Molaridad Las secciones anteriores de este capítulo se centraron en la composición de las sustancias: muestras de materia que contienen un solo tipo de elemento o compuesto. Sin embargo, las mezclas (muestras de materia que contienen dos o más sustancias combinadas físicamente) son más frecuentes en la naturaleza que las sustancias puras. Al igual que una sustancia pura, la composición relativa de una mezcla desempeña un papel importante en la determinación de sus propiedades. La cantidad relativa de oxígeno en la atmósfera de un planeta determina su capacidad para mantener la vida aeróbica. Las cantidades relativas de hierro, carbono, níquel y otros elementos en el acero (una mezcla conocida como "aleación") determinan su fuerza física y su resistencia a la corrosión. La cantidad relativa del principio activo de un medicamento determina su eficacia para conseguir el efecto farmacológico deseado. La cantidad relativa de azúcar en una bebida determina su dulzor (vea la ). Esta sección describirá una de las formas más comunes de cuantificar las composiciones relativas de las mezclas. El azúcar es uno de los muchos componentes de la compleja mezcla conocida como café. La cantidad de azúcar en una determinada cantidad de café es un importante factor determinante del dulzor de la bebida (créditos: Jane Whitney). Soluciones Las soluciones se han definido previamente como mezclas homogéneas, lo que significa que la composición de la mezcla (y por tanto sus propiedades) es uniforme en todo su volumen. Las soluciones son frecuentes en la naturaleza y también se han utilizado en diversas formas de tecnología creada por el hombre. En el capítulo sobre soluciones y coloides se ofrece un tratamiento más exhaustivo de las propiedades de las soluciones, pero aquí se ofrece una introducción a algunas de las propiedades básicas de las soluciones. La cantidad relativa de un determinado componente de la solución se conoce como su concentración . A menudo, aunque no siempre, una solución contiene un componente con una concentración significativamente mayor que la de todos los demás componentes. Este componente se denomina solvente y puede considerarse como el medio en el que se dispersan o disuelven los demás componentes. Las soluciones en las que el agua es el solvente son, por supuesto, muy comunes en nuestro planeta. Una solución en la que el agua es el solvente se llama solución acuosa . Un soluto es un componente de una solución que suele estar presente en una concentración mucho menor que la del solvente. Las concentraciones de solutos suelen describirse con términos cualitativos como diluida (de concentración relativamente baja) y concentrada (de concentración relativamente alta). Las concentraciones pueden evaluarse cuantitativamente utilizando una amplia variedad de unidades de medida, cada una de ellas conveniente para aplicaciones particulares. La molaridad ( M ) es una unidad de concentración útil para muchas aplicaciones en química. La molaridad se define como el número de moles de soluto en exactamente 1 litro (1 L) de la solución: M = mol de soluto L de solución Cálculo de concentraciones molares Una muestra de bebida gaseosa de 355 mL contiene 0,133 mol de sacarosa (azúcar de mesa). ¿Cuál es la concentración molar de sacarosa en la bebida? Solución Como la cantidad molar de soluto y el volumen de la solución están dados, la molaridad puede calcularse con la definición de molaridad. Según esta definición, el volumen de la solución debe convertirse de mL a L: M = mol de soluto L de solución = 0,133 mol 355 mL × 1 L 1.000 mL = 0,375 M Compruebe lo aprendido Una cucharadita de azúcar de mesa contiene aproximadamente 0,01 mol de sacarosa. ¿Cuál es la molaridad de la sacarosa si se ha disuelto una cucharadita de azúcar en una taza de té con un volumen de 200 mL? Respuesta: 0,05 M Calcular los moles y los volúmenes a partir de las concentraciones molares ¿Cuánta azúcar (mol) contiene un sorbo moderado (~10 mL) de la bebida gaseosa del ? Solución Reordene la definición de molaridad para aislar la cantidad buscada, moles de azúcar, y luego sustituya el valor de molaridad derivado en el , 0,375 M : M = mol de soluto L de solución mol de soluto = M × L de solución mol de soluto = 0,375 mol de azúcar L × ( 10 mL × 1 L 1.000 mL ) = 0,004 mol de azúcar Compruebe lo aprendido ¿Qué volumen (mL) del té azucarado descrito en el contiene la misma cantidad de azúcar (mol) que 10 mL de la bebida gaseosa de este ejemplo? Respuesta: 80 mL Cálculo de las concentraciones molares a partir de la masa del soluto El vinagre blanco destilado ( ) es una solución de ácido acético, CH 3 CO 2 H, en agua. Una solución de vinagre de 0,500 L contiene 25,2 g de ácido acético. ¿Cuál es la concentración de la solución de ácido acético en unidades de molaridad? El vinagre blanco destilado es una solución de ácido acético en agua. Solución Al igual que en los ejemplos anteriores, la definición de molaridad es la ecuación principal utilizada para calcular la cantidad buscada. Como se proporciona la masa del soluto en lugar de su cantidad molar, utilice la masa molar del soluto para obtener la cantidad de soluto en moles: M = mol de soluto L de solución = 25,2 g CH 3 CO 2 H × 1 mol de CH 3 CO 2 H 60,052 g de CH 3 CO 2 H 0,500 L de solución = 0,839 M M = mol de soluto L de solución = 0,839 M M = 0,839 mol de soluto 1,00 L de solución Compruebe lo aprendido Calcule la molaridad de 6,52 g de CoCl 2 (128,9 g/mol) disueltos en una solución acuosa con un volumen total de 75,0 mL. Respuesta: 0,674 M Determinar la masa de soluto en un volumen de solución dado ¿Cuántos gramos de NaCl hay en 0,250 L de una solución de 5,30- M ? Solución El volumen y la molaridad de la solución están especificados, por lo que la cantidad (mol) de soluto se calcula fácilmente como se demuestra en el : M = mol de soluto L de solución mol de soluto = M × L de solución mol de soluto = 5,30 mol de NaCl L × 0,250 L = 1,325 mol de NaCl Finalmente, esta cantidad molar se utiliza para obtener la masa de NaCl: 1,325 mol de NaCl × 58,44 g de NaCl mol de NaCl = 77,4 g de NaCl Compruebe lo aprendido ¿Cuántos gramos de CaCl 2 (110,98 g/mol) hay en 250,0 mL de una solución de 0,200- M de cloruro de calcio? Respuesta: 5,55 g de CaCl 2 Cuando se realizan cálculos por etapas, como en el , es importante abstenerse de redondear los resultados de los cálculos intermedios, lo que puede dar lugar a errores de redondeo en el resultado final. En el , la cantidad molar de NaCl calculada en el primer paso, 1,325 mol, se redondearía correctamente a 1,32 mol si se tuviera que informar; sin embargo, aunque el último dígito (5) no es significativo, debe conservarse como dígito de guardia en el cálculo intermedio. Si no se hubiera retenido el dígito de guardia, el cálculo final de la masa de NaCl habría sido de 77,1 g, una diferencia de 0,3 g. Además de conservar un dígito de guardia para los cálculos intermedios, también se pueden evitar los errores de redondeo realizando los cálculos en un solo paso (vea el ). Esto elimina los pasos intermedios para que solo se redondee el resultado final. Determinar el volumen de la solución que contiene una masa dada de soluto En el , se ha determinado que la concentración de ácido acético en el vinagre blanco es de 0,839 M . ¿Qué volumen de vinagre contiene 75,6 g de ácido acético? Solución En primer lugar, utilice la masa molar para calcular los moles de ácido acético a partir de la masa dada: g de soluto × mol de soluto g de soluto = mol de soluto A continuación, utilice la molaridad de la solución para calcular el volumen de solución que contiene esta cantidad molar de soluto: mol de soluto × L de solución mol de soluto = L de solución Combinando estos dos pasos en uno se obtiene: g de soluto × mol de soluto g de soluto × L de solución mol de soluto = L de solución 75,6 g CH 3 CO 2 H ( mol CH 3 CO 2 H 60,05 g ) ( L de solución 0,839 mol CH 3 CO 2 H ) = 1,50 L de solución Compruebe lo aprendido ¿Qué volumen de una solución de 1,50- M de KBr contiene 66,0 g de KBr? Respuesta: 0,370 L Dilución de soluciones La dilución es el proceso por el que se reduce la concentración de una solución mediante la adición de un solvente. Por ejemplo, un vaso de té helado se diluye cada vez más a medida que se derrite el hielo. El agua del hielo derretido