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I N S T I T U T O P O L I T EC N I C O N A C I O N A L ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA QUIMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS

DEPARTAMENTO DE FORMACION BASICA

ACADEMIA DE QUIMICA

LABORATORIO DE QUIMICA GENERAL

Practica No.9 “ESTEQUIOMETRIA”

Nombre del alumno:

Grupo:

Sección: 2

Nombre del Profesor: MEV Irma Rodríguez Hernández

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ESTEQUIOMETRIA

OBJETIVO GENERAL  Aplicar el principio de conservación de la masa en los cálculos estequiométricos relacionados con compuestos y reacciones químicas. OBJETIVOS PARTICULARES  Identificar los conceptos fundamentales y metodológicos involucrados en los cálculos estequiométricos  Escribir la ecuación química balanceada y calcular el balance de masa de una reacción química  Constatar la importancia del balance de masa en la formación y ejercicio profesional del ingeniero químico.

INTRODUCCION Estequiometria Es la parte de la química que estudia las relaciones cuantitativas entre las sustancias que intervienen en una reacción química (reactivos y productos) La estequiometría es el cálculo para una ecuación química balanceada que determinará las proporciones entre reactivos y productos en una reacción química. El balance en la ecuación química obedece a los principios de conservación y los modelos atómicos de Dalton como, por ejemplo, la Ley de conservación de masa que estipula que: la masa de los reactivos = la masa de los productos Cálculos estequiométricos Los cálculos estequiométricos es la manera en que se balancea una ecuación química. Existen 2 maneras: el método por tanteo y el método algebraico. Cálculo estequiométrico por tanteo El método por tanteo para calcular la estequiometría de una ecuación se deben seguir los siguientes pasos: 

 

Contar la cantidad de átomos de cada elemento químico en la posición de los reactivos (izquierda de la ecuación) y comparar esas cantidades en los elementos posicionados como productos (derecha de la ecuación). Balancear los elementos metálicos. Balancear los elementos no metálicos.

Por ejemplo, el cálculo estequiométrico con el método por tanteo en la siguiente ecuación química: CH4 + 2O2 → CO + 2H2O

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El carbono está equilibrado porque existe 1 molécula de cada lado de la ecuación. El hidrógeno también presenta las mismas cantidades de cada lado. El oxígeno en cambio, suman 4 del lado izquierdo (reactantes o reactivos) y solo 2, por lo tanto por tanteo se agrega un subíndice 2 para transformar el CO en CO2 De esta forma, la ecuación química balanceada en este ejercicio resulta: CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O Los números que anteceden el compuesto, en este caso el 2 de O2 y el 2 para H2O se denominan coeficientes estequiométricos. Cálculo estequiométrico por método algebraico Para el cálculo estequiométrico por método algebraico se debe encontrar los coeficientes estequiométricos. Para ello se siguen los pasos:    

Asignar incógnita Multiplicar la incógnita por la cantidad de átomos de cada elemento Asignar un valor (se aconseja 1 o 2) para despejar el resto de las incógnitas Simplificar

Relaciones estequiométricas Las relaciones estequiométricas indican las proporciones relativas de las sustancias químicas que sirven para calcular una ecuación química balanceada entre los reactivos y sus productos de una solución química. Las soluciones químicas presentan concentraciones diferentes entre soluto y solvente. El cálculo de las cantidades obedece a los principios de conservación y los modelos atómicos que afectan los procesos químicos. Principios de conservación Los postulados de los principios de conservación ayudarán posteriormente a definir los modelos atómicos sobre la naturaleza de los átomos de John Dalton. Los modelos constituyen la primera teoría con bases científicas, marcando el comienzo de la química moderna. Ley de conservación de masa: no existe cambios detectables en la masa total durante una reacción química. (1783, Lavoisier) Ley de las proporciones definidas: los compuestos puros siempre presentan los mismos elementos en la misma proporción de masa. (1799, J. L. Proust)

