 6 CO2 (g ) + 6 H2O (g ) c) 2 C10H22 (g ) + 31 O2 (g ) → 20 CO2 (g ) + 22 H2O (g ) d) 3 Ca(OH)2 (ac ) + 2 H3PO4 (ac ) → Ca3(PO4)2 (s ) + 6 H2O (l )

37. a) Es la proporción en que se encuentran los reactivos y los produc­ tos en una reacción química. b) No, una misma reacción puede tener infinitas relaciones de este­ quiometría de cada tipo, pues pueden variarse las cantidades manteniendo la proporción. c) Al conocer las relaciones de estequiometría es posible realizar cál­ culos sobre las cantidades relativas de sustancias que reaccionan o se producen.

38. Podemos obtener sus relaciones de estequiometría en moles y en masa a partir de las masas molares de cada una de las sustancias implicadas en la reacción. Con estas relaciones de estequiometría, podemos calcular las cantidades de reactivos que se necesitan, o de productos que se forman, a partir de una cantidad dada de alguna de las sustancias que participan en la reacción. Las relaciones de este­ quiometría para la reacción indicada son:

n (Cl2) =

4 mol H2 · 1 mol Cl2 = 4 mol Cl2 1 mol H2

c) En primer lugar, expresamos esa cantidad de cloro en moles, utili­ zando la fórmula: n = m/M. n=

461,5 g Cl2 = 6,5 mol Cl2.

71 g/mol

El número de moles de hidrógeno necesarios para que reaccione esta cantidad de cloro es: n (H2) =

6,5 mol Cl2 ⋅ 1 mol H2 = 6,5 mol H2 1 mol Cl2

42. a) La ecuación ajustada es: 2 C4H10 (g ) + 13 O2 (g ) → 8 CO2 (g ) + 10 H2O (g ) b) Las relaciones de estequiometría son:

→ 2 CO2 (g ) + 2 H2O (g )

2 C4H10 (g ) +

En moles: 1 mol C2H4 + 3 mol O2 → 2 mol CO2 + 2 mol H2O

En moles: 2 mol +

13 mol

→ 8 mol

+ 10 mol

→ 88 g CO2 + 36 g H2O

En masa: 116 g +

416 g

→ 352 g

+ 180 g

C2H4 (g ) + 3 O2 (g ) En masa:

28 g C2H4 + 96 g O2

39. La relación de estequiometría puede expresarse en cualquiera de las unidades de masa, por ejemplo, kg, de modo que 9 kg de agua dan lugar a 1 kg de hidrógeno y 8 kg de oxígeno. De acuerdo con esto se puede plantear la correspondiente relación de proporcionalidad, con­ siderando que el rendimiento fuese del 100 %: 25 480 kg de agua · 1 kg hidrógeno = 9 kg agua = 2 831 kg hidrógeno

Masa de hidrógeno =

25 480 kg de agua · 8 g oxígeno = 9 kg agua = 22 649 kg oxígeno

Masa de oxígeno =

Como el rendimiento es tan solo del 70 %, en realidad se obtiene el 70 % de cada una de estas cantidades, es decir, se obtiene:

40. a) En el mechero hay 197,5 g de etanol: m = V ⋅ d = 250 mL ⋅ 0,79 g/mL b) Se necesitan 412,2 g de oxígeno: m (oxígeno) =

197,5 g etanol · 96 g oxígeno = 412,2 g 46 g etanol

c) Se producirán 377,8 g de dióxido de carbono: m (dióxido de carbono) =

197,5 g etanol · 88 g oxígeno = 377,8 g 46 g etanol

41. a) La ecuación ajustada, con su relación de estequiometría molar es: H2 (g ) + Cl2 (g ) → 2 HCl (g ) 1 mol + 1 mol → 2 mol b) De acuerdo con la relación de estequiometría anterior, puede plan­ tearse el siguiente cálculo:

+ 10 H2O (g )

c) Se necesitarán 89,7 g de oxígeno.

43. Los ácidos son sustancias corrosivas que atacan a los metales y al mármol, mientras que las bases son sustancias corrosivas, de tacto jabonoso, que reaccionan con los ácidos. En el laboratorio se reco­ nocen mediante indicadores. Por ejemplo, los ácidos dan una colora­ ción roja a la tintura de tornasol, mientras que las bases dan colo­ ración azul. Son ácidos los zumos de cítricos, el vinagre y los refrescos de cola, y bases la lejía, la leche o el bicarbonato de sodio.

44. a) Es una reacción ácido­base, en la que se forma una sal y agua. b) La ecuación ajustada es: H2SO4 (ac ) + 2 NaOH (ac ) → Na2SO4 (ac ) + 2 H2O (l ) c) Se necesitan 10 moles de NaOH:

Masa de hidrógeno obtenida = 2 381 kg ⋅ 70/100 = 1 667 kg.

Masa de oxígeno obtenido: 22 649 kg ⋅ 70/100 = 15 854 kg.

13 O2 (g ) → 8 CO2 (g )

n=

5 mol H2SO4 ⋅ 2 mol NaOH = 10 mol NaOH 1 mol H2SO4

d) Para hacer este cálculo, obtendremos primero la relación de este­ quiometría en masa: H2SO4 (ac ) 98 g

+ 2 NaOH (ac)

→ Na2SO4 (ac )

+ 2 H2O (l )

+

→

+

80 g

142 g

36 g

Aplicando una relación de proporcionalidad, calculamos que se obtendrán 28,98 g de sulfato de sodio. m=

20 g H2SO4 ⋅ 142 g Na2SO4 = 28,98 g Na2SO4 98 g H2SO4

45. Es una reacción en la cual una sustancia, llamada combustible, reac­ ciona químicamente con el oxígeno y produce dióxido de carbono y vapor de agua, liberando gran cantidad de energía. Esta energía es aprovechada en múltiples procesos y aplicaciones, de ahí la impor­ tancia de estas reacciones. En el caso del gas propano, la reacción ajustada es: C3H8 (g ) + 5 O2 (g ) → 3 CO2 (g ) + 4 H2O (g )

15 4 Las reacciones químicas. Introducción a la estequiometría

e SOLUCIONES

REFUERZO MIS COMPETENCIAS

e 46. Redacta un párrafo de unas cinco o seis líneas explicando lo que es una reacción química, en el que aparezcan los siguientes términos: cambio químico, sustancias, reactivos, productos, átomos, transformación, microscópico, reorganización.

