¿Qué le sucede a la materia cuando sufre cambios químicos? La Ley de conservación de la masa dice que “ Los átomos no se crean ni se destruyen durante ninguna reacción química “. Por lo tanto, la misma colección de átomos está presente después de una reacción que antes de la reacción. Los cambios que ocurren durante una reacción solo involucran la reordenación de los átomos. En esta sección discutiremos estequiometría (la “medición de elementos”).
Tabla de contenidos
Ecuaciones químicas
Como se muestra en la Figura ( PageIndex {1} ), la aplicación de una pequeña cantidad de calor a una pila de polvo de dicromato de amonio naranja produce una reacción vigorosa conocida como el volcán de dicromato de amonio. El calor, la luz y el gas se producen como una gran pila de formas de óxido de cromo verde (III) esponjosas. Esta reacción se describe con una ecuación química, una expresión que proporciona las identidades y cantidades de las sustancias en una reacción química.
Figura ( PageIndex {1} ): Un volcán de dicromato de amonio: cambio durante una reacción química. El material de partida es dicromato de amonio sólido. Una reacción química lo transforma en óxido de cromo (III) sólido, que muestra una parte de su estructura encadenada, nitrógeno gaseoso y vapor de agua (además, se libera energía en forma de calor y luz). Durante la reacción, la distribución de los átomos cambia, pero el número de átomos de cada elemento no cambia. Debido a que los números de cada tipo de átomo son los mismos en los reactivos y los productos, la ecuación química está equilibrada. Figura utilizada con permiso de Wikipedia. Vea el video aquí: https://www.youtube.com/watch?v=CW4hN0dYnkM
Las reacciones químicas están representadas en papel por ecuaciones químicas . Por ejemplo, el hidrógeno gaseoso (H 2 ) puede reaccionar (quemar) con oxígeno gaseoso (O 2 ) para formar agua (H 2 O). La ecuación química para esta reacción se escribe como:
[ ce {2H_2 + O_2 rightarrow 2H_2O} ]
Las fórmulas químicas y otros símbolos se usan para indicar los materiales de partida, o reactivos, que por convención se escriben en el lado izquierdo de la ecuación, y los compuestos o productos finales, que se escriben a la derecha. Una flecha apunta del reactivo a los productos. La reacción química para el volcán de dicromato de amonio en la Figura ( PageIndex {1} ) es
La flecha se lee como “cede” o “reacciona a la forma”. La ecuación ( ref {3.1.1} ) indica que el dicromato de amonio (el reactivo) produce óxido de cromo (III), nitrógeno y agua (los productos). La ecuación para esta reacción es aún más informativa cuando se escribe de la siguiente manera:
[ ce {(NH4) 2Cr2O7 (s) rightarrow Cr2O3 (s) + N2 (g) + 4H2O (g)} label {3.1.2} ]
La ecuación ( ref {3.1.2} ) es idéntica a Ecuación ( ref {3.1.1} ) excepto por la adición de abreviaturas entre paréntesis para indicar el estado físico de cada especie. Las abreviaturas son (s) para sólido, (l) para líquido, (g) para gas y (aq) para una solución acuosa, una solución de la sustancia en agua.
De acuerdo con la ley de conservación de la masa, los números de cada tipo de átomo son los mismos en ambos lados de Ecuaciones ( ref {3.1.1} ) y ( ref {3.1.2} ) . Cada lado de la reacción tiene dos átomos de cromo, siete átomos de oxígeno, dos átomos de nitrógeno y ocho átomos de hidrógeno.
En una ecuación química equilibrada, tanto los números de cada tipo de átomo como la carga total son los mismos en ambos lados. Las ecuaciones ( ref {3.1.1} ) y ( ref {3.1.2} ) son ecuaciones químicas equilibradas. Lo que es diferente en cada lado de la ecuación es cómo están dispuestos los átomos para formar moléculas o iones. Una reacción química representa un cambio en la distribución de los átomos, pero no en el número de átomos. En esta reacción, y en la mayoría de las reacciones químicas, los enlaces se rompen en los reactivos (aquí, enlaces Cr-O y N-H), y se forman nuevos enlaces para crear los productos (aquí, enlaces O-H y N≡N) . Si los números de cada tipo de átomo son diferentes en los dos lados de una ecuación química, entonces la ecuación está desequilibrada y no puede describir correctamente lo que sucede durante la reacción. Para proceder, la ecuación primero debe ser equilibrada.
Una reacción química cambia solo la distribución de los átomos, no el número de átomos.