aumenta el volumen del solvente (agua) y el volumen global de la solución (té helado), reduciendo así las concentraciones relativas de los solutos que dan sabor a la bebida ( ). Ambas soluciones contienen la misma masa de nitrato de cobre. La solución de la derecha está más diluida porque el nitrato de cobre está disuelto en más solvente (créditos: Mark Ott). La dilución es también un medio habitual para preparar soluciones de una concentración deseada. Añadiendo solvente a una porción medida de una solución madre más concentrada, se puede preparar una solución de menor concentración. Por ejemplo, los plaguicidas comerciales suelen venderse como soluciones en las que los ingredientes activos están mucho más concentrados de lo que es apropiado para su aplicación. Antes de poder utilizarlos en los cultivos, los plaguicidas deben diluirse. Esta es también una práctica muy común para la preparación de una serie de reactivos comunes de laboratorio. Se puede utilizar una relación matemática sencilla para relacionar los volúmenes y las concentraciones de una solución antes y después del proceso de dilución. Según la definición de molaridad, el número de moles de soluto en una solución ( n ) es igual al producto de la molaridad de la solución ( M ) por su volumen en litros ( L ): n = M L Expresiones como estas pueden escribirse para una solución antes y después de diluirla: n 1 = M 1 L 1 n 2 = M 2 L 2 donde los subíndices "1" y "2" se refieren a la solución antes y después de la dilución, respectivamente. Como el proceso de dilución no cambia la cantidad de soluto en la solución, n 1 = n 2 . Por lo tanto, estas dos ecuaciones pueden ser iguales entre sí: M 1 L 1 = M 2 L 2 Esta relación se denomina comúnmente ecuación de dilución. Aunque esta ecuación utiliza la molaridad como unidad de concentración y los litros como unidad de volumen, se pueden utilizar otras unidades de concentración y volumen siempre que las unidades se cancelen adecuadamente según el método de los factores de conversión. Reflejando esta versatilidad, la ecuación de dilución se escribe a menudo en la forma más general: C 1 V 1 = C 2 V 2 donde C y V son la concentración y el volumen, respectivamente. Utilice la simulación para explorar las relaciones entre la cantidad de soluto, el volumen de la solución y la concentración y para confirmar la ecuación de dilución. Determinar la concentración de una solución diluida Si se diluyen 0,850 L de una solución de 5,00- M de nitrato de cobre, Cu(NO 3 ) 2 , hasta un volumen de 1,80 L mediante la adición de agua, ¿cuál es la molaridad de la solución diluida? Solución Se proporciona la concentración madre, C 1 , y el volumen, V 1 , así como el volumen de la solución diluida, V 2 . Reordene la ecuación de dilución para aislar la propiedad desconocida, la concentración de la solución diluida, C 2 : C 1 V 1 = C 2 V 2 C 2 = C 1 V 1 V 2 Dado que la solución madre se diluye en más del doble (el volumen se incrementa de 0,85 L a 1,80 L), se espera que la concentración de la solución diluida sea inferior a la mitad de 5 M . Esta estimación aproximada se comparará con el resultado calculado para comprobar si hay errores graves de cálculo (por ejemplo, una sustitución incorrecta de las cantidades dadas). Sustituyendo los valores dados por los términos del lado derecho de esta ecuación se obtiene: C 2 = 0,850 L × 5,00 mol L 1,80 L = 2,36 M Este resultado se ajusta a nuestra estimación aproximada (es un poco menos de la mitad de la concentración madre, 5 M ). Compruebe lo aprendido ¿Cuál es la concentración de la solución que resulta de diluir 25,0 mL de una solución de 2,04- M de CH 3 OH hasta 500,0 mL? Respuesta: 0,102 M de CH 3 OH Volumen de una solución diluida ¿Qué volumen de 0,12 M de HBr se puede preparar a partir de 11 mL (0,011 L) de 0,45 M de HBr? Solución Se proporcionan el volumen y la concentración de una solución madre, V 1 y C 1 , y la concentración de la solución diluida resultante, C 2 . Encuentre el volumen de la solución diluida, V 2 reordenando la ecuación de dilución para aislar V 2 : C 1 V 1 = C 2 V 2 V 2 = C 1 V 1 C 2 Como la concentración diluida (0,12 M ) es algo más de la cuarta parte de la concentración original (0,45 M ), se espera que el volumen de la solución diluida sea aproximadamente cuatro veces el volumen original, es decir, aproximadamente 44 mL. Al sustituir los valores dados y resolver el volumen desconocido se obtiene: V 2 = ( 0,45 M ) ( 0,011 L ) ( 0,12 M ) V 2 = 0,041 L El volumen de la solución de 0,12- M es de 0,041 L (41 mL). El resultado es razonable y se compara bien con la estimación aproximada. Compruebe lo aprendido Un experimento de laboratorio necesita 0,125 M de HNO 3 . ¿Qué volumen de 0,125 M de HNO 3 se puede preparar a partir de 0,250 L de 1,88 M de HNO 3 ? Respuesta: 3,76 L Volumen de una solución concentrada necesario para la dilución ¿Qué volumen de 1,59 M de KOH se necesita para preparar 5,00 L de 0,100 M de KOH? Solución Se da la concentración de una solución madre, C 1 , y el volumen y la concentración de la solución diluida resultante, V 2 y C 2 . Halle el volumen de la solución madre, V 1 reordenando la ecuación de dilución para aislar V 1 : C 1 V 1 = C 2 V 2 V 1 = C 2 V 2 C 1 Dado que la concentración de la solución diluida 0,100 M es aproximadamente un dieciseisavo de la solución madre (1,59 M ), se espera que el volumen de la solución madre sea aproximadamente un dieciseisavo del de la solución diluida, es decir, unos 0,3 litros. Al sustituir los valores dados y resolver el volumen desconocido se obtiene: V 1 = ( 0,100 M ) ( 5,00 L ) 1,59 M V 1 = 0,314 L Por lo tanto, se necesitan 0,314 L de la solución de 1,59- M para preparar la solución deseada. Este resultado es coherente con la estimación aproximada. Compruebe lo aprendido ¿Qué volumen de una solución de 0,575 M de glucosa, C 6 H 12 O 6 , se puede preparar a partir de 50,00 mL de una solución de 3,00- M de glucosa? Respuesta: 0,261 L Conceptos clave y resumen Las soluciones son mezclas homogéneas. Muchas soluciones contienen un componente, llamado solvente, en el que se disuelven otros componentes, llamados solutos. Una solución acuosa es aquella cuyo solvente es el agua. La concentración de una solución es una medida de la cantidad relativa de soluto en una cantidad determinada de solución. Las concentraciones pueden medirse utilizando varias unidades, y una unidad muy útil es la molaridad, que se define como el número de moles de soluto por litro de solución. La concentración de soluto de una solución puede disminuirse añadiendo solvente, proceso que se denomina dilución. La ecuación de dilución es una relación simple entre las concentraciones y los volúmenes de una solución antes y después de la dilución. Ejercicios de Química del final del capítulo Explique qué cambia y qué permanece igual cuando 1,00 L de una solución de NaCl se diluye a 1,80 L. ¿Qué información se necesita para calcular la molaridad de una solución de ácido sulfúrico? Necesitamos saber el número de moles de ácido sulfúrico disueltos en la solución y su volumen. Una muestra de 200 mL y otra muestra de 400 mL de una solución de sal tienen la misma molaridad. ¿En qué aspectos son idénticas las dos muestras? ¿En qué se diferencian estas dos muestras? Determine la molaridad de cada una de las siguientes soluciones: (a) 0,444 mol de CoCl 2 en 0,654 L de solución (b) 98,0 g de ácido fosfórico, H 3 PO 4 , en 1,00 L de solución (c) 0,2074 g de hidróxido de calcio, Ca(OH) 2 , en 40,00 mL de solución (d) 10,5 kg de Na 2 SO 4 ·10H 2 O en 18,60 L de solución (e) 7,0 × 10 -3 mol de I 2 en 100,0 mL de solución (f) 1,8 × 10 4 mg de HCl en 0,075 L de solución (a) 0,679 M ; (b) 1,00 M ; (c) 0,06998 M ; (d) 1,75 M ; (e) 0,070 M ; (f) 6,6 M Determine la molaridad de cada una de las siguientes soluciones: (a) 1,457 mol de KCl en 1,500 L de solución (b) 0,515 g de H 2 SO 4 en 1,00 L de solución (c) 20,54 g de Al(NO 3 ) 3 en 1575 mL de solución (d) 2,76 kg de CuSO 4 ·5H 2 O en 1,45 L de solución (e) 0,005653 mol de Br 2 en 10,00 mL de solución (f) 0,000889 g de glicina, C 2 H 5 NO 2 , en 1,05 mL de solución Considere esta pregunta: ¿Cuál es la masa del soluto en 0,500 L de 0,30 M de glucosa, C 6 H 12 O 6 , utilizada para la inyección intravenosa? (a) Describa los pasos necesarios para responder la pregunta. (b) Responda