47. Una empresa de bebidas refrescantes lleva a cabo diversas operaciones de tratamiento del agua que utiliza y de preparación del producto, previas al envasado, que son las siguientes: a) Se filtra el agua para eliminar posibles partículas en suspensión. b) Se añaden sustancias que se combinan con el calcio y lo retienen, para regular su concentración. c) Se añade cloro para eliminar posibles organismos patógenos. d) Se elimina el cloro haciendo pasar el agua por unos filtros de carbón activo. e) Se mezcla el agua con un jarabe de azúcar, aromas y colorantes. f) Se carbonata el agua con gas dióxido de carbono a alta presión y baja temperatura.

Elabora una tabla en la que clasifiques justificadamente los procesos anteriores en físicos y químicos.

48. Las reacciones entre sustancias gaseosas suelen ser más rápidas que las que ocurren en un medio líquido y estas, a su vez, más rápidas que si intervienen sólidos. ¿Cómo podrías explicar este hecho experimental? Recuerda los postulados de la teoría cinético-molecular sobre el comportamiento de las partículas en cada estado de agregación a escala microscópica.

49. La ley de conservación de la masa es, pese a su sencillez, una de las leyes más importantes de la química. Redacta un texto enunciando e ilustrando esta ley con un ejemplo distinto del que has estudiado en la unidad. Incluye también en tu texto la explicación microscópica de la ley y la utilidad práctica que tiene.

50. Para comprobar la ley de conservación de la masa, Isabel ha disuelto una pastilla efervescente de 2 g en un vaso que contiene 200 g de agua, pero, al pesar el contenido total del vaso tras la disolución, ha obtenido 200,5 g. Su conclusión ha sido que esta reacción no cumple la ley. ¿Es correcta la conclusión de Isabel? Analiza su razonamiento, e indica justificadamente si estás de acuerdo o no con la conclusión obtenida.

a) ¿Qué ácidos son los más importantes para la industria química? ¿Para qué se utilizan?

46. Respuesta libre.

b) ¿Qué es el papel indicador? ¿Cómo funciona? c) Las bases también tienen un papel destacado. Encuentra cuáles son las de mayor importancia industrial.

47. a) Físico. Partículas y agua siguen conservando su naturaleza, pero por separado.

d) ¿Qué es la escala de pH? ¿Cuál es el pH del agua? ¿Qué significado tiene ese valor?

52. Cuando se introduce una cerilla encendida en un tubo de ensayo, termina por apagarse espontáneamente después de unos segundos. ¿Qué hipótesis se te ocurre para explicar este hecho experimental?

b) Químico. Se producen nuevas sustancias en las que el calcio ha quedado retenido químicamente.

Recuerda que, cuando la cerilla arde, está teniendo lugar una reacción de combustión y ten en cuenta que el dióxido de carbono (CO2) es más denso que el aire.

c) Químico. La interacción del cloro con los microorganismos es de tipo químico.

53. Antoine de Lavoisier, un espíritu inquebrantable La ley de conservación de la masa recibe también el nombre de «ley de Lavoisier» en homenaje a este químico francés, que fue el primero en validarla experimentalmente. La figura de Lavoisier, quien tenía como ayudante y colaboradora a su esposa, destaca en la historia de la ciencia. Os proponemos realizar una investigación sobre su vida y obra, trabajando por parejas, a partir de estas cuestiones:

d) Químico. Al reaccionar el cloro con el carbón pierde sus propie­ dades.

a) Lavoisier vivió en Francia, en una época histórica muy convulsa. Buscad algunos datos biográficos y ponedlos en el contexto de dicha época.

e) Físico. Tendremos las mismas sustancias, pero mezcladas.

b) La vocación científica de Lavoisier es muy destacable. ¿Cómo desarrollaba sus investigaciones? ¿Qué papel desempeñaba su esposa, Marie-Anne Pierrette Paulze, en esta labor?

f) Físico. De este modo se disuelve gas CO2 en el agua, pero siguen siendo las mismas sustancias.

c) ¿Qué aportaciones se atribuyen a Lavoisier en el ámbito de la química? Enumeradlas.

Con la información obtenida, elaborad una presentación, que podéis completar con curiosidades e imágenes, para la puesta en común en clase.

48. De gas a sólido disminuye la capacidad de movimiento de las partícu­ las y, en consecuencia, el número de colisiones entre estas. Si la reac­ ción química requiere de las colisiones entre las partículas de los re­ activos para que suceda, es lógico que las reacciones entre gases sean más rápidas que las reacciones entre sólidos. No obstante, debe recordarse que hay más factores que influyen, por lo que puede haber excepciones.

51. Los ácidos y las bases son sustancias de gran importancia, tanto en el laboratorio como en la industria química.

Utiliza la bibliografía o Internet para investigar la respuesta a estas cuestiones:

104

➚ Marie-Anne Pierrette y Antoine de Lavoisier.

UNIDAD 4

49. Respuesta libre.

50. La conclusión no es correcta. Isabel debe tener en cuenta que se ha desprendido un gas, concretamente dióxido de carbono, que es un producto de la reacción y que debe contabilizarse al calcular la masa de los productos. De acuerdo con los datos, en esta reacción se ha­ brán desprendido 1,5 g de este gas.

51. a) La industria química emplea principalmente tres ácidos.

• El ácido sulfúrico, que se utiliza para producir fertilizantes, des­ engrasante en el tratamiento del acero, o la producción de ex­ plosivos, entre otros.

• El ácido nítrico, muy utilizado en la producción de fertilizantes y explosivos, y combinado con el cloruro de hidrógeno da lugar a «agua regia», capaz de disolver el oro.

• El cloruro de hidrógeno, que se utiliza en el tratamiento de me­ tales y el refinado de minerales, entre otros. b) Se trata de un papel impregnado de un indicador ácido­base, que cambia de color en presencia de un ácido o de una base, y sirve para poner de manifiesto este tipo de sustancias. c) Dos bases de gran importancia industrial son: • El hidróxido de sodio es muy utilizado en la fabricación de ja­ bones y en la industria papelera para la extracción de fibras de celulosa de la madera, entre otros.

