Si lo que ocurre en una reacción química a nivel macroscópico (desaparición de unas sustancias y formación de otras nuevas en determinadas cantidades), se debe a una reorganización de átomos formando nuevos agregados, la cuantificación o balance a nivel atómico y molecular del proceso, puede conducirnos a realizar predicciones macroscópicas que se pueden contrastar experimentalmente, tal y como veremos a continuación.
De acuerdo con el modelo anterior, en una reacción química (que se realice en un medio cerrado) los átomos son siempre los mismos, solo que en los productos de la reacción están agrupados de forma diferente que en las sustancias reaccionantes. Una consecuencia de esto es que la masa total habrá de conservarse durante todo el proceso. Además, en la ecuación química que representa la reacción, el número de átomos de cada elemento deberá de ser el mismo en ambos lados.
A.6. El hierro (sólido) en contacto con el oxígeno (gaseoso) forma, en determinadas condiciones, óxido de hierro (III), sólido. Escribid la ecuación correspondiente a dicha reacción y a continuación proponed un método para escribir correctamente una ecuación química.
Al ajustar una ecuación química es preciso estar atento a los posibles errores que se pueden cometer. Estos suelen ser principalmente de dos tipos:
- aplicar la conservación de los átomos cambiando las fórmulas de los compuestos (por ejemplo 3O + Fe2 = Fe2O3) o
- ignorar la conservación (Fe + O2 = Fe2O3).
Para evitarlos conviene escribir en primer lugar las fórmulas de reaccionantes y de productos y luego proceder a ajustar los coeficientes para que hayan los mismos átomos en ambos lados pero sin modificar para nada las fórmulas, es decir, sin cambiar los subíndices que aparecen en ellas y las caracterizan. En el caso de que al realizar el ajuste por tanteo salgan números decimales, se pueden convertir en enteros sin más que multiplicar por 2.
En el caso propuesto, por ejemplo, un primer intento podría llevar a:
2Fe + 1,5 O2 = Fe2O3
Multiplicando a continuación por 2, tendremos:
4Fe (s) + 3 O2 (g) = 2Fe2O3 (s)
La ecuación química anterior indica la proporción (en principio a nivel atómico-molecular) en que se combinan las especies químicas que intervienen en ella. En este caso podría enunciarse diciendo que: Por cada cuatro átomos de hierro que reaccionan lo hacen con 3 moléculas de oxígeno para dar dos unidades fórmula de Fe2O3 (el óxido de hierro formado es un compuesto iónico y, por tanto, sus unidades fórmula no son moléculas).
A.7. Aplicad el método propuesto para construir la ecuación correspondiente a las reacciones:
a) Gas propano, C3H8 y oxígeno para obtener dióxido de carbono y vapor de agua
b) Dióxido de azufre y oxígeno para dar trióxido de azufre
c) Ácido sulfúrico e hidróxido de sodio para dar sulfato de sodio y agua
Rdo.
a) C3H8 + 5O2= 3CO2 + 4H2O
b) 2SO2 + O2= 2SO3
c) H2SO4 + 2NaOH = Na2SO4 + 2H2O
En muchos casos, las ecuaciones químicas son difíciles de ajustar mediante tanteo y requieren métodos más sistemáticos, como el que se expone a continuación, denominado método algebraico el cual resulta apropiado para aquellas reacciones en las que el número de moléculas (o unidades fórmula) no supere en más de uno al número de átomos distintos que intervienen en la reacción (contando en ambos casos reaccionantes y productos).
El método algebraico consiste en plantear una serie de ecuaciones basadas en el principio de conservación de la masa y, por tanto, en que ha de haber los mismos átomos en los productos que en los reaccionantes. Lo estudiaremos a partir de un ejemplo sencillo como es la reacción de com-bustión del butano. La ecuación sin ajustar correspondiente a dicha reacción es:
C3H8 (g) + O2(g) = H2O (g) + CO2(g)
1. En primer lugar nos damos cuenta de que en esta ecuación hay 4 moléculas distintas y tres átomos distintos. Como el número de moléculas supera en uno al número de átomos distintos, será aplicable el método algebraico.
2. A continuación escribimos delante de los compuestos los símbolos x, y, t, z, p, etc., indicativos de los coeficientes que hemos de determinar.
x C3H8 (g) + y O2(g) = t H2O (g) + z CO2(g)
3. Según el principio de conservación de la masa el número de átomos de un mismo tipo deberá ser el mismo en los reaccionantes que en los productos de la reacción, lo que nos lleva a plantear las siguientes ecuaciones:
Para el carbono: 4x = z
Para el hidrógeno: 10x = 2t
Para el oxígeno: 2y = 2z + t
En el sistema anterior vemos que hay tantas ecuaciones como átomos distintos (en este caso 3) y tantas incógnitas como compuestos distintos (en este caso 4). En muchas reacciones se cumple: Número de sustancias distintas que intervienen en la reacción = número de átomos distintos +1
Ello implica que dando un valor arbitrario (por ejemplo el 1) a cualquiera de las incógnitas obtendremos un sistema de ecuaciones fácilmente resoluble y un conjunto adecuado de valores para los coeficientes.