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Por lo tanto, en la estequiometría las relaciones cruzadas entre reactantes y productos es posible. Lo que no es posible es la mezcla de unidades macroscópicas (moles) con unidades microscópicas (átomos, moléculas). Preguntas Frecuentes sobre Estequiometria ¿Qué es y para qué sirve la estequiometria? Es una ciencia que estudia las proporciones cuantitativas o las relaciones que se presentan en una reacción química, sirve para calcular y conocer la cantidad de materia de los productos que se forma a partir de los reactivos. ¿Cómo se realizan los cálculos estequiométricos? Se debe disponer de la ecuación química ajustada de la reacción, seguidamente se procede a conocer la cantidad de moléculas de un producto a través de las moléculas de los reactivos, es decir, que los cálculos se basan en las relaciones fijas de combinación que hay entre las sustancias en las reacciones químicas balanceadas. ¿Qué es la estequiometria de una reacción química? Una reacción química se produce cuando hay una modificación en la identidad química de las sustancias intervinientes; esto significa que no es posible identificar a las mismas sustancias antes y después de producirse la reacción química, los reactivos se consumen para dar lugar a los productos, estas reacciones son las que estudia la estequiometria. ¿Cuáles son las leyes de la estequiometria? Las leyes estequiométricas forman parte de la historia de la química y fueron propuestas antes de la teoría atómica de Dalton y de los conceptos de mol y fórmula molecular. Expresan relaciones de masa de elementos en un compuesto químico o de reactivos y productos en una reacción química. ¿Qué permiten los cálculos estequiométricos? Permiten calcular la cantidad de una sustancia que reacciona o se produce en una determinada reacción química, para con ello realizar balanceos de los compuestos que participan en dichos procesos e interpretarlos de manera más profunda.

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ACTIVIDADES PREVIAS 

A partir de una investigación documental en fuentes bibliográficas y/o electrónicas, cada estudiante reportará en su bitácora los conceptos señalados en negritas en la introducción. Leyes ponderales

También llamadas leyes de las combinaciones químicas, tratan de las cantidades de las sustancias que intervienen en las reacciones; en otras palabras; son las que rigen la proporción en masa y volumen para formar compuestos, para determinarlos se utilizan cálculos estequiometricos. y son: 1ª.- LEY DE LA CONSERVACIÓN DE LA MASA (Lavoisier, 1787) La suma de las masas de los productos reaccionantes es igual a la suma de las masas de los productos de la reacción. 2ª.- LEY DE LAS PROPORCIONES DEFINIDAS o CONSTANTES (Proust, 1799) Cuando dos o más elementos (o sustancias), se unen para formar una sustancia determinada, lo hacen siempre en proporciones fijas y determinadas. 3ª.- LEY DE LAS PROPORCIONES RECÍPROCAS o DE LOS PESOS DE COMBINACIÓN (Richter, 1792). Las masas de elementos diferentes, que se combinan con una misma masa de otro elemento, son las mismas son las mismas con las que se combinarían entre sí, si la reacción es posible, o son sus múltiplos o sus submúltiplos. 4ª.- LEY DE LAS PROPORCIONES MÚLTIPLES (Dalton, 1803). Las cantidades de un mismo elemento que se combinan con una cantidad fija de otro, para formar varios compuestos, están en la relación de los números enteros y sencillos. 5ª.- LEY DE LOS VOLÚMENES DE COMBINACIÓN (Gay-Lussac, 1808). Los volúmenes, medidos en las mismas condiciones de presión y temperatura, de las sustancias gaseosas que intervienen en una reacción química, están en una relación de números enteros y sencillos. 6ª.- LEY DE AVOGADRO (1811). A igualdad de presión y temperatura, volúmenes iguales de sustancias gaseosas con tiene el mismo número de moléculas. Formula quimica Se trata de una expresión alfanumérica que se utiliza para indicar la composición de una sustancia química y que se construye a partir de los símbolos de sus elementos constituyentes, afectados por subíndices numéricos que informan del número de átomos de cada elemento que entra a formar parte de la sustancia en cuestión. Las fórmulas expresan los números y las proporciones de sus átomos respectivos y, en muchos casos, también el tipo de enlaces químicos que los unen. A cada molécula y/o compuesto conocido le corresponde una fórmula química, así como un nombre a partir de ella de acuerdo a las reglas de la nomenclatura química. Existen diversos tipos de fórmulas químicas, cada uno enfocado en cierto tipo de información, pero en líneas generales todas sirven para comprender la naturaleza química de las sustancias. 6