3 16

• El hipoclorito de sodio se utiliza principalmente como agente blanqueante y desinfectante en productos de limpieza. d) Es una escala para medir la fuerza relativa de ácidos y bases. Toma valores entre 0 y 7 para un ácido, el valor 7 para una sustancia neu­ tra (sin propiedades ácidas ni básicas), y entre 7 y 14 para las bases.

52. Respuesta libre. Orientaciones. El interior del tubo se va llenando con dióxido de carbono que, al ser más denso que el oxígeno, desplaza a este último. La ausencia de oxígeno en el tubo impide que pueda continuar la reacción, y la cerilla acaba apagándose.

53. a) Respuesta libre. Se trata de la época de la Revolución francesa. El propio Lavoisier fue condenado y ejecutado en la guillotina, tras un juicio sumarísimo basado en acusaciones falsas. b) Era un investigador muy minucioso, que anotaba, pesaba y ex­ traía conclusiones con una mente científica, libre de prejuicios. Se sabe que su esposa colaboraba realizando dibujos y preparando montajes, así como registrando datos y quizás también en el aná­ lisis de los resultados. c) Aunque estudió de forma experimental y exhaustiva numerosos procesos químicos, podemos destacar la confirmación de la ley de conservación de la masa, la refutación de la teoría del flogisto para explicar la combustión y la recopilación de los saberes de la incipiente ciencia química en su obra Tratado elemental de química, que sentó las bases de la formación de las siguientes genera­ ciones de químicos.

En la unidad se han propuesto dos situaciones de aprendizaje distintas. Por un lado, conocer cómo se llevan a cabo las reacciones químicas en el laboratorio, de carácter experimental, y por otro una situación de aprendizaje contextualizada en el entorno cercano del alumnado con tareas que deberá resolver de manera creativa y colaborativa.

Reacciones químicas en el laboratorio ¿Qué pretendemos?

Comprobaremos cómo cambia la naturaleza de las sustancias en un proceso químico, observando los indicadores que lo ponen de manifiesto y realizaremos algunos cálculos para verificar si se cumple la ley de conservación de la masa.

var a cabo la experiencia. En dos tubos de ensayo limpios, añade los reactivos indicados en la tabla (A y B en cada caso) de la forma descrita y observa lo que ocurre.

REACTIVOS

PRODUCTOS

Cloruro de hidrógeno (HCl) Añade a un tubo con 10 gotas de A un trozo de B.

Dicloruro de zinc (ZnCl2) y gas hidrógeno (H2)

A

Yoduro de potasio (KI)

B

Nitrato de plomo(II) (Pb(NO3)2)

Yoduro de plomo(II) (PbI2) y nitrato de potasio (KNO3)

B 2

➜ Cuentagotas.

En la planta de procesado, la pirita se somete a tostación, que consiste en calentarla a alta temperatura para que reaccione químicamente con el oxígeno del aire, produciendo trióxido de dihierro sólido y dióxido de azufre gaseoso.

➜ Balanza o granatario.

1 Partimos de las disoluciones ya preparadas de las sustancias necesarias para lle-

A

➜ Gradilla y tubos de ensayo. ➜ Frasco lavador con agua.

¿Cómo lo llevamos a cabo?

1

La pirita es un mineral de aspecto dorado que forma llamativos cristales cúbicos. Se compone principalmente de disulfuro de hierro (FeS2). Este mineral, muy abundante en la naturaleza, es de gran interés para la industria química, ya que es la materia prima para la obtención de un ácido, que constituye a su vez la base de numerosos procesos químicos industriales.

¿Qué necesitamos?

Zinc metálico (Zn)

Añade a un tubo con 10 gotas de A, 2 o 3 gotas de B.

➜ Reactivos:

 Zinc metálico.  Disoluciones en agua de la concentración indicada: – Cloruro de hidrógeno, 100 g/L. –Cloruro de sodio, 6 g/L. –Nitrato de plata, 2 g/L. –Yoduro de potasio, 5 g/L. –Nitrato de plomo(II), 4 g/L.

Tostación de la pirita.

1 De acuerdo con la información anterior, ¿cuál es la ecuación química correspondiente al proceso de tostación de la pirita? ¿Por qué es un cambio químico? Identifica los reactivos y los productos y ajusta la ecuación, utilizando los coeficientes estequiométricos necesarios.

2 A continuación, pesa cuidadosamente un vaso de precipitados vacío. Coloca en su

interior 0,5 g de cloruro de sodio y añade agua hasta que se disuelva. Pesa de nuevo el vaso, para determinar exactamente la masa de la disolución de cloruro de sodio que contiene.

trial, la tostación se está llevando a cabo con un rendimiento del 85 %.

Teniendo esto en cuenta, ¿qué cantidad de trióxido de dihierro y de dióxido de azufre se obtiene por cada tonelada de pirita procesada?

Analiza los resultados

REACTIVOS A B

NOMBRE

FÓRMULA

Escribe el nombre y la fórmula de los reactivos de cada una de las reacciones estudiadas, e indica qué aspecto tienen.

ECUACIÓN QUÍMICA

Escribe la ecuación química ajustada del proceso.

OBSERVACIONES

¿Qué has observado durante la reacción? Indícalo.

Y tenlo muy en cuenta Es muy importante que, como siempre, sigas estas indicaciones:

ASPECTO

datos necesarios y calcula cuál es la masa molar de cada una de las sustancias que intervienen en el proceso. Utiliza esta magnitud para obtener una relación de estequiometría en masa de la reacción.

3 En una determinada planta indus-

3 Por separado, pesa con exactitud 1 g de la disolución de nitrato de plata y añádelo al vaso que contiene el cloruro de sodio. Observa lo que sucede y vuelve a pesar el vaso con su contenido, una vez que ha finalizado el proceso.

Completa, para cada reacción, una ficha como la que se propone. Anota en ella los reactivos empleados y la ecuación química del proceso, así como tus observaciones antes y después de realizar la mezcla de reactivos.