Equilibrio de ecuaciones químicas simples
Cuando un químico encuentra una nueva reacción, generalmente no viene con una etiqueta que muestre la ecuación química equilibrada. En cambio, el químico debe identificar los reactivos y productos y luego escribirlos en forma de una ecuación química que pueda o no equilibrarse como se escribió por primera vez. Considere, por ejemplo, la combustión de n-heptano ( (C_7H_ {16} )), un componente importante de la gasolina:
La combustión completa de cualquier hidrocarburo con suficiente oxígeno siempre produce dióxido de carbono y agua.
Figura ( PageIndex {2} ): Un ejemplo de una reacción de combustión. La cera en una vela es un hidrocarburo de alta masa molecular , que produce dióxido de carbono gaseoso y vapor de agua en una reacción de combustión (Ecuación ( ref {3.1.3} )).
La ecuación ( ref {3.1.3} ) no está equilibrada: los números de cada tipo de átomo en el lado reactivo de la ecuación (7 átomos de carbono, 16 átomos de hidrógeno y 2 átomos de oxígeno) no es lo mismo que los números de cada tipo de átomo en el lado del producto (1 átomo de carbono, 2 átomos de hidrógeno y 3 átomos de oxígeno). En consecuencia, los coeficientes de los reactivos y productos deben ajustarse para dar el mismo número de átomos de cada tipo en ambos lados de la ecuación. Debido a que las identidades de los reactivos y productos son fijas, la ecuación no puede equilibrarse cambiando los subíndices de los reactivos o los productos. Hacerlo cambiaría la identidad química de la especie que se describe, como se ilustra en Figura ( PageIndex {3} ) .
Figura ( PageIndex {3} ): Ecuaciones de equilibrio. No puede cambiar los subíndices en una fórmula química para equilibrar una ecuación química; solo puedes cambiar los coeficientes. Cambiar los subíndices cambia las relaciones de los átomos en la molécula y las propiedades químicas resultantes. Por ejemplo, el agua (H 2 O) y el peróxido de hidrógeno (H 2 O 2 ) son sustancias químicamente distintas. H 2 O 2 se descompone en H 2 O y O 2 gas cuando entra en contacto con el metal platino, mientras que no existe La reacción ocurre entre el agua y el platino.
El método más simple y generalmente más útil para equilibrar ecuaciones químicas es la “inspección”, mejor conocida como prueba y error. El siguiente es un enfoque eficiente para equilibrar una ecuación química utilizando este método.
Identifica la sustancia más compleja . Comience el proceso de equilibrio asumiendo que la ecuación química equilibrada final contiene una sola molécula de isooctano.
Ajuste los coeficientes . El primer elemento que aparece solo una vez en los reactivos es el carbono: 8 átomos de carbono en isooctano significa que debe haber 8 moléculas de CO 2 en los productos: [ ce {C_8H_ {18} + O_2 rightarrow 8CO_2 + H_2O} label {3.1.8} ]
Equilibre iones poliatómicos como una unidad . Este paso no se aplica a esta ecuación.
Balancea los átomos restantes . Dieciocho átomos de hidrógeno en isooctano significa que debe haber 9 H 2 moléculas de O en los productos: [ ce {C_8H_ {18} + O_2 rightarrow 8CO_2 + 9H_2O} label {3.1.9} ] Los átomos de carbono e hidrógeno ahora están equilibrados, pero tenemos 25 átomos de oxígeno en el lado derecho y solo 2 átomos de oxígeno en el izquierdo. Podemos equilibrar la sustancia menos compleja, O 2 , pero debido a que hay 2 átomos de oxígeno por molécula O 2 , debemos usar un coeficiente fraccional (25/2) para equilibrar el oxígeno átomos: [ ce {C_8H_ {18} + 25/2 O_2 rightarrow 8CO_2 + 9H_2O} label {3.1.10} ] La ecuación ( ref {3.1.10} ) es ahora equilibrado, pero generalmente escribimos ecuaciones con coeficientes de números enteros. Podemos eliminar el coeficiente fraccionario multiplicando todos los coeficientes en ambos lados de la ecuación química por 2: [ ce {2C_8H_ {18} (l) + 25O_2 (g) rightarrow 16CO_2 (g) + 18H_2O (g)} etiqueta {3.11} ]
Comprueba tu trabajo . La ecuación química equilibrada tiene 16 átomos de carbono, 36 átomos de hidrógeno y 50 átomos de oxígeno en cada lado.
Equilibrar ecuaciones requiere un poco de práctica de su parte, así como un poco de sentido común. Si te encuentras usando coeficientes muy grandes o si has pasado varios minutos sin éxito, regresa y asegúrate de haber escrito las fórmulas de los reactivos y productos correctamente.