4. Si hacemos x =1, en las ecuaciones anteriores, se deduce fácilmente que: z =4, t = 5, y = 13/2, con lo cual la ecuación quedará como:
C3H8 (g) + 13/2 O2(g) = 5 H2O (g) + 4 CO2(g)
Si multiplicamos por 2 para eliminar la fracción tendremos la ecuación final ajustada según la proporción más sencilla de números enteros:
2 C3H8 (g) + 13 O2(g) = 10 H2O (g) + 8 CO2(g)
A.8. Ajustad por el método algebraico las siguientes ecuaciones:
a) KMnO4 + H2C2O4 = K2CO3 + MnO2 + H2O + CO2
b) KClO3 + S + H2O = Cl2 + K2SO4 + H2SO4
Rdo.
a) 2 KMnO4 + 3 H2C2O4 = K2CO3 + 2 MnO2 + 3 H2O + 5 CO2
b) 6 KClO3 + 5 S + 2 H2O = 3 Cl2 + 3 K2SO4 + 2 H2SO4
Enlace a: Solución de Sistemas de Ecuaciones Lineales. Calculadora que permite resolver los sistemas de ecuaciones que suelen aparecer en el ajuste algebraico de ecuaciones químicas. En nuestro caso el mejor método de resolución es el de Gauss.
Un aspecto a tener muy en cuenta es que los coeficientes o números que aparecen delante de las fórmulas no significan en modo alguno que todas esas partículas tengan que chocar a la vez para provocar la reacción. Tampoco indica las partículas que hay. De hecho aunque intervengan unos pocos gramos de sustancias, debido al pequeño tamaño de moléculas y átomos, el número de par-tículas implicadas es habitualmente inmensamente grande (muchos millones y millones). Lo que nos indican realmente esos coeficientes es simplemente la proporción en que se combinan las partículas implicadas. Así, en el caso de la combustión del butano antes estudiado, la ecuación ajustada a la que se ha llegado, debe interpretarse (a nivel atómico-molecular) como que de cada 2 moléculas de butano que reaccionen lo harán con 13 moléculas de oxígeno, dando 10 moléculas de agua y 8 moléculas de dióxido de carbono.
A.9. Realizad en el laboratorio y escribir la ecuación química correspondiente, para las siguientes reacciones, indicando el estado físico de reaccionantes y productos.
a) Ioduro de potasio y nitrato de plomo (II)
b) Cinc y ácido clorhídrico.
Las reacciones propuestas presentan un cierto interés. La primera por su espectacularidad (en la reacción se produce ioduro de plomo (II) el cual, al dejarlo enfriar, da lugar al efecto conocido como "lluvia de oro"). La segunda por plantear técnicas básicas de laboratorio (recogida e identificación del gas hidrógeno).
Para realizar la primera reacción basta proceder como se indica en la figura siguiente, mezclando las disoluciones de nitrato de plomo (II) y ioduro de potasio, con lo que se produce un precipitado amorfo de ioduro de plomo (II), que desaparece al calentar. Si posteriormente se enfría (por ejemplo metiendo el tubo en un recipiente con agua), se producen unos cristalitos de ioduro de plomo (II) de color amarillo (lluvia de oro).
La reacción ajustada es: Pb(NO3)2 (aq) + 2 KI (aq) = PbI2 (s) + 2 KNO3 (aq)
Para realizar la segunda reacción se necesita disponer de un poco de cinc (es suficiente con una cantidad entre 0,5 g y 1 g) y ácido clorhídrico concentrado. Se puede realizar un montaje como el de la figura para recoger el hidrógeno gaseoso que se desprende, según:
Zn (s) + 2 HCl (aq) = ZnCl2 (aq) + H2 (g)
En el montaje propuesto la cubeta contiene agua y la probeta se ha llenado previamente de agua antes de darle la vuelta (tapando para que no se salga) y colocarla como se indica. Puede comprobarse que el gas recogido de esta forma se trata de hidrógeno si, después de extraer la probeta de la cubeta con agua, sin inclinarla, aplicamos una llama a la boca de dicha probeta. Se observa cómo se produce una pequeña explosión, resultado de la rápida combustión del hidrógeno, y se recoge el agua formada, en pequeñas gotas sobre las paredes interiores. Es importante no inclinar la probeta para evitar que el hidrógeno se mezcle con el aire dando lugar a una mezcla explosiva. Si se hace así no hay ningún peligro. No obstante se trata de una experiencia que hay que realizar en presencia del profesor y con las adecuadas medidas de precaución. También es necesario utilizar cantidades mínimas de sustancias y no verter los restos ya que tanto el cloruro de cinc como las sales de plomo son muy tóxicas para el medio ambiente (especialmente el acuático).
A.10. El nitrógeno gas puede reaccionar con el hidrógeno gas para obtener amoniaco gas. Calculad cuantas moléculas de amoniaco se podrán formar por cada 20.000 millones de moléculas de nitrógeno que reaccionen.
Una primera ecuación con las fórmulas correctas de reaccionantes y productos será:
N2 (g) + H2 (g) = NH3 (g)
Si ahora ajustamos la ecuación tendremos:
N2 (g) + 3 H2 (g) = 2 NH3 (g)
La ecuación anterior se interpreta diciendo que por cada molécula de nitrógeno que reaccione lo hará con 3 moléculas de hidrógeno para dar dos moléculas de amoniaco. Por tanto, atendiendo a esa proporción, la respuesta a lo que se demanda en la pregunta anterior será que se podrán formar 40000 millones de moléculas de amoniaco.
Sabemos que en cualquier cantidad de una sustancia pura habrá un numero entero de moléculas (o unidades estructurales en general) iguales. La teoría atómico-molecular y, en particular, el modelo de reacción que estamos manejando, debería permitirnos predecir, en base a la proporción en que reaccionan las moléculas, la proporción en que reaccionan las masas o volúmenes de las sustancias implicadas en la reacción, es decir: pasar de un nivel atómico (manejando átomos y moléculas) a un nivel macroscópico, (manejando masas y volúmenes).