2 Utiliza la tabla periódica para obtener los

5 La industria química de base, que es

➜ El trabajo en el laboratorio

exige atención y orden, sobre todo si se utilizan reactivos químicos.

la que obtiene sustancias que posteriormente se utilizan en otros procesos de síntesis química, tiene gran relevancia en la economía de un país. Busca algunos datos sobre la industria química de base en España y comparte la información con tus compañeros y compañeras de clase.

➜ ¡No juegues! Además, es re-

Elabora un informe

comendable usar gafas de seguridad para evitar accidentes.

Redacta un informe científico, en el que expliques el objetivo de la experiencia, el procedimiento que has seguido y las conclusiones a las que has llegado para cada proceso químico estudiado.

➜ Todo el material debe quedar

limpio y recogido al finalizar.

Las reacciones químicas. Introducción a la estequiometría

105

106

4 Uno de los productos de la reacción de tostación que estamos considerando es una sustancia de gran interés industrial, ya que a partir de ella se obtiene un ácido importantísimo. Investiga en la bibliografía o en Internet de qué ácido se trata. ¿Cuál es su fórmula química? ¿Qué propiedades presenta? Indica cuáles son las reacciones químicas que conducen a su obtención.

UNIDAD 4

SOLUCIONES Página 106

3 Aplicando las correspondientes relaciones de proporcionalidad a

1 Se trata de un proceso químico, porque se obtienen nuevas sustancias

diferentes a las iniciales. Los reactivos de este proceso son el disulfuro de hierro (FeS2) y el oxígeno (O2), mientras que los productos son el trióxido de dihierro (Fe2O3) y el dióxido de azufre (SO2).

La ecuación ajustada, con su relación de estequiometría en moles es: 4 FeS2 (s ) + 11 O2 (g ) → 2 Fe2O3 (s ) + 8 SO2 (g )

partir de la relación de estequiometría de esta reacción se obtiene que se producen 0,665 t de trióxido de dihierro y 1,068 t de dióxido de azufre, suponiendo un rendimiento del proceso del 100 %.

En el caso real de que el rendimiento sea del 85 %, se obtendrá este porcentaje de las cantidades calculadas, por lo que las cantidades de productos en estas condiciones son: Masa de Fe2O3 obtenido = 0,665 t ⋅ 85/100 = 0,565 t Masa de SO2 obtenido = 1 068 t ⋅ 85/100 = 908 t

2 La masa molar de cada sustancia es:

M (FeS2) = 120 g/mol

M (Fe2O3) = 159,6 g/mol

M (O2) = 32 g/mol

M (SO2) = 64,1 g/mol

4 Se obtiene ácido sulfúrico (H2SO4), mediante la siguiente secuencia de

reacciones, de una forma simplificada: 2 SO2 (g ) + O2 (g ) → 2 SO3 (g )

Con estos datos se calcula la relación de estequiometría en masa:

SO 3 (g ) + H2O (l )

+ 11 O2 (g ) → 2 Fe2O3 (s ) + 8 SO2 (g )

4 FeS2 (s ) 480 g

+

352 g

→

319,2 g

+

512,8 g

→ H2SO4 (ac )

5 Respuesta libre.

e

INVESTIGA Necesitarás vinagre, bicarbonato de sodio, agua y un limón. Toma dos vasitos pequeños de plástico transparente para realizar las siguientes reacciones químicas: Pon vinagre en un vaso hasta la mitad y añade una cucharadita de bicarbonato de sodio. ¿Qué observas?

Exprime el limón. En el otro vaso, pon un poco de zumo mezclado con agua a partes iguales y sumerge en él un trocito de cobre, que puedes sacar de un cable que no sirva. Espera un par de días. ¿Qué podrías hacer para que la reacción fuera más rápida?

Busca la información adicional que necesites en libros o en Internet y redacta un breve informe sobre las experiencias realizadas, detallando las fases del método científico que has seguido y tus conclusiones.

e 1 Cuando se asa carne en el horno, ¿podemos decir que se trata de un cambio químico?

a 2 Al2O3 (s) + 2 C (s) → 2 CO2 (g) + 4 Al (s)

b Sí, ya que toma el sabor de las especias.

b Al2O3 (s) + 2 C (s) → 2 CO2 (g) + 2 Al (s)

c Sí, porque se obtienen sustancias nuevas.

c 2 Al2O3 (s) + 3 C (s) → 3 CO2 (g) + 4 Al (s)

¿Por qué la ley de conservación de la masa se cumple en todos los procesos químicos?

¿Qué utilidad puede tener conocer la relación de estequiometría de una reacción?

2

a Porque se desarrollan en recipientes cerrados. b Porque se reagrupan los átomos.

7

c Conocer cuáles son los productos formados.

3 ¿Cuál de los siguientes fenómenos pone de manifiesto un cambio químico?

8 En la combustión del metano (CH ), ¿cuántos moles 4 de este gas darán lugar a 1 kg de CO2?

a La aparición de un precipitado en una disolución.

a Aproximadamente 25,6 moles. b Unos 24 moles.

c El hecho de que haya burbujas en el recipiente.

c Ninguno de los resultados anteriores.

4 La velocidad a la que ocurre un cambio químico es menor si:

9 De los distintos tipos de procesos químicos, ¿a qué llamamos reacción de neutralización?

a Los reactivos son sólidos.

a A aquella en la que no hay cargas eléctricas.

b La temperatura es alta.

c A la reacción que da un compuesto neutro.

10 El inconveniente principal del uso masivo de los combustibles fósiles es:

a 25 g de gas.

a Que suponen una inversión muy costosa.

b 9 g de gas.

b Que desprenden una cantidad de calor excesiva.

c No se puede saber, hacen falta más datos.

c Que incrementan el efecto invernadero.

Las reacciones químicas. Introducción a la estequiometría

6 c

2 b

7 a

a

8 c

4 a

9 b

5 b

10 c

3

b A la reacción entre un ácido y una base.

c Se añaden catalizadores.

5 Si, a partir de 25 g de A, se forman 16 g de B y un gas, ¿qué cantidad de gas se ha formado?

c

1

a Calcular cantidades de reactivos y productos. b Poder ajustar la ecuación química del proceso.

c Porque la masa es una magnitud básica.

b El aumento gradual de la temperatura.

SOLUCIONES

6 ¿Cuál de las siguientes ecuaciones químicas está correctamente ajustada?

a No, pues sigue siendo carne, aunque cocinada.