la pregunta. (a) determinar el número de moles de glucosa en 0,500 L de solución; determinar la masa molar de la glucosa; determinar la masa de la glucosa a partir del número de moles y su masa molar; (b) 27 g Considere esta pregunta: ¿Cuál es la masa de soluto en 200,0 L de una solución de 1,556 - M de KBr? (a) Describa los pasos necesarios para responder la pregunta. (b) Responda la pregunta. Calcule el número de moles y la masa del soluto en cada una de las siguientes soluciones: (a) 2,00 L de 18,5 M de H 2 SO 4 , ácido sulfúrico concentrado (b) 100,0 mL de 3,8 × 10 -6 M de NaCN, la concentración mínima letal de cianuro de sodio en el suero sanguíneo (c) 5,50 L de 13,3 M de H 2 CO, el formaldehído que se utiliza para "fijar" las muestras de tejido (d) 325 mL de 1,8 × 10 -6 M de FeSO 4 , la concentración mínima de sulfato de hierro detectable por el gusto en el agua potable (a) 37,0 mol de H 2 SO 4 , 3,63 × 10 3 g de H 2 SO 4 ; (b) 3,8 × 10 -7 mol de NaCN, 1,9 × 10 -5 g de NaCN; (c) 73,2 mol de H 2 CO, 2,20 kg de H 2 CO; (d) 5,9 × 10 -7 mol de FeSO 4 , 8,9 × 10 -5 g de FeSO 4 Calcule el número de moles y la masa del soluto en cada una de las siguientes soluciones: (a) 325 mL de 8,23 × 10 -5 M de KI, una fuente de yodo en la dieta (b) 75,0 mL de 2,2 × 10 -5 M de H 2 SO 4 , una muestra de lluvia ácida (c) 0,2500 L de 0,1135 M de K 2 CrO 4 , un reactivo analítico utilizado en los ensayos de hierro (d) 10,5 L de 3,716 M de (NH 4 ) 2 SO 4 , un fertilizante líquido Considere esta pregunta: ¿Cuál es la molaridad del KMnO 4 en una solución de 0,0908 g del KMnO 4 en 0,500 L de solución? (a) Describa los pasos necesarios para responder la pregunta. (b) Responda la pregunta. (a) Determinar la masa molar de KMnO 4 ; determinar el número de moles de KMnO 4 en la solución; a partir del número de moles y del volumen de la solución, determinar la molaridad; (b) 1,15 × 10 -3 M Considere esta pregunta: ¿Cuál es la molaridad del HCl si 35,23 mL de una solución de HCl contienen 0,3366 g de HCl? (a) Describa los pasos necesarios para responder la pregunta. (b) Responda la pregunta. Calcule la molaridad de cada una de las siguientes soluciones: (a) 0,195 g de colesterol, C 27 H 46 O, en 0,100 L de suero, la concentración media de colesterol en el suero humano (b) 4,25 g de NH 3 en 0,500 L de solución, la concentración de NH 3 en el amoníaco doméstico (c) 1,49 kg de alcohol isopropílico, C 3 H 7 OH, en 2,50 L de solución, la concentración de alcohol isopropílico en el alcohol de fricción (d) 0,029 g de I 2 en 0,100 L de solución, la solubilidad del I 2 en agua a 20 °C (a) 5,04 × 10 -3 M ; (b) 0,499 M ; (c) 9,92 M ; (d) 1,1 × 10 -3 M Calcule la molaridad de cada una de las siguientes soluciones: (a) 293 g de HCl en 666 mL de solución, una solución concentrada de HCl (b) 2,026 g de FeCl 3 en 0,1250 L de una solución utilizada como incógnita en los laboratorios de química general (c) 0,001 mg de Cd 2+ en 0,100 L, la concentración máxima permitida de cadmio en el agua potable (d) 0,0079 g de C 7 H 5 SNO 3 en una onza (29,6 mL), la concentración de sacarina en una bebida gaseosa dietética. Hay aproximadamente 1,0 g de calcio, como Ca 2+ , en 1,0 L de leche. ¿Cuál es la molaridad del Ca 2+ en la leche? 0,025 M ¿Qué volumen de una solución de 1,00- M de Fe(NO 3 ) 3 puede diluirse para preparar 1,00 L de una solución con una concentración de 0,250 M ? Si se diluyen 0,1718 L de una solución de 0,3556- M de C 3 H 7 OH hasta una concentración de 0,1222 M , ¿cuál es el volumen de la solución resultante? 0,5000 L Si se diluyen 4,12 L de 0,850 M de una solución de H 3 PO 4 hasta un volumen de 10,00 L, ¿cuál es la concentración de la solución resultante? ¿Qué volumen de una solución de 0,33- M de C 12 H 22 O 11 se puede diluir para preparar 25 mL de una solución con una concentración de 0,025 M ? 1,9 mL ¿Cuál es la concentración de la solución de NaCl que resulta cuando se dejan evaporar 0,150 L de una solución de 0,556- M hasta que el volumen se reduce a 0,105 L? ¿Cuál es la molaridad de la solución diluida cuando cada una de las siguientes soluciones se diluye hasta el volumen final dado? (a) Se diluye 1,00 L de una solución de 0,250 M de Fe(NO 3 ) 3 hasta un volumen final de 2,00 L (b) Se diluyen 0,5000 L de una solución de 0,1222- M de C 3 H 7 OH hasta un volumen final de 1,250 L (c) Se diluyen 2,35 L de una solución de 0,350 M de H 3 PO 4 hasta un volumen final de 4,00 L (d) Se diluyen 22,50 mL de una solución de 0,025 M de C 12 H 22 O 11 hasta 100,0 mL (a) 0,125 M ; (b) 0,04888 M ; (c) 0,206 M ; (d) 0,0056 M ¿Cuál es la concentración final de la solución que se produce cuando se dejan evaporar 225,5 mL de una solución de 0,09988- M de Na 2 CO 3 hasta que el volumen de la solución se reduce a 45,00 mL? Se compró una botella de 2,00 L de una solución de HCl concentrado para el laboratorio de química general. La solución contenía 868,8 g de HCl. ¿Cuál es la molaridad de la solución? 11,9 M Un experimento en un laboratorio de química general requiere una solución de 2,00 M de HCl. ¿Cuántos mL de 11,9 M de HCl serían necesarios para hacer 250 mL de 2,00 M de HCl? ¿Qué volumen de una solución de 0,20 M de K 2 SO 4 contiene 57 g de K 2 SO 4 ? 1,6 L La Agencia de Protección Ambiental (Environmental Protection Agency, EPA) de los EE. UU. impone límites a las cantidades de sustancias tóxicas que pueden verterse al sistema de alcantarillado. Se han establecido límites para diversas sustancias, entre ellas el cromo hexavalente, que está limitado a 0,50 mg/L. Si una industria vierte cromo hexavalente en forma de dicromato de potasio (K 2 Cr 2 O 7 ), ¿cuál es la molaridad máxima permitida de esa sustancia? Ecuaciones clave M = mol de soluto L de solución C 1 V 1 = C 2 V 2 solución acuosa solución en la que el agua es el solvente concentrada término cualitativo para una solución que contiene un soluto a una concentración relativamente alta concentración medida cuantitativa de las cantidades relativas de soluto y solvente presentes en una solución diluida término cualitativo para una solución que contiene un soluto a una concentración relativamente baja dilución proceso de adición de solvente a una solución para reducir la concentración de solutos disolución describe el proceso por el que los componentes del soluto se dispersan en un solvente molaridad( M ) unidad de concentración, definida como el número de moles de soluto disueltos en 1 litro de solución soluto componente de la solución presente en una concentración inferior a la del solvente solvente componente de la solución presente en una concentración superior a la de otros componentes

Ciencia


Otras unidades para las concentraciones de las soluciones En el apartado anterior se ha introducido la molaridad, una unidad de medida muy útil para evaluar la concentración de las soluciones. Sin embargo, la molaridad es solo una medida de la concentración. Esta sección describirá algunas otras unidades de concentración que se utilizan comúnmente en varias aplicaciones, ya sea por conveniencia o por convención. Porcentaje de masa Anteriormente en este capítulo, se introdujo la composición porcentual como una medida de la cantidad relativa de un elemento determinado en un compuesto. Los porcentajes también se utilizan habitualmente para expresar la composición de las mezclas, incluidas las soluciones. El porcentaje de masa de un componente de la solución se define como la relación entre la masa del componente y la masa de la solución, expresada en porcentaje: porcentaje de masa = masa del componente masa de la solución × 100 % El porcentaje de masa también recibe nombres similares, como tanto por ciento en masa, porcentaje de peso, porcentaje de peso/peso , y otras variaciones sobre este tema. El símbolo más común para el porcentaje de masa es simplemente el signo de porcentaje, %, aunque a menudo se utilizan símbolos más detallados cómo %masa, %peso y (p/p)%. El uso de estos símbolos más detallados puede evitar la confusión de los porcentajes de masa con otros tipos de porcentajes, como los porcentajes de volumen (que se tratarán más adelante en esta sección). Los porcentajes de masa son unidades de concentración populares para los productos de consumo. La etiqueta de una botella típica de blanqueador líquido ( ) indica que la concentración de su