Hidrato Hidrato es un término utilizado en química orgánica y química inorgánica para indicar que una sustancia contiene agua. Son compuestos definidos y no sustancias más o menos humedecidas, porque su composición es constante sea cual fuere el método de preparación y el tamaño de los cristales y porque la reacción entre el número de moles de la sal anhidra y el del agua combinada es una fracción muy sencilla. Reaccion quimica Una reacción química, también llamada cambio químico o fenómeno químico, es todo proceso termodinámico en el cual dos o más especies químicas o sustancias llamadas reactantes o reactivos se transforman, cambiando su estructura molecular y sus enlaces, en otras sustancias llamadas productos. Los reactantes pueden ser elementos o compuestos. Un ejemplo de reacción química es la formación de óxido de hierro producida al reaccionar el oxígeno del aire con el hierro de forma natural, o una cinta de magnesio al colocarla en una llama se convierte en óxido de magnesio, como un ejemplo de reacción inducida. Las reacciones químicas ocurren porque las moléculas se están moviendo y cuando se golpean con energía suficiente una contra otras, los enlaces se rompen y los átomos se intercambian para formar nuevas moléculas. También una molécula que está vibrando con energía suficiente puede romperse en moléculas más pequeñas. Ecuacion quimica balanceada Una reacción química puede definirse como un proceso químico en el cual una o más sustancias sufren transformaciones químicas. En dichas reacciones, ciertas moléculas (llamadas reactantes) se combinan para formar nuevas moléculas (llamadas productos). Las reacciones químicas se pueden describir por medio de una ecuación donde los reactantes se encuentran en la izquierda y los productos se encuentran a la derecha. Una ecuación química balanceada es una ecuación algebraica que proporciona los números relativos de reactantes y productos en la reacción y tiene el mismo número de átomos de cada tipo tanto del lado izquierdo como del lado derecho de la ecuación, es decir, aquí se aplica la ley de la conservación de la materia. Metodo de calculo El método de cálculo es el procedimiento que se va a emplear para estimar la propagación de las ondas electromagnéticas por el espacio. Se debe decidir qué modelo de simulación se desea emplear en cada caso en función del entorno en el cual se realiza el despliegue de red, la tecnología empleada, las bandas de frecuencias de trabajo y la calidad de la información cartográfica disponible para modelar el terreno. Si bien, por defecto, al crear un estudio nuevo propone el método más adecuado para el cálculo que se quiera realizar. El método de cálculo se puede crear desde cero o mediante el catálogo. En este caso, se cargará una copia del elemento de catálogo seleccionado, de tal modo que el elemento no resultará modificado. 7

Base de calculo La base de cálculo es la referencia que se elige para los cálculos que se planean resolver para la resolución de problemas en química o procesos químicos relacionados con los balances de materia. La elección de la base de cálculo a menudo facilita la resolución. Esta puede ser un tiempo, la masa de un material o alguna otra cantidad conveniente. Es importante indicar la base de cálculo al principio del problema para tener siempre presente la verdadera naturaleza de los cálculos, y para que cualquier persona que revise la solución del problema pueda entenderlo. Balance de materia Balance de materia de un proceso industrial es una contabilidad exacta de todos los materiales que entran, salen, se acumulan o se agotan en un intervalo de operaciòn dado. Se pueden distinguir cuatro tipos de balances de materia dependiendo del tipo de sistema:  Acumulación = Entrada - Salida + Generación - Consumo. Es un sistema con entradas, salidas y reacciones químicas.  Acumulación = Entrada - Salida. Sistema sin reacciones químicas.  Entrada = Salida. Sistema en estado estacionario, no hay acumulación ni reacciones químicas.  Acumulación = Generación - Consumo. Sistema sin corrientes de entrada ni de salida, pero con reacción química. Concentracion de las materias primas La concentración química determina la proporción de soluto y solvente en una solución química. La concentración química es la cantidad en que se encuentran las sustancias que se disuelven soluto en relación a la o las sustancias que lo disuelven solvente. En este sentido, la cantidad de soluto siempre será menor al solvente para que se considere una solución. Presencia de impurezas inertes La presencia de impurezas tiene una influencia considerable sobre el punto de fusión. Según la ley de Raoult todo soluto produce un descenso crioscópico, o sea una disminución de la temperatura de fusión. Las impurezas actúan de soluto y disminuyen el punto de fusión de la sustancia principal disolvente. Si existe una cantidad importante de impureza, la mezcla puede presentar un amplio intervalo de temperatura en el que se observa la fusión. Existencia de reactivo en exceso Es aquella sustancia que ingresa al reactor químico en mayor proporción, por lo tanto queda como sobrante al finalizar la reacción. El reactivo en exceso es aquel del cual tenemos más de lo necesario para que se lleve a cabo la reacción química. En el caso de los emparedados, el reactivo en exceso son las rebanadas de pan, ya que sólo se utilizaron 10 rebanadas para los únicos 5 emparedados que se pudieron hacer.

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Conversion parcial del reactivo limitante La conversion es la fraccion de reactante que se transforma a producto, pero eso es la cantidad total de productos, en caso de que sea un solo producto seria entonces en ese caso