107

17 4 Las reacciones químicas. Introducción a la estequiometría

ANSWER KEY

reactions.

4 Chemical Introduction to stoichiometry UNIT

4

e

e

e

The chemical industry in Andalusia Chemistry is the natural science that studies the transformation of matter. Those chemical transformations or changes, also known as chemical reactions, allow us to obtain raw materials from natural resources or the products we use every day.

The large-scale production of these chemical processes gave rise to what we now call the chemical industry. This strategic sector plays an essential role in driving economic growth and one in which all developed countries invest heavily.

Chemical reactions.

Introduction to stoichiometry

In groups and following instructions from your teacher, you will work on the chemical industry in Andalusia which plays a predominant role in this region.

Explore 1 The chemical industry is a complex, vast sector that incorporates all different

types of industrial chemical processes. Use your sources to find two examples of industrial chemical processes and compile some information about them.

2 Chemical processes to produce certain products must often take place under

special conditions for them to be profitable. What are catalysts? What role do they play in the chemical industry? Use the Internet or chemistry books to find out.

3 The chemical industry in Andalusia dates back to the 19th century. Look for

information about how and where it started, using books or the Internet.

4 The chemical industry in Andalusia plays a major role. Find out information about

the chemical companies based in Andalusia today. You can start with the important chemical production centres in Huelva and Campo de Gibraltar.

Elaborate 1 Based on your findings, prepare a presentation about the chemical industry in

Andalusia.

2 Your presentation must include information about the chemical industry, interesting

facts and photos and graphs, and you must quote your sources.

Communicate 1 Based on your presentation, hold a brainstorming session with the class about the

chemical industry in Andalusia.

2 You can then share your opinions about the importance of the chemical industry in

Andalusia and whether we need this sector, which is considered a considerable source of pollution.

EXPLORE AND ELABORATE Explore In groups, students should research using websites, books, or available materials to find answers to the posed questions.

Elaborate The information gathered by the group in the previous section should be organized and summarized on a poster, infographic, presentation, video, document, etc., using tools such as Word/Writer, PowerPoint/Impress, Prezi, Keynote, Canva, or VideoScribe, accompanied by images and videos.

Communicate Each group will present and explain the project to the rest of the class, who will take notes and note any questions or doubts that arise. After the presentation, there will be a session for asking questions and discussing the Project.

ACTIVITIES

1 What are changes in matter?

1. What type of changes take place in the following situations?:

7. A soft drink company takes the following steps to treat the water and prepare the product before packaging:

a) We squeeze a ball of plasticine.

a) Water is filtered to eliminate possible suspended particles.

b) We get hydrogen and oxygen from water.

b) Substances are added that combine with calcium and retain it, to regulate its concentration.

c) Petrol burns in the engine of a car.

Changes in matter are an everyday and noticeable occurrence.

d) Oil is extracted from olives in an oil mill.

We make a distinction between physical changes and chemical changes. Chemical changes or phenomena are usually called chemical reactions.

Now explain your answer.

2. Search for an example of one physical process and one chemical process that take place in the kitchen and explain why you have classified them as such.

A chemical reaction is a process in which one or more substances, also called reagents, are converted to one or more different substances, known as products.

When the particles that form the reagents collide with the appropriate energy and orientation, atoms rearrange themselves and form products.

This theoretical model, which explains how the reaction occurs, is known as collision theory.

Chemical process

3. The following statements are incorrect. Read them carefully and find the mistakes.

Then, rewrite them correctly.

Products

Otherwise, the bonds will not break and new products will not be formed.

Reagents

e) Water is mixed with a sugar syrup and flavouring and colouring agents.

Prepare a table that shows why the above processes are physical or chemical.

Collision theory

For this to occur, the particles of the reagents must collide. This must be an effective collision: with minimal energy and the appropriate orientation.

d) Chlorine is removed and the water is filtered through active carbon filters.

f) Water is carbonated with carbon dioxide at high pressure and low temperature.

Physical proces

During a chemical reaction the atoms of the reagents rearrange themselves to form new products.

In a chemical process, the chemical bonds between the atoms of the reagents break and new bonds are formed, resulting in products.

c) Chlorine is added to eliminate possible pathogenic organisms.

8. Reactions between gaseous substances tend to be faster that those that take place in a liquid medium which in turn, are faster than when solids are involved. How can you explain this? Remember the principles of the kineticmolecular theory about the behaviour of particles in each state of aggregation at the microscopic level.

9. Listen and define the following terms in your notebook, based on what you have learnt in this section:

a) A chemical reaction is a process where a new substance is released, which changes colour.

Chemical reaction.

b) Products are the substances that are converted in a chemical process.

Reagents.

c) A chemical reaction takes place when atoms are replaced by reagents.

Physical change.

Products.

Reaction rate.

4. Write a brief explanation for the following phenomena.

Remember what you have learnt and search for more information, if necessary, in books or on the Internet: Chemical reactions take place at different rates depending on the nature of the substances and the conditions in which they take place.

The reaction rate is an important factor and is directly related to the number of efficient collisions between the particles of the reagents. If we need to increase the speed, we can: ➜ Raise the temperature or stir, which will cause the particles to move faster and collide more frequently. ➜ Increase the concentration of the reagents, if they are dissolved, or compress them, if they are gases, to decrease the distance between the particles. ➜ Increase the contact surface between the reagents, if some are solid or liquid, because this will increase the number of collisions.

Chemical reaction.

34

UNIT 4

a) Milk quickly ferments on a summer day. b) To get rid of a stain, we need concentrated bleach. c) An effervescent tablet dissolves quickly, releasing bubbles.

5. Answer the following questions: a) What happens at the microscopic level during a chemical reaction. b) Why do the substances involved in the reaction change?

6. What is a reaction rate? Which of the following increase the rate of a reaction? a) Heating the reagents. b) Adding more reagents. c) Increasing the concentration of the reagents. d) Using a smaller container.

Chemical process.

10. Draw a flow chart to summarise the contents of this section.

Remember that you can add the definitions or explanations from the previous exercise.