ingrediente activo, el hipoclorito de sodio (NaOCl), es del 7,4 %. Por lo tanto, una muestra de 100,0 g de blanqueador debería contener 7,4 g de NaOCl El blanqueador líquido es una solución acuosa de hipoclorito de sodio (NaOCl). Esta marca tiene una concentración de 7,4 % de NaOCl en masa. Cálculo del porcentaje en masa Una muestra de 5,0 g de líquido cefalorraquídeo contiene 3,75 mg (0,00375 g) de glucosa. ¿Cuál es el porcentaje en masa de la glucosa en el líquido cefalorraquídeo? Solución La muestra de líquido cefalorraquídeo contiene aproximadamente 4 mg de glucosa en 5.000 mg de líquido, por lo que la fracción de masa de la glucosa debería ser un poco menos de una parte en 1.000, es decir, aproximadamente del 0,1 %. Al sustituir las masas dadas en la ecuación que define el porcentaje de masa se obtiene: % de glucosa = 3,75 mg de glucosa × 1 g 1.000 mg 5,0 g de líquido cefalorraquídeo = 0,075 % El porcentaje de masa calculado coincide con nuestra estimación aproximada (es un poco menos del 0,1 %). Observe que, aunque se puede utilizar cualquier unidad de masa para calcular un porcentaje de masa (mg, g, kg, oz, etc.), se debe utilizar la misma unidad tanto para el soluto como para la solución, de modo que las unidades de masa se cancelen, dando lugar a una relación adimensional. En este caso, la unidad de masa del soluto en el numerador se convirtió de mg a g para que coincidiera con las unidades en el denominador. Como alternativa, la unidad de masa del líquido cefalorraquídeo en el denominador podría haberse convertido de g a mg. Siempre que se utilicen unidades de masa idénticas para el soluto y la solución, el porcentaje de masa calculado será correcto. Compruebe lo aprendido Una botella de un limpiador de azulejos contiene 135 g de HCl y 775 g de agua. ¿Cuál es el porcentaje en masa de HCl en este limpiador? Respuesta: 14,8 % Cálculos con porcentaje de masa El ácido clorhídrico "concentrado" es una solución acuosa de HCl al 37,2 % que se utiliza habitualmente como reactivo de laboratorio. La densidad de esta solución es de 1,19 g/mL. ¿Qué masa de HCl hay en 0,500 L de esta solución? Solución La concentración de HCl es cercana al 40 %, por lo que una porción de 100 g de esta solución contendría unos 40 g de HCl. Como la densidad de la solución no es muy diferente de la del agua (1 g/mL), una estimación razonable de la masa de HCl en 500 g (0,5 L) de la solución, es aproximadamente cinco veces mayor que la de una porción de 100 g, o 5 × 40 = 200 g. Para obtener la masa de soluto en una solución a partir de su porcentaje en masa, es necesario conocer la masa de la solución. Utilizando la densidad de la solución dada, convierta el volumen de la solución en masa, y luego utilice el porcentaje de masa dado para calcular la masa del soluto. Este enfoque matemático se resume en este diagrama de flujo: Para la correcta cancelación de la unidad, el volumen de 0,500 L se convierte en 500 mL, y el porcentaje de masa se expresa como una relación, 37,2 g de HCl/g de solución: Solución de 500 mL ( 1,19 g de solución mL de solución ) ( 37,2 g de HCl 100 g de solución ) = 221 g de HCl Esta masa de HCl es coherente con nuestra estimación aproximada de alrededor de 200 g. Compruebe lo aprendido ¿Qué volumen de solución de HCl concentrado contiene 125 g de HCl? Respuesta: 282 mL Porcentaje de volumen Los volúmenes de líquidos en una amplia gama de magnitudes se miden de forma conveniente utilizando equipos de laboratorio comunes y relativamente baratos. Por lo tanto, la concentración de una solución formada por la disolución de un soluto líquido en un disolvente líquido suele expresarse como un porcentaje de volumen , %vol o (v/v)%: porcentaje de volumen = volumen de soluto solución de volumen × 100 % Cálculos mediante el porcentaje de volumen El alcohol de fricción (isopropanol) suele venderse en forma de solución acuosa al 70 % vol. Si la densidad del alcohol isopropílico es de 0,785 g/mL, ¿cuántos gramos de alcohol isopropílico hay en una botella de 355 mL de alcohol de fricción? Solución Según la definición de porcentaje de volumen, el volumen de isopropanol es el 70 % del volumen total de la solución. Multiplicando el volumen de isopropanol por su densidad se obtiene la masa requerida: ( 355 mL de solución ) ( 70 mL de alcohol isopropílico 100 mL de solución ) ( 0,785 g de alcohol isopropílico 1 mL de alcohol isopropílico ) = 195 g de alcohol isopropílico Compruebe lo aprendido El vino tiene aproximadamente un 12 % de etanol (CH 3 CH 2 OH) en volumen. El etanol tiene una masa molar de 46,06 g/mol y una densidad de 0,789 g/mL. ¿Cuántos moles de etanol hay en una botella de vino de 750 mL? Respuesta: 1,5 mol de etanol Porcentaje de masa volumen Las unidades porcentuales "mixtas", derivadas de la masa del soluto y el volumen de la solución, son populares para ciertas aplicaciones bioquímicas y médicas. Un porcentaje de masa volumen es una relación entre la masa de un soluto y el volumen de la solución, expresada en forma de porcentaje. Las unidades específicas utilizadas para la masa del soluto y el volumen de la solución pueden variar, dependiendo de la solución. Por ejemplo, la solución salina fisiológica, utilizada para preparar fluidos intravenosos, tiene una concentración de 0,9 % masa/volumen (m/v), lo que indica que la composición es de 0,9 g de soluto por 100 mL de solución. La concentración de glucosa en la sangre (comúnmente denominada "azúcar en la sangre") también suele expresarse en términos de una relación masa volumen. Aunque no se exprese explícitamente en porcentaje, su concentración suele darse en miligramos de glucosa por decilitro (100 mL) de sangre ( ). Las unidades de masa volumen "mixtas" son habituales en el ámbito médico. (a) La concentración de NaCl de la solución salina fisiológica es del 0,9 % (m/v). (b) Este dispositivo mide los niveles de glucosa en una muestra de sangre. El rango normal de concentración de glucosa en sangre (en ayunas) es de unos 70-100 mg/dL (créditos a: modificación de la obra de "The National Guard"/Flickr; créditos b: modificación de la obra de Biswarup Ganguly). Partes por millón y partes por mil millones Las concentraciones de solutos muy bajas se expresan a menudo utilizando unidades adecuadamente pequeñas, como partes por millón (ppm) o partes por mil millones (ppb) . Al igual que las unidades de porcentaje ("parte por cien"), las ppm y las ppb pueden definirse en términos de masas, volúmenes o unidades mixtas de masa y volumen. También hay unidades de ppm y ppb definidas con respecto al número de átomos y moléculas. A continuación, se dan las definiciones de ppm y ppb basadas en la masa: ppm = masa del soluto masa de la solución × 10 6 ppm ppb = masa del soluto masa de la solución × 10 9 ppb Tanto las ppm como las ppb son unidades convenientes para informar las concentraciones de contaminantes y de otros contaminantes en trazas en el agua. Las concentraciones de estos contaminantes suelen ser muy bajas en las aguas tratadas y naturales, y sus niveles no pueden superar los umbrales de concentración relativamente bajos sin causar efectos adversos en la salud y la fauna. Por ejemplo, la EPA ha determinado que el nivel máximo seguro de iones de flúor en el agua del grifo es de 4 ppm. Los filtros de agua en línea están diseñados para reducir la concentración de flúor y otros contaminantes del agua del grifo ( ). (a) En algunas zonas, las concentraciones de contaminantes a nivel de trazas pueden hacer que el agua del grifo sin filtrar no sea segura para beber ni cocinar. (b) Los filtros de agua en línea reducen la concentración de solutos en el agua del grifo (créditos a: modificación de la obra de Jenn Durfey; créditos b: modificación de la obra de "vastateparkstaff"/Wikimedia commons). Cálculo de las concentraciones de partes por millón y partes por mil millones Según la EPA, cuando la concentración de plomo en el agua del grifo alcanza las 15 ppb, se deben tomar determinadas acciones correctivas. ¿Cuál es esta concentración en ppm? Con esta concentración, ¿qué masa de plomo (μg) contendría un vaso normal de agua (300 mL)? Solución Las definiciones de las unidades ppm y ppb pueden utilizarse para convertir la concentración dada de ppb a ppm. Si se comparan estas dos definiciones de unidades, se observa que las ppm son 1.000 veces mayores que las ppb (1 ppm = 10 3 ppb). Por lo tanto: 15 ppb × 1 ppm 10 3 ppb = 0,015 ppm La definición de la unidad ppb puede utilizarse para calcular la masa solicitada si se proporciona la masa de la solución. Puesto que se da el volumen de la solución (300 mL), hay que utilizar su densidad para obtener la masa correspondiente. Suponga que la densidad del agua del grifo es aproximadamente la misma que la del agua pura (~1,00 g/mL), ya que las concentraciones de cualquier sustancia disuelta no deberían ser muy grandes. Al reordenar la ecuación que define la unidad de ppb y al sustituir las cantidades dadas se obtiene: ppb = masa del soluto masa de la solución × 10 9 ppb masa del soluto = ppb × masa de la solución 10 9 ppb masa del soluto = 15 ppb × 300 mL × 1,00 g mL 10 9 ppb = 4,5 × 10 -6 g Por último, convierta esta masa a la unidad solicitada de microgramos: 4,5 × 10 -6 g × 1 μg 10 -6 g = 4,5 μg Compruebe lo aprendido Se determinó que una muestra de 50,0 g de aguas residuales industriales contenía 0,48 mg de mercurio. Exprese la concentración de mercurio de las aguas residuales en unidades de ppm y ppb. Respuesta: 9,6 ppm, 9600 ppb Resumen de la sección Además de la molaridad, se utilizan otras unidades de concentración de soluciones en diversas aplicaciones. Las concentraciones porcentuales basadas en las masas de los componentes de la solución, los volúmenes o ambos son útiles para expresar concentraciones relativamente altas, mientras que las concentraciones más bajas se expresan convenientemente utilizando unidades de ppm o ppb. Estas unidades son populares en los campos del medio ambiente, la medicina y otros en los que las unidades basadas en el mol, como la molaridad, no se utilizan con tanta frecuencia. Considere esta pregunta: ¿Qué masa de una solución concentrada de ácido nítrico (68,0 % de HNO 3 en masa) se necesita para preparar 400,0 g de una solución al 10,0 % de HNO 3 en masa? (a) Describa los pasos necesarios para responder la pregunta. (b) Responda la pregunta. (a) Se puede utilizar la ecuación de dilución, modificada adecuadamente para acomodar las unidades de concentración basadas en la masa: % masa 1 × masa 1 = % masa 2 × masa 2 . Esta ecuación se puede reordenar para aislar la masa 1 y sustituir las cantidades dadas en esta ecuación. (b) 58,8 g ¿Qué masa de una solución de NaOH al 4,00 % en masa contiene 15,0 g de NaOH? ¿Qué masa de NaOH sólido (97,0 % de NaOH en masa) se necesita para preparar 1,00 L de una solución de NaOH al 10,0 % en masa? La densidad de la solución al 10,0 % es de 1,109 g/mL. 114 g ¿Qué masa de HCl está contenida en 45,0 mL de una solución acuosa de HCl que tiene una densidad de 1,19 g cm -3 y contiene un 37,21 % de HCl en masa? La dureza del agua (recuento de dureza) suele expresarse en partes por millón (en masa) de CaCO 3 , lo que equivale a miligramos de CaCO 3 por litro de agua. ¿Cuál es la concentración molar de iones de Ca 2+ en una muestra de agua con una dureza de 175 mg de CaCO 3 /L? 1,75 × 10 -3 M Se sospecha que el nivel de mercurio en un arroyo es superior al mínimo considerado seguro (1 parte por mil millones en peso). Un análisis indicó que la concentración era de 0,68 partes por mil millones. Suponga una densidad de 1,0 g/mL y calcule la molaridad del mercurio en el arroyo. En Canadá y el Reino Unido, los dispositivos que miden los niveles de glucosa en sangre proporcionan una lectura en milimoles por litro. Si se observa una medición de 5,3 m M , ¿cuál es la concentración de glucosa (C 6 H 12 O 6 ) en mg/dL? 95 mg/dL Un aerosol para la garganta contiene un 1,40 % en masa de fenol, C 6 H 5 OH, en agua. Si la solución tiene una densidad de 0,9956 g/mL, calcule la molaridad de la solución. El yoduro de cobre (I) (CuI) suele añadirse a la sal de mesa como fuente dietética de yodo. ¿Cuántos moles de CuI hay en 454 g (1,00 lb) de sal de mesa que contiene 0,0100 % de CuI en masa? 2,38 × 10 -4 mol Un jarabe para la tos contiene un 5,0 % de alcohol etílico, C 2 H 5 OH, en masa. Si la densidad de la solución es de 0,9928 g/mL, determine la molaridad del alcohol en el jarabe para la tos. El D5W es una solución utilizada como fluido intravenoso. Se trata de una solución al 5,0 % en masa de dextrosa (C 6 H 12 O 6 ) en agua. Si la densidad del D5W es de 1,029 g/mL, calcule la molaridad de la dextrosa en la solución. 0,29 mol Calcule la molaridad de una solución acuosa del 40,0 % en masa de ácido sulfúrico, H 2 SO 4 , cuya densidad es de 1,3057 g/mL. Ecuaciones clave Porcentaje en masa = masa del soluto masa de la solución × 100 ppm = masa del soluto masa de la solución × 10 6 ppm ppb = masa del soluto masa de la solución × 10 9 ppb porcentaje de masa relación entre la masa de la solución y la masa del soluto expresada en porcentaje porcentaje de masa volumen relación entre la masa del soluto y el volumen de la solución, expresada en porcentaje partes por mil millones (ppb) relación entre la masa de la solución y la masa del soluto multiplicada por 10 9 partes por millón (ppm) relación entre la masa de la solución y la masa del soluto multiplicada por 10 6 porcentaje de volumen relación entre el volumen del soluto y el volumen de la solución, expresada en porcentaje

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Introducción Muchos de los combustibles modernos para cohetes son mezclas sólidas de sustancias combinadas en cantidades cuidadosamente medidas y encendidas para producir una reacción química generadora de empuje (créditos: modificación de un trabajo de la NASA). Los cohetes de combustible sólido son un elemento central en los programas de exploración espacial del mundo, incluido el nuevo Sistema de Lanzamiento Espacial que está desarrollando la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio (NASA) para sustituir a la flota de transbordadores espaciales retirados ( ). Los motores de estos cohetes se basan en mezclas sólidas de sustancias químicas cuidadosamente preparadas y combinadas en cantidades exactamente medidas. Al encender la mezcla, se inicia una vigorosa reacción química que genera rápidamente grandes cantidades de productos gaseosos. Estos gases son expulsados del motor del cohete a través de su tobera, proporcionando el empuje necesario para propulsar cargas pesadas al espacio. Tanto la naturaleza de esta reacción química, como las relaciones entre las cantidades de las sustancias consumidas y producidas por la reacción, son consideraciones de importancia crítica que determinan el éxito de la tecnología. Este capítulo describirá cómo simbolizar las reacciones químicas utilizando ecuaciones químicas, cómo clasificar algunas reacciones químicas comunes identificando patrones de reactividad y cómo determinar las relaciones cuantitativas entre las cantidades de sustancias que intervienen en las reacciones químicas, es decir, la estequiometría de la reacción.

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Escritura y balance de ecuaciones químicas En un capítulo anterior de este texto se introdujo el uso de símbolos de elementos para representar átomos individuales. Cuando los átomos ganan o pierden electrones para dar lugar a iones, o se combinan con otros átomos para formar moléculas, sus símbolos se modifican o combinan para generar fórmulas químicas que representen adecuadamente estas especies. La extensión de este simbolismo para representar tanto las identidades como las cantidades relativas de las sustancias que sufren un cambio químico (o físico) implica escribir y equilibrar una ecuación química . Consideremos como ejemplo la reacción entre una molécula de metano (CH 4 ) y dos moléculas de oxígeno diatómico (O 2 ) para producir una molécula de dióxido de carbono (CO 2 ) y dos moléculas de agua (H 2 O). La ecuación química que representa este proceso aparece en la mitad superior de la , con modelos moleculares de espacio lleno en la mitad inferior de la figura. La reacción entre el metano y el oxígeno para dar lugar a dióxido de carbono y agua (mostrada en la parte inferior) puede representarse mediante una ecuación química utilizando fórmulas (arriba). Este ejemplo ilustra los aspectos fundamentales de cualquier ecuación química: Las sustancias que reaccionan se llaman reactivos y sus fórmulas se colocan en el lado izquierdo de la ecuación. Las sustancias generadas por la reacción se llaman productos , y sus fórmulas se colocan en el lado derecho de la ecuación. Los signos más (+) separan las fórmulas individuales del reactivo y del producto, y una flecha (⟶) separa los lados del reactivo y del producto (izquierda y derecha) de la ecuación. Los números relativos de las especies de reactivos y productos están representados por coeficientes (números colocados inmediatamente a la izquierda de cada fórmula). Un coeficiente de 1 se suele omitir. Es una práctica común utilizar los coeficientes de números enteros más pequeños posibles en una ecuación química, como se hace en este ejemplo. Sin embargo, hay que tener en cuenta que estos coeficientes representan los números relativos de reactivos y productos y, por lo tanto, pueden interpretarse correctamente como cocientes. El metano y el oxígeno reaccionan para producir dióxido de carbono y agua en un cociente de 1:2:1:2. Este cociente se cumple si los números de estas moléculas son, respectivamente, 1-2-1-2, o 2-4-2-4, o 3-6-3-6, y así sucesivamente ( ). Así mismo, estos coeficientes pueden interpretarse con respecto a cualquier unidad de cantidad (número), por lo que esta ecuación puede leerse correctamente de muchas maneras, entre ellas: Una molécula de metano y dos de oxígeno reaccionan para dar lugar a una molécula de dióxido de carbono y dos de agua. Una docena de moléculas de metano y dos docenas de moléculas de oxígeno reaccionan para producir una docena de moléculas de dióxido de carbono y dos docenas de moléculas de agua. Un mol de moléculas de metano y 2 moles de moléculas de oxígeno reaccionan para producir 1 mol de moléculas de dióxido de carbono y 2 moles de moléculas de agua. Independientemente del número absoluto de moléculas implicadas, los cocientes entre los números de moléculas de cada especie que reaccionan (los reactivos) y las moléculas de cada especie que se forman (los productos) son las mismas y vienen dadas por la ecuación de la reacción química. Balance de ecuaciones La ecuación química descrita en el apartado 4.1 está balanceada , lo que significa que en los lados del reactivo y del producto se representan números iguales de átomos de cada elemento que interviene en la reacción. Este es un requisito que la ecuación debe satisfacer para ser consistente con la ley de conservación de la materia. Se puede confirmar simplemente sumando los números de átomos a cada lado de la flecha y comparando estas sumas para asegurarse de que son iguales. Tenga en cuenta que el número de átomos de un elemento determinado se calcula multiplicando el coeficiente de cualquier fórmula que contenga ese elemento por el subíndice del elemento en la fórmula. Si un elemento aparece en más de una fórmula en un lado determinado de la ecuación, hay que calcular el número de átomos representados en cada una y luego sumarlos. Por ejemplo, ambas especies de productos en la reacción de ejemplo, CO 2 y H 2 O, contienen el elemento oxígeno, por lo que el número de átomos de oxígeno en el lado del producto de la ecuación es ( 1 molécula de CO 2 × 2 átomos de O molécula de CO 2 ) + ( 2 H 2 O × 1 átomo de O molécula de H 2 O ) = 4 átomos de O Se confirma que la ecuación de la reacción entre el metano y el oxígeno para producir dióxido de carbono y agua está balanceada según este enfoque, como se muestra aquí: CH 4 + 2 O 2 ⟶ CO 2 + 2 H 2 O Elemento Reactivos Productos ¿Balanceada? C 1 × 1 = 1 1 × 1 = 1 1 = 1, sí H 4 × 1 = 4 2 × 2 = 4 4 = 4, sí O 2 × 2 = 4 (1 × 2) + (2 × 1) = 4 4 = 4, sí Una ecuación química balanceada a menudo puede derivarse de una descripción cualitativa de alguna reacción química mediante un enfoque bastante simple conocido como balance por inspección. Consideremos como ejemplo la descomposición del agua para producir hidrógeno y oxígeno moleculares. Este proceso se representa cualitativamente mediante una ecuación química desbalanceada : H 2 O ⟶ H 2 + O 2 (desbalanceada) La comparación del número de átomos de H y O en cada lado de esta ecuación confirma su desbalance: Elemento Reactivos Productos ¿Desbalanceada? H 1 × 2 = 2 1 × 2 = 2 2 = 2, sí O 1 × 1 = 1 1 × 2 = 2 1 ≠ 2, no Los números de átomos de H en los lados del reactivo y del producto de la ecuación son iguales, pero los números de átomos de O no lo son. Para lograr el balance, los coeficientes de la ecuación pueden modificarse según sea necesario. Hay que tener en cuenta, por supuesto, que los subíndices de la fórmula definen, en parte, la identidad de la sustancia, por lo que no se pueden cambiar sin alterar el significado cualitativo de la ecuación. Por ejemplo, si se cambia la fórmula del reactivo de H 2 O a H 2 O 2 , se balancea el número de átomos, pero al hacerlo también cambia la identidad del reactivo (ahora es peróxido de hidrógeno y no agua). El balance del átomo de O puede lograrse cambiando el coeficiente del H 2 O a 2. 2 H 2 O ⟶ H 2 + O 2 (desbalanceada) Elemento Reactivos Productos ¿Desbalanceada? H 2 × 2 = 4 1 × 2 = 2 4 ≠ 2, no O 2 × 1 = 2 1 × 2 = 2 2 = 2, sí El balance de los átomos de H se vio alterado por este cambio, pero se restablece fácilmente cambiando el coeficiente del producto H 2 a 2. 2 H 2 O ⟶ 2 H 2 + O 2 (balanceada) Elemento Reactivos Productos ¿Desbalanceada? H 2 × 2 = 4 2 × 2 = 4 4 = 4, sí O 2 × 1 = 2 1 × 2 = 2 2 = 2, sí Estos coeficientes dan lugar a un número igual de átomos de H y O en los lados del reactivo y del producto, y la ecuación balanceada es, por tanto: 2 H 2 O ⟶ 2 H 2 + O 2 Balance de ecuaciones químicas Escriba una ecuación balanceada para la reacción del nitrógeno (N 2 ) y el oxígeno (O 2 ) moleculares para formar pentóxido de dinitrógeno. Solución Primero, escriba la ecuación desbalanceada. N 2 + O 2 ⟶ N 2 O 5 (desbalanceada) A continuación, cuenta el número de cada tipo de átomo presente en la ecuación desbalanceada. Elemento Reactivos Productos ¿Balanceada? N 1 × 2 = 2 1 × 2 = 2 2 = 2, sí O 1 × 2 = 2 1 × 5 = 5 2 ≠ 5, no Aunque el nitrógeno está balanceado, se necesitan cambios en los coeficientes para balancear el número de átomos de oxígeno. Para balancear el número de átomos de oxígeno, un primer intento razonable sería cambiar los coeficientes para el O 2 y el N 2 O 5 a números enteros que produzcan 10 átomos de O (el mínimo común múltiplo para los subíndices de los átomos de O en estas dos fórmulas). N 2 + 5 O 2 ⟶ 2 N 2 O 5 (desbalanceada) Elemento Reactivos Productos ¿Balanceada? N 1 × 2 = 2 2 × 2 = 4 2 ≠ 4, no O 5 × 2 = 10 2 × 5 = 10 10 = 10, sí El balance de los átomos de N se ha visto alterado por este cambio; se restablece cambiando el coeficiente del reactivo N 2 a 2. 2 N 2 + 5 O 2 ⟶ 2 N 2 O 5 Elemento Reactivos Productos ¿Balanceada? N 2 × 2 = 4 2 × 2 = 4 4 = 4, sí O 5 × 2 = 10 2 × 5 = 10 10 = 10, sí Los números de átomos de N y O en cada lado de la ecuación son ahora iguales, por lo que la ecuación está balanceada. Compruebe sus conocimientos Escriba una ecuación balanceada para la descomposición del nitrato de amonio para formar nitrógeno molecular, oxígeno molecular y agua. (Pista: Haga el balance del oxígeno de último, ya que está presente en más de una molécula en el lado derecho de la ecuación). Respuesta: 2 NH 4 NO 3 ⟶ 2 N 2 + O 2 + 4 H 2 O A veces es conveniente utilizar fracciones en lugar de números enteros como coeficientes intermedios en el proceso de balancear una ecuación química. Cuando se consigue el balance, todos los coeficientes de la ecuación pueden multiplicarse por un número entero para convertir los coeficientes fraccionarios en enteros sin alterar el balance de los átomos. Por ejemplo, considere la reacción del etano (C 2 H 6 ) con el oxígeno para producir H 2 O y CO 2 , representada por la ecuación desbalanceada: C 2 H 6 + O 2 ⟶ H 2 O + CO 2 (desbalanceada) Siguiendo el enfoque habitual de inspección, se podrían primero balancear los átomos de C y H cambiando los coeficientes para las dos especies del producto, como se muestra: C 2 H 6 + O 2 ⟶ 3 H 2 O + 2 CO 2 (desbalanceada) Esto da como resultado siete átomos de O en el lado del producto de la ecuación, un número impar, no se puede utilizar un coeficiente entero con el reactivo O 2 para obtener un número impar, así que un coeficiente fraccionario, 7 2 , para obtener una ecuación balanceada provisional: C 2 H 6 + 7 2 O 2 ⟶ 3 H 2 O + 2 CO 2 Una ecuación balanceada convencional con coeficientes