Además de proporcionar información cualitativa sobre las identidades y los estados físicos de los reactivos y productos, una ecuación química equilibrada proporciona información cuantitativa. Específicamente, proporciona las cantidades relativas de reactivos y productos consumidos o producidos en una reacción. El número de átomos, moléculas o unidades de fórmula de un reactivo o producto en una ecuación química equilibrada es el coeficiente de esa especie (p. Ej., Los 4 H anteriores 2 O en Ecuación ( ref {3.1.1} ) ). Cuando no se escribe ningún coeficiente delante de una especie, se supone que el coeficiente es 1. Como se ilustra en Figura ( PageIndex {4} ) , los coeficientes permiten Ecuación ( ref {3.1.1} ) se interpretará de cualquiera de las siguientes maneras:
Dos NH 4 + iones y un Cr 2 O 7 2− rendimiento de iones 1 fórmula unidad de Cr 2 O 3 , 1 N 2 molécula y 4 H 2 moléculas de O.
Un mol de (NH 4 ) 2 Cr 2 O 7 produce 1 mol de Cr 2 [19459028 ] O 3 , 1 mol de N 2 y 4 mol de H 2 O.
Una masa de 252 g de (NH 4 ) 2 Cr 2 O 7 produce 152 g de Cr 2 O 3 , 28 g de N 2 y 72 g de H 2 O.
Un total de 6.022 × 10 23 unidades de fórmula de (NH 4 ) 2 Cr 2 O 7 [ 19459028] produce 6.022 × 10 23 unidades de fórmula de Cr 2 O 3 , 6.022 × 10 23 moléculas de N 2 , y 24.09 × 10 23 moléculas de H 2 O.
Figura ( PageIndex {4} ): Las relaciones entre los lunares, las masas y las unidades de fórmula de los compuestos en la reacción química equilibrada para el volcán de dicromato de amonio
Estas son formas químicamente equivalentes de indicar la información dada en la ecuación química balanceada, utilizando los conceptos de la masa molar, molar o fórmula, y el número de Avogadro. La relación entre el número de moles de una sustancia y el número de moles de otra se denomina relación molar. Por ejemplo, la relación molar de (H_2O ) a (N_2 ) en Ecuación ( ref {3.1.1} ) es 4: 1. La masa total de reactivos es igual a la masa total de productos, como predice la ley de conservación de la masa de Dalton:
[252 ; g ; text {de} ; ce {(NH_4) _2Cr_2O_7} ]
rendimiento
[152 + 28 + 72 = 252 ; g ; text {de productos.} ]
Sin embargo, la ecuación química no muestra la velocidad de la reacción (rápida, lenta o nada) o si se emite energía en forma de calor o luz. Estas cuestiones se consideran con más detalle en capítulos posteriores.
Una reacción química importante fue analizada por Antoine Lavoisier, un químico francés del siglo XVIII, interesado en la química de los organismos vivos, así como en los sistemas químicos simples. En una serie clásica de experimentos, midió el dióxido de carbono y el calor producido por un conejillo de indias durante la respiración, en el que los compuestos orgánicos se utilizan como combustible para producir energía, dióxido de carbono y agua. Lavoisier descubrió que la proporción de calor producido a dióxido de carbono exhalado era similar a la proporción observada para la reacción del carbón con oxígeno en el aire para producir dióxido de carbono, un proceso que los químicos llaman combustión. En base a estos experimentos, propuso que “la respiración es una combustión, lenta es verdad, pero por lo demás perfectamente similar a la del carbón”. Lavoisier tenía razón, aunque los compuestos orgánicos consumidos en la respiración son sustancialmente diferentes de los que se encuentran en el carbón. Uno de los combustibles más importantes en el cuerpo humano es la glucosa ( (C_6H_ {12} O_6 )), que es prácticamente el único combustible utilizado en el cerebro. Así, la combustión y la respiración son ejemplos de reacciones químicas.
Resumen
Una reacción química se describe mediante una ecuación química que proporciona las identidades y cantidades de los reactivos y los productos. In a chemical reaction, one or more substances are transformed to new substances. A chemical reaction is described by a chemical equation , an expression that gives the identities and quantities of the substances involved in a reaction. A chemical equation shows the starting compound(s)—the reactants —on the left and the final compound(s)—the products —on the right, separated by an arrow. In a balanced chemical equation, the numbers of atoms of each element and the total charge are the same on both sides of the equation. The number of atoms, molecules, or formula units of a reactant or product in a balanced chemical equation is the coefficient of that species. The mole ratio of two substances in a chemical reaction is the ratio of their coefficients in the balanced chemical equation.