Chemical reactions. Introduction to stoichiometry

35

19 4 Chemical reactions. Introduction to stoichiometry

1. a) Fhysical change, because the substance does not change, only its form does. b) It is a chemical change. Two different substances are obtained from water, hydrogen and oxygen. c) It is a chemical process, because when burning gasoline several substances of a completely different nature are obtained, such as carbon dioxide and water vapour, mainly. d) Oil is extracted from olives in an oil mill. It is a physical change because the substances involved, oil and pulp, do not change. The oil extraction process is a mechanical process, consisting simply in crushing the olives and separating the oil from the pulp.

2. Free response.

3. a) A chemical reaction is a process in which new substances are formed, manifesting themselves in different ways, with changes in colour or variations in temperature, among others. b) Products are the substances obtained in a chemical reaction. c) A chemical reaction occurs by rearrangement of the atoms of the reagents.

4. a) It is a chemical process, which increases its speed as the temperature. b) By using concentrated bleach, we have increased the number of hypochlorite particles of sodium (bleach), and therefore we favour the reaction in this way. c) By chopping the tablet, we increase the contact surface between the reagents and, consequently, we favour an increase in the number of collisions per unit of time.

5. A rearrangement of the atoms that make up the different substances, which originates new different substances from the initial ones.

6. The reaction rate is the speed with which the transformation of reactants occurs in products. The reaction rate is increased in all cases except the last (d), since, even if a smaller container is used, the

3 20

influencing factor is the concentration of the substances that participate as reactants (a smaller container implies less of everything, but not necessarily a higher concentration).

7. a) Physical. Particles and water still retain their nature, but separately. b) Chemical. New substances are produced in which calcium has been chemically retained. c) Chemical. The interaction of chlorine with microorganisms is chemical. d) Chemical. When chlorine reacts with carbon, it loses its properties. e) Physical. We will have the same substances but mixed. f) Physical. This way, CO2 gas dissolves in water, but they remain the same substances.

8. From gas to solid, the movement capacity of the particles decreases and, consequently, the number of collisions between them. If chemical reaction requires collisions between the reactant particles for it to happen, it is logical that the reactions between gases are faster than reactions between solids. However, it must be remembered that there are more factors that influence, so there may be exceptions.

9. • A process that does not change the nature of the substances involved in it.

• A process that results in the formation of new substances.

• A process in which one or more substances, also called reagents, are converted to one or more different substances, known as products.

• Substances that are converted in a chemical reaction.

• Substances that are formed in a chemical reaction.

• Directly related to the number of effective collisions between the particles of the reagents.

10. Free response.

2 Gravimetric laws One of the simplest gravimetric laws refers to the conservation of mass in chemical processes, discovered by Antoine-Laurent de Lavoisier in 1789.

11. Chlorine gas (Cl2) reacts with hydrogen gas (H2) to produce hydrogen chloride (HCl), which is a corrosive gas that is easily dissolved in water.

Law of conservation of mass or Lavoisier’s Law. In every chemical reaction, the total mass of the reagents equals the total mass of the products of the reaction, i.e., mass is conserved.

a) Explain why this is a chemical change and identify the reagents and the products.

The law of conservation of mass is true for all chemical processes. This is logical since during a reaction, the atoms regroup but the total number of atoms before and after does not change.

Limestone rock formations. El Torcal, Antequera (Malaga).

3 What is a chemical equation?

Chemical processes are represented by a diagram called a chemical equation.

b) 182.5 g of hydrogen chloride have formed from 175 g of chlorine and some hydrogen. How much hydrogen was used?

Find it by applying the law of conservation of mass as in the example.

12. Water forms due to the reaction between hydrogen (H2) and oxygen (O2), both of them gases. Using the law of conservation of mass, work out the missing amounts of reagents and products: a) 10 g of H2 react with 80 g of O2 to form x g of H2O. b) 23 g of H2 react with x g of O2 to form 207 g of H2O.

Reagents appear on the left of a chemical equation, represented by their formulas.

We place the products on the right of the equation.

Reagents

c) 1.6 g of O2 and x of H2 were needed to form 1.8 g of H2O. 13. True or false? Explain your answer. a) Lavoisier discovered that the reagents are consumed in a reaction.

Products

CaCO3 (s)

CaO (s)

→

An arrow indicates the direction of the process.

+

b) The law of conservation of mass is explained at the microscopic level.

CO2 (g)

Each substance has its state of aggregation: solid (s), liquid (l), gas (g), or dissolved in water (aq).

O OO O OO O OO O OO S SS

O OO

O OO

2 SO2 (g)

→

Oxygen

b) Interpret the qualitative and quantitative information that the balanced equation provides.

17. Balance the chemical equations that represent these chemical processes: a) Carbon (C, solid) reacts with oxygen (O2, gas) and produces carbon monoxide (CO, gas). b) When heated, potassium chlorate (KClO3) breaks down into two substances, solid potassium chloride (KCl) and oxygen gas (O2).

d) The moles of products obtained in a reaction are the same as the moles of reagents.

c) Methane (CH4, gas) and oxygen (O2, gas) react and produce carbon dioxide (CO2, gas) and steam (H2O, gas).

Chemical equation.

Balanced equation.

Stoichiometric coefficients.

2 SO3 (g) Sulphur trioxide

Old Chemistry laboratory.

14. Each chemical equation represents a defined chemical process. Answer these questions: a) Where do the reagents and the products appear?

36

C6H6 (l) + H2 (g) → C6H12 (l) a) Balance the above equation, counting the number of atoms in the reagents and products until they are the same.

The law of conservation of mass.

b) When do we say that a chemical equation is balanced?

Macroscopic interpretation For every two moles of sulphur dioxide gas that react with a mole of oxygen gas, two moles of sulphur trioxide, also gas, are formed.

16. To represent the chemical process that takes place between benzene and hydrogen to give cyclohexane, we are given the following chemical equation:

18. Listen and define the following terms in your notebook, based on what you have learnt in this section:

Microscopic interpretation

O2 (g)

+

Sulphur dioxide

b) Interpret it both qualitatively and quantitatively. To do this, take into account that you will first need to identify the substances that are involved.

For every two molecules of sulphur dioxide (SO2) that react with a molecule of oxygen (O2) two molecules of sulphur trioxide (SO3) are formed.