solo enteros se obtiene multiplicando cada coeficiente por 2: 2 C 2 H 6 + 7 O 2 ⟶ 6 H 2 O + 4 CO 2 Por último, con respecto a las ecuaciones balanceadas, recuerde que la convención dicta el uso de los coeficientes de números enteros más pequeños . Aunque la ecuación de la reacción entre el nitrógeno molecular y el hidrógeno molecular para producir amoníaco está, efectivamente, balanceada, 3 N 2 + 9 H 2 ⟶ 6 NH 3 los coeficientes no son los números enteros más pequeños posibles que representan los números relativos de las moléculas del reactivo y del producto. Dividiendo cada coeficiente entre el máximo común divisor, 3, se obtiene la ecuación preferida: N 2 + 3 H 2 ⟶ 2 NH 3 Utilice este tutorial interactivo para practicar más el balance de ecuaciones. Información adicional en las ecuaciones químicas Los estados físicos de los reactivos y productos en las ecuaciones químicas se indican muy a menudo con una abreviatura entre paréntesis a continuación de las fórmulas. Las abreviaturas más comunes son s para los sólidos, l para los líquidos, g para los gases y aq para las sustancias disueltas en agua ( soluciones acuosas , como se presentó en el capítulo anterior). Estas anotaciones se ilustran en la ecuación de ejemplo: 2 Na ( s ) + 2 H 2 O ( l ) ⟶ 2 NaOH ( a q ) + H 2 ( g ) Esta ecuación representa la reacción que tiene lugar cuando el sodio metálico se coloca en el agua. El sodio sólido reacciona con el agua líquida para producir gas hidrógeno molecular y el compuesto iónico hidróxido de sodio (un sólido en estado puro, pero que se disuelve fácilmente en agua). Las condiciones especiales necesarias para una reacción se designan a veces escribiendo una palabra o un símbolo encima o debajo de la flecha de la ecuación. Por ejemplo, una reacción realizada por calentamiento puede indicarse con la letra griega mayúscula delta (Δ) sobre la flecha. CaCO 3 ( s ) ⟶ Δ CaO ( s ) + CO 2 ( g ) Otros ejemplos de estas condiciones especiales se encuentran en mayor profundidad en capítulos posteriores. Ecuaciones de las reacciones iónicas Dada la abundancia de agua en la Tierra, es lógico que un gran número de reacciones químicas tengan lugar en medios acuosos. Cuando los iones intervienen en estas reacciones, las ecuaciones químicas pueden escribirse con varios niveles de detalle adecuados a su uso previsto. Para ilustrar esto, consideremos una reacción entre compuestos iónicos que tiene lugar en una solución acuosa. Cuando se mezclan soluciones acuosas de CaCl 2 y AgNO 3 , se produce una reacción que produce Ca(NO 3 ) 2 acuoso y AgCl sólido: CaCl 2 ( a q ) + 2 AgNO 3 ( a q ) ⟶ Ca ( NO 3 ) 2 ( a q ) + 2 AgCl ( s ) . Esta ecuación balanceada, derivada de la manera habitual, se llama ecuación molecular porque no representa explícitamente las especies iónicas que están presentes en la solución. Cuando los compuestos iónicos se disuelven en agua, pueden disociarse en sus iones constituyentes, que posteriormente se dispersan de forma homogénea por la solución resultante (en el capítulo sobre soluciones se ofrece un análisis exhaustivo de este importante proceso). Por lo tanto, los compuestos iónicos disueltos en el agua se representan de forma más realista como iones disociados, en este caso: CaCl 2 ( a q ) ⟶ Ca 2+ ( a q ) + 2 Cl – ( a q ) 2 AgNO 3 ( a q ) ⟶ 2 Ag + ( a q ) + 2 NO 3 – ( a q ) Ca ( NO 3 ) 2 ( a q ) ⟶ Ca 2+ ( a q ) + 2 NO 3 – ( a q ) A diferencia de estos tres compuestos iónicos, el AgCl no se disuelve en el agua de forma significativa, como lo indica su notación de estado físico, s . La representación explícita de todos los iones disueltos da lugar a una ecuación iónica completa . En este caso concreto, las fórmulas de los compuestos iónicos disueltos se sustituyen por fórmulas de sus iones disociados: Ca 2+ ( a q ) + 2 Cl – ( a q ) + 2 Ag + ( a q ) + 2 NO 3 – ( a q ) ⟶ Ca 2+ ( a q ) + 2 NO 3 – ( a q ) + 2 Ag Cl ( s ) . El examen de esta ecuación muestra que dos especies químicas están presentes en forma idéntica a ambos lados de la flecha, Ca 2+ ( aq ) y NO 3 – ( a q ) Estos iones espectadores , cuya presencia es necesaria para mantener la neutralidad de la carga, no cambian ni química ni físicamente por el proceso, por lo que pueden ser eliminados de la ecuación para obtener una representación más sucinta llamada ecuación iónica neta : Ca 2+ ( a q ) + 2 Cl – ( a q ) + 2 Ag + ( a q ) + 2 NO 3 – ( a q ) ⟶ Ca 2+ ( a q ) + 2 NO 3 – ( a q ) + 2 AgCl ( s ) 2 Cl – ( a q ) + 2 Ag + ( a q ) ⟶ 2 AgCl ( s ) Siguiendo la convención de utilizar los enteros más pequeños posibles como coeficientes, esta ecuación se escribe entonces: Cl – ( a q ) + Ag + ( a q ) ⟶ AgCl ( s ) . Esta ecuación iónica neta indica que el cloruro de plata sólido puede producirse a partir de iones de cloruro y plata(I) disueltos, independientemente de la fuente de estos iones. Estas ecuaciones moleculares e iónicas completas proporcionan información adicional, a saber, los compuestos iónicos utilizados como fuentes de Cl − y Ag + . Ecuaciones iónicas y moleculares Cuando el dióxido de carbono se disuelve en una solución acuosa de hidróxido de sodio, la mezcla reacciona para producir carbonato de sodio acuoso y agua líquida. Escriba ecuaciones moleculares balanceadas, iónicas completas e iónicas netas para este proceso. Solución Comience identificando las fórmulas de los reactivos y productos y ordenándolas adecuadamente en forma de ecuación química: CO 2 ( a q ) + NaOH ( a q ) ⟶ Na 2 CO 3 ( a q ) + H 2 O ( l ) (desbalanceada) El balance se consigue fácilmente en este caso cambiando el coeficiente para el NaOH a 2, lo que da lugar a la ecuación molecular para esta reacción: CO 2 ( a q ) + 2 NaOH ( a q ) ⟶ Na 2 CO 3 ( a q ) + H 2 O ( l ) Los dos compuestos iónicos disueltos, NaOH y Na 2 CO 3 , pueden representarse como iones disociados para obtener la ecuación iónica completa: CO 2 ( a q ) + 2 Na + ( a q ) + 2 OH – ( a q ) ⟶ 2 Na + ( a q ) + CO 3 2− ( a q ) + H 2 O ( l ) Finalmente, identifique el/los ion(es) espectador(es), en este caso Na + ( aq ), y elimínelo(s) de cada lado de la ecuación para generar la ecuación iónica neta: CO 2 ( a q ) + 2 Na + ( a q ) + 2 OH – ( a q ) ⟶ 2 Na + ( a q ) + CO 3 2− ( a q ) + H 2 O ( l ) CO 2 ( a q ) + 2 OH – ( a q ) ⟶ CO 3 2− ( a q ) + H 2 O ( l ) Compruebe lo aprendido El cloro diatómico y el hidróxido de sodio (lejía) son productos químicos básicos producidos en grandes cantidades, junto con el hidrógeno diatómico, a través de la electrólisis de la salmuera, según la siguiente ecuación desbalanceada: NaCl ( a q ) + H 2 O ( l ) → electricidad NaOH ( a q ) + H 2 ( g ) + Cl 2 ( g ) Escriba ecuaciones moleculares balanceadas, iónicas completas e iónicas netas para este proceso. Respuesta: 2 NaCl ( a q ) + 2 H 2 O ( l ) ⟶ 2 NaOH ( a q ) + H 2 ( g ) + Cl 2 ( g ) ( molecular ) 2 Na + ( a q ) + 2 Cl – ( a q ) + 2 H 2 O ( l ) ⟶ 2 Na + ( a q ) + 2 OH – ( a q ) + H 2 ( g ) + Cl 2 ( g ) ( iónico completo ) 2 Cl – ( a q ) + 2 H 2 O ( l ) ⟶ 2 OH – ( a q ) + H 2 ( g ) + Cl 2 ( g ) (iónico neto) Conceptos clave y resumen Las ecuaciones químicas son representaciones simbólicas de los cambios químicos y físicos. Las fórmulas de las sustancias que sufren el cambio (reactivos) y las sustancias generadas por el cambio (productos) están separadas por una flecha y precedidas por coeficientes enteros que indican sus números relativos. Las ecuaciones balanceadas son aquellas cuyos coeficientes dan como resultado un número igual de átomos para cada elemento en los reactivos y productos. Las reacciones químicas en solución acuosa que implican reactivos o productos iónicos pueden representarse de forma más realista mediante ecuaciones iónicas completas y, de forma más sucinta, mediante ecuaciones iónicas netas. Ejercicios de química del final del capítulo ¿Qué significa decir que una ecuación está balanceada? ¿Por qué es importante que una ecuación esté balanceada? Una ecuación está balanceada cuando el mismo número de cada elemento está representado en los lados del reactivo y del producto. Las ecuaciones deben estar balanceadas para reflejar con exactitud la ley de conservación de la materia. Considere las ecuaciones moleculares, iónicas completas e iónicas netas. (a) ¿Cuál es la diferencia entre estos tipos de ecuaciones? (b) ¿En qué circunstancia serían idénticas las ecuaciones iónicas completa y neta de una reacción? Haga un balance de las siguientes ecuaciones: (a) PCl 5 ( s ) + H 2 O ( l ) ⟶ POCl 3 ( l ) + HCl ( a q ) (b) Cu ( s ) + HNO 3 ( a q ) ⟶ Cu ( NO 3 ) 2 ( a q ) + H 2 O ( l ) + NO ( g ) (c) H 2 ( g ) + I 2 ( s ) ⟶ HI ( s ) (d) Fe ( s ) + O 2 ( g ) ⟶ Fe 2 O 3 ( s ) (e) Na ( s ) + H 2 O ( l ) ⟶ NaOH ( a q ) + H 2 ( g ) (f) ( NH 4 ) 2 Cr 2 O 7 ( s ) ⟶ Cr 2 O 3 ( s ) + N 2 ( g ) + H 2 O ( g ) (g) P 4 ( s ) + Cl 2 ( g ) ⟶ PCl 3 ( l ) (h) PtCl 4 ( s ) ⟶ Pt ( s ) + Cl 2 ( g ) (a) PCl 5 ( s ) + H 2 O ( l ) ⟶ POCl 3 ( l ) + 2 HCl ( a q ); (b) 3 Cu ( s ) + 8 HNO 3 ( a q ) ⟶ 3 Cu ( NO 3 ) 2 ( a q ) + 4 H 2 O ( l ) + 2 NO ( g ); (c) H 2 ( g ) + I 2 ( s ) ⟶ 2 HI ( s ); (d) 4 Fe ( s ) + 3 O 2 ( g ) ⟶ 2 Fe 2 O 3 ( s ); (e) 2 Na ( s ) + 2 H 2 O ( l ) ⟶ 2 NaOH ( a q ) + H 2 ( g ); (f) ( NH 4 ) 2 Cr 2 O 7 ( s ) ⟶ Cr 2 O 3 ( s ) + N 2 ( g ) + 4 H 2 O ( g ); (g) P 4 ( s ) + 6 Cl 2 ( g ) ⟶ 4 PCl 3 ( l ); (h) PtCl 4 ( s ) ⟶ Pt ( s ) + 2 Cl 2 ( g ) Haga un balance de las siguientes ecuaciones: (a) Ag ( s ) + H 2 S ( g ) + O 2 ( g ) ⟶ Ag 2 S ( s ) + H 2 O ( l ) (b) P 4 ( s ) + O 2 ( g ) ⟶ P 4 O 10 ( s ) (c) Pb ( s ) + H 2 O ( l ) + O 2 ( g ) ⟶ Pb(OH) 2 ( s ) (d) Fe ( s ) + H 2 O ( l ) ⟶ Fe 3 O 4 ( s ) + H 2 ( g ) (e) Sc 2 O 3 ( s ) + SO 3 ( l ) ⟶ Sc 2 ( S O 4 ) 3 ( s ) (f) Ca 3 ( P O 4 ) 2 ( a q ) + H 3 PO 4 ( a q ) ⟶ Ca ( H 2 PO 4 ) 2 ( a q ) (g) Al ( s ) + H 2 SO 4 ( a q ) ⟶ Al 2 ( S O 4 ) 3 ( s ) + H 2 ( g ) (h) TiCl 4 ( s ) + H 2 O ( g ) ⟶ TiO 2 ( s ) + HCl ( g ) Escriba una ecuación molecular balanceada que describa cada una de las siguientes reacciones químicas. (a) El carbonato de calcio sólido se calienta y se descompone en óxido de calcio sólido y gas de dióxido de carbono. (b) El butano gaseoso, C 4 H 10 , reacciona con el gas oxígeno diatómico para producir dióxido de carbono gaseoso y vapor de agua. (c) Las soluciones acuosas de cloruro de magnesio e hidróxido de sodio reaccionan para producir hidróxido de magnesio sólido y cloruro de sodio acuoso. (d) El vapor de agua reacciona con el sodio metálico para producir hidróxido de sodio sólido y gas hidrógeno. (a) CaCO 3 ( s ) ⟶ CaO ( s ) + CO 2 ( g ); (b) 2 C 4 H 10 ( g ) + 13 O 2 ( g ) ⟶ 8 CO 2 ( g ) + 10 H 2 O ( g ); (c) MgC1 2 ( a q ) + 2 NaOH ( a q ) ⟶ Mg (OH) 2 ( s ) + 2 NaCl ( a q ); (d) 2 H 2 O ( g ) + 2 Na ( s ) ⟶ 2 NaOH ( s ) + H 2 ( g ) Escriba una ecuación balanceada que describa cada una de las siguientes reacciones químicas. (a) El clorato de potasio sólido, KClO 3 , se descompone para formar cloruro de potasio sólido y gas oxígeno diatómico. (b) El aluminio metálico sólido reacciona con el yodo diatómico sólido para formar Al 2 I 6 sólido. (c) Cuando se añade cloruro de sodio sólido al ácido sulfúrico acuoso, se produce cloruro de hidrógeno gaseoso y sulfato de sodio acuoso. (d) Las soluciones acuosas de ácido fosfórico e hidróxido de potasio reaccionan para producir dihidrógeno fosfato de potasio acuoso y agua líquida. Los fuegos artificiales de colores suelen implicar la descomposición del nitrato de bario y el clorato de potasio y la reacción de los metales magnesio, aluminio y hierro con el oxígeno. (a) Escriba las fórmulas del nitrato de bario y del clorato de potasio. (b) La descomposición del clorato de potasio sólido genera la formación de cloruro de potasio sólido y gas oxígeno diatómico. Escriba una ecuación para la reacción. (c) La descomposición del nitrato de bario sólido genera la formación de óxido de bario sólido, gas nitrógeno diatómico y gas oxígeno diatómico. Escriba una ecuación para la reacción. (d) Escriba ecuaciones separadas para las reacciones de los metales sólidos magnesio, aluminio y hierro con el gas oxígeno diatómico para dar lugar a los correspondientes óxidos metálicos (supongamos que el óxido de hierro contiene iones Fe 3+ ). (a) Ba(NO 3 ) 2 , KClO 3 ; (b) 2 KClO 3 ( s ) ⟶ 2 KCl ( s ) + 3 O 2 ( g ); (c) 2 Ba ( NO 3 ) 2 ( s ) ⟶ 2 BaO ( s ) + 2 N 2 ( g ) + 5 O 2 ( g ); (d) 2 Mg ( s ) + O 2 ( g ) ⟶ 2 MgO ( s ) ; 4 Al ( s ) + 3 O 2 ( g ) ⟶ 2 Al 2 O 3 ( s ) ; 4 Fe ( s ) + 3 O 2 ( g ) ⟶ 2 Fe 2 O 3 ( s ) Rellene el espacio en blanco con una única fórmula química de un compuesto covalente que balancee la ecuación: El fluoruro de hidrógeno acuoso (ácido fluorhídrico) se utiliza para grabar el vidrio y analizar los minerales por su contenido en silicio. El fluoruro de hidrógeno también reacciona con la arena (dióxido de silicio). (a) Escriba una ecuación para la reacción del dióxido de silicio sólido con el ácido fluorhídrico para producir tetrafluoruro de silicio gaseoso y agua líquida. (b) El mineral fluorita (fluoruro de calcio) está muy presente en Illinois. El fluoruro de calcio sólido también puede prepararse mediante la reacción de soluciones acuosas de cloruro de calcio y fluoruro de sodio, dando lugar a cloruro de sodio acuoso como el otro producto. Escriba ecuaciones iónicas completas y netas para esta reacción. (a) 4 HF ( a q ) + SiO 2 ( s ) ⟶ SiF 4 ( g ) + 2 H 2 O ( l ); (b) complete la ecuación iónica: 2 Na + ( a q ) + 2 F – ( a q ) + Ca 2+ ( a q ) + 2 Cl – ( a q ) ⟶ Ca F 2 ( s ) + 2 Na + ( a q ) + 2 Cl – ( a q ), ecuación iónica neta: 2 F – ( a q ) + Ca 2+ ( a q ) ⟶ CaF 2 ( s ) Un novedoso proceso para obtener magnesio a partir del agua de mar implica varias reacciones. Escribs una ecuación química balanceada para cada paso del proceso. (a) El primer paso es la descomposición del carbonato de calcio sólido de las conchas marinas para formar óxido de calcio sólido y dióxido de carbono gaseoso. (b) El segundo paso es la formación de hidróxido de calcio sólido como único producto de la reacción del óxido de calcio sólido con el agua líquida. (c) A continuación, se añade hidróxido de calcio sólido al agua de mar, reaccionando con el cloruro de magnesio disuelto para dar lugar a hidróxido de magnesio sólido y cloruro de calcio acuoso. (d) El hidróxido de magnesio sólido se añade a una solución de ácido clorhídrico, produciendo cloruro de magnesio disuelto y agua líquida. (e) Finalmente, el cloruro de magnesio se funde y se electroliza para obtener magnesio metálico líquido y cloro gas diatómico. A partir de las ecuaciones moleculares balanceadas, escriba las ecuaciones iónicas completas y las ecuaciones iónicas netas para lo siguiente: (a) K 2 C 2 O 4 ( a q ) + Ba (OH) 2 ( a q ) ⟶ 2 KOH ( a q ) + BaC 2 O 4 ( s ) (b) Pb ( N O 3 ) 2 ( a q ) + H 2 SO 4 ( a q ) ⟶ PbSO 4 ( s ) + 2 HNO 3 ( a q ) (c) CaCO 3 ( s ) + H 2 SO 4 ( a q ) ⟶ CaSO 4 ( s ) + CO 2 ( g ) + H 2 O ( l ) (a) 2 K + ( a q ) + C 2 O 4 2− ( a q ) + Ba 2+ ( a q ) + 2 OH – ( a q ) ⟶ 2 K + ( a q ) + 2 OH – ( a q ) + BaC 2 O 4 ( s ) (completo) Ba 2+ ( a q ) + C 2 O 4 2− ( a q ) ⟶ BaC 2 O 4 ( s ) (neto) (b) Pb 2+ ( a q ) + 2 NO 3 – ( a q ) + 2 H + ( a q ) + SO 4 2− ( a q ) ⟶ PbSO 4 ( s ) + 2 H + ( a q ) + 2 NO 3 – ( a q ) (completo) Pb 2+ ( a q ) + SO 4 2− ( a q ) ⟶ PbSO 4 ( s ) (neto) (c) CaCO 3 ( s ) + 2 H + ( a q ) + SO 4 2− ( a q ) ⟶ CaSO 4 ( s ) + CO 2 ( g ) + H 2 O ( l ) (completo) CaCO 3 ( s ) + 2 H + ( a q ) + SO 4 2− ( a q ) ⟶ CaSO 4 ( s ) + CO 2 ( g ) + H 2 O ( l ) (neto) ecuación balanceada ecuación química con igual número de átomos para cada elemento en el reactivo y el producto ecuación química representación simbólica de una reacción química coeficiente número colocado delante de los símbolos o fórmulas en una ecuación química para indicar su cantidad relativa ecuación iónica completa ecuación química en la que todos los reactivos y productos iónicos disueltos, incluidos los iones espectadores, están representados explícitamente por las fórmulas de sus iones disociados ecuación molecular ecuación química en la que todos los reactivos y productos se representan como sustancias neutras ecuación iónica neta ecuación química en la que solo se representan los reactivos y productos iónicos disueltos que sufren un cambio químico o físico (excluye los iones espectadores) producto sustancia formada por un cambio químico o físico; se muestra a la derecha de la flecha en una ecuación química reactivo sustancia que sufre un cambio químico o físico; se muestra en el lado izquierdo de la flecha en una ecuación química ion espectador ion que no sufre un cambio químico o físico durante una reacción, pero su presencia es necesaria para mantener la neutralidad de la carga

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