O OO O OO S SS

S SS O OO O OO

Zn (s) + 2 HCl (aq) → ZnCl2 (aq) + H2 (g) a) Explain whether it is balanced or not.

c) The conservation of mass depends on the amount of reagents that we initially put in.

For a chemical equation to be useful it must be balanced, in other words, the number of atoms of each element in the reactants must be the same as the number of atoms of each element in the products. To do so, we place a number before the formulas, called stoichiometric coefficients, which we only write if they are different to 1.

O OO S SS O OO

15. Look at the following chemical equation:

2 mol SO2 +

1 mol O2 →

2 mol SO3

c) Why does an unbalanced chemical equation not fulfil the law of conservation of mass? d) What information does a balanced equation provide us?

UNIT 4

Pan balance.

19. Draw a flow chart to summarise the contents of this section.

Remember that you can add the definitions or explanations from the previous activity.

Chemical reactions. Introduction to stoichiometry

11. a) It is a chemical change since a new substance is formed, chloride of hydrogen (HCl). The reactants in this process are hydrogen gas (H2) and carbon dioxide. b) 182.5 g – 175 g = 7.5 g of hydrogen gas (H2) have reacted, according to the law of conservation of mass.

12.

H2

+

O2

H2O

a)

10 g

+

80 g

90 g

b)

23 g

+

184 g

207 g

c)

0.2 g

+

1.6 g

1.8 g

13. a) False. Lavoisier found that the total mass of reactants and products is the same. b) True. It is explained by considering that what occurs is a regrouping of atoms. c) False. Mass is always preserved. If we put more quantity of any of the reagents, it will be left over and a part of it will remain unreacted. d) False. The moles of products obtained do not have to coincide with those of reactants, necessarily. It depends on the stoichiometric coefficients.

14. a) The reactants are placed on the left and the products on the right. b) It is adjusted when the number of atoms of each type is the same in the reactants and in the products. c) Because when counting atoms, there is a different number in the reactants and in the products of some of them. This makes the mass different before and after of the reaction.

37

b) To do this, take into account that you will first need to identify the substances that are involved. According to this equation, we can qualitatively say that zinc (Zn) reacts with hydrogen chloride (HCl) to form zinc dichloride (ZnCl2) and hydrogen. Quantitatively, and from the macroscopic point of view, we will say that for each mole of zinc reacting with two moles of hydrogen chloride, it is obtained one mole of zinc dichloride and one mole of hydrogen.

16. a) The balanced equation is: C6H6 (l ) + 3 H2 (g ) → C6H12 (l ) b) The interpretation would be: benzene and hydrogen react to produce cyclohexane, and for every molecule of benzene that reacts with three molecules of hydrogen, a cyclohexane molecule is formed.

17. a) Carbon reacts with oxygen gas to form carbon monoxide, so that for every two carbon atoms that react with one molecule of oxygen, makes two molecules of carbon monoxide. b) Potassium chlorate reacts by decomposing to potassium chloride and oxygen, so that for every two moles of potassium chlorate that are decomposed, two moles of potassium chloride and three moles of gaseous oxygen are obtained. c) Methane and oxygen react with each other to form carbon dioxide and water vapor, so that for every molecule of methane that reacts with two oxygen molecules, one molecule of carbon dioxide and two water molecules are obtained.

18. • In every chemical reaction, the total mass of the reagents equals the total mass of the products of the reaction, i.e., mass is conserved.

• A way of representing a chemical process, listing the reagents and products.

d) It indicates the substances that participate in the reaction and also the proportion between the reacting molecules.

• When the number of atoms of each element in the reagents is the same as the number of atoms of each element in the products.

15. a) Yes, the reaction is adjusted, because the number of atoms of each element in reactants and products coincide, according to the stoichiometric coefficients and the formulas of each substance.

• Number placed before the formulas to balance the equations, which we only write if it is different to 1.

19. Free response.

21 4 Chemical reactions. Introduction to stoichiometry

4 What is the stoichiometry of chemical reactions?

20. Stoichiometry or the proportion between amounts of reagents and products of a chemical reaction is one of the most important concepts in chemistry.

In 1795, Proust published the law of definite proportions. According to this law, chemical compounds always contain exactly the same proportion of elements by mass. This proportion is known as stoichiometry and happens in any type of chemical process: the proportion of reagents and products in a given chemical reaction always remains the same.

a) What is meant by stoichiometric relationship, regardless of how it is expressed? b) Is there a single stoichiometric relationship for the same reaction?

Stoichiometric relationships allow us to calculate the amounts of substances involved in a chemical reaction.

21. Find the stoichiometric celationships in moles and in mass for the reaction between sulphur dioxide (SO2) and oxygen (O2) that produces sulphur trioxide (SO3).

➜ We work out the stoichiometric relationship from the balanced chemical equation, in moles or in mass.

22. Ethane is a hydrocarbon that burns in the presence of oxygen, producing carbon dioxide and water. When we conduct the reaction in a closed container, we observe that 15 g of ethane react with 28 g of oxygen and produce 27 g of water.

➜ We calculate the proportionality using the previous stoichiometry relationship.

5 What are the important chemical reactions?

a) What amount of carbon dioxide has been generated? On which law did you base your answer?

➜ An important group of chemical reactions take place between substances called acids and substances called bases or alkali, to form salt and water as products.

They are called acid-base neutralisation reactions or simply acid-base reactions.

ACID

b) Which stoichiometric relationship do we get from the data? What does it mean? c) Write other stoichiometric relationships (mass) that are valid for this reaction. How do you calculate them?

Bases include bleach, sodium bicarbonate, blood, milk and most cosmetics and cleaning products.

They are highly corrosive.

BASES

23. When we do not need high temperatures, we use burners in the laboratory that work by burning ethanol (ethyl alcohol), according to the following reaction, giving the stoichiometric relationship (mass):

They have a bitter taste.

They have an acidic taste.

They react with acids, causing them to lose their properties.

They react with metals and marble, emitting gases.

They are corrosive, and the solutions have a soapy feel.

They dye the litmus paper red.

They dye the litmus paper blue.

Ethanol 46 g

38

+

Oxygen 96 g

→

Carbon dioxide 88 g

Use books or the Internet to answer these questions: a) Which are the most important acids for the chemical industry? What are they used for? b) What is indicator paper? How does it work?

+

Steam 54 g

If we fill the burner with 250 mL of ethanol, which has a density of 0.79 g/cm3: a) How much ethanol, in grams, have we placed in the burner? b) How much oxygen do we need to burn that much ethanol completely?

➜ Combustion is a very rapid reaction between a substance called fuel and the oxygen in the air. The products are carbon dioxide and water and a huge amount of heat is released, which is what we are interested in. ➜ Photosynthesis is a complex chain of chemical reactions, which sustain life in our planet and regenerate atmospheric oxygen. It transforms carbon dioxide and water, together with other elements from mineral salts, into diverse organic compounds and oxygen.

26. Acids and bases are very important substances, both in the laboratory and the chemical industry.

c) Why are stoichiometric relationships useful?

To calculate reagents or products in a chemical equation, we proceed as follows:

Acids include the juices of many fruits, such as citrus fruits, vinegar, or even the gastric juice of the stomach.

25. Balance the reaction between carbon monoxide (CO, gas) and oxygen (O2, gas) to give carbon dioxide (CO2, gas).

Calculate stoichiometric relationships in moles and in mass.

c) How much carbon dioxide has formed after the process, once all the ethanol is consumed?

c) Bases also play a prominent role. Find out which are the most important for the industry. d) What is the pH scale? What is the pH of water? What does it mean?

27. What is a combustion reaction? Why are they important? Write and balance the chemical equation for the combustion of propane gas (C3H8), normally used as fuel in heating boilers.

28. Listen and define the following terms in your notebook, based on what you have learnt in this section:

24. Explain the properties of and differences between acids and bases.

Stoichiometry.

a) How do we distinguish between acids and bases in the laboratory?

Base.

b) Give three examples of acid substances and three base substances that we find in everday life.

Acid.

Combustion.

Photosynthesis.

29. Draw a flow chart to summarise the contents of this section.

Remember that you can add the definitions or explanations from the previous activity.

Olive grove.

UNIT 4

Chemical reactions. Introduction to stoichiometry

20. a) It is the ratio between the amounts of reactants and products in a chemical reaction. b) No, it is not. c) It is used to perform calculations of quantities of reagents and/or products in a chemical process.

21. The adjusted reaction, with its stoichiometry ratios is: 2 SO2 (g) + O2 (g) → 2 SO3 (g)

39

c) m (carbon dioxide) = 197.5 g ethanol · 88 g carbon dioxide / / 46 g ethanol = 377.8 g carbon dioxide.

24. a) Acids are corrosive substances that attack metals and marble, while bases are corrosive substances, soapy to the touch, that react with acids. In the laboratory they are recognized by indicators. For example, acids give a red colour to the litmus tincture, while the bases give a red blue colour. b) Citrus juices, vinegar and colas are acidic, and bases are bleach, milk or baking soda.

In moles: 2 mol SO2 + 1 mol O2 → 2 mol SO3 By mass: 128.2 g SO2 + 32 g O2 → 160.2 g SO3

25. In moles: 2 CO (g )+ O2 (g ) = 2 CO2 (g )

By volume: 2 L SO2 + 1 L O2 → 2 L SO3 22. a) According to Lavoisier’s law, the mass of reactants must be equal to the mass of reaction products. According to: 15 g of ethane + 28 g of oxygen = x g of carbon dioxide + 27 g of water.

We find that 16 g of carbon dioxide are produced.

In mass: 56.02 g CO + 32 g O2 = 88.02 g CO2 26. a) The chemical industry mainly uses three acids.

• Sulfuric acid, which is used to produce fertilizers, a degreaser in the treatment of steel, or the production of explosives, among others.

b) According to these data, the mass stoichiometry ratio is obtained, according to which for every 15 g of ethane that reacts with 28 g of oxygen, 16 g of carbon dioxide and 27 g of water are obtained.

• Nitric acid, widely used in the production of fertilizers and explosives, and combined with hydrogen chloride gives rise to «aqua regia», capable to dissolve gold.

c) Free response. Valid mass stoichiometry relationships are obtained by multiplying or dividing the quantities by the same number, thus maintaining the proportion.

• Hydrogen chloride, which is used in metal treatment and refining of minerals, among others.

For example: 7.5 g ethane + 14 g oxygen → 8 g carbon dioxide + 13.5 g water 30 g of ethane + 56 g of oxygen → 32 g of carbon dioxide + 54 g of water 23. a) m = V · d = 250 mL · 0.79 g/mL = 197.5 g In the burner there are 197.5 g of etanol b) m (oxygen) = 197.5 g ethanol · 96 g oxygen / 46 g ethanol = = 412,2 g oxygen.

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b) It is a paper impregnated with an acid-base indicator, which changes colour in the presence of an acid or a base and serves to reveal this type of substances. c) Two bases of great industrial importance are: • Sodium hydroxide is widely used in the manufacture of soaps and in the paper industry for the extraction of cellulose fibers from wood, among others.

• Sodium hypochlorite is mainly used as a bleaching agent and disinfectant in cleaning products.

d) It is a scale for measuring the relative strength of acids and bases.

It takes values between 0 and 7 for an acid, the value 7 for a neutral substance (without acid or basic properties), and between 7 and 14 for the basics.

• Acid. Highly corrosive chemical substance with an acid taste.

They react with metals and marble, emitting gases.

27. It is a reaction in which a substance, called fuel, chemically reacts with oxygen and produces carbon dioxide and water vapor, releasing a large amount of energy. This energy is harnessed in multiple processes and applications, hence the importance of these reactions. In the case of propane gas, the balanced reaction is:

• Combustion. Very rapid reaction between a substance called fuel and the oxygen in the air. The products are carbon dioxide and water and a huge amount of heat is released.

C3H8 (g ) + 5 O2 (g ) → 3 CO2 (g ) + 4 H2O (g ) 28. • Stoichiometry. Proportion between amounts of reagents and products of a chemical reaction.

• Base. Corrosive chemical substance with a bitter taste. They react with acids.

• Photosynthesis. Complex chain of chemical reactions, which sustain life in our planet and regenerate the atmospheric oxygen. It transforms carbon dioxide and water, together with other elements from the mineral salts, into diverse organic compounds and oxygen.

29. Free response.

23 4 Chemical reactions. Introduction to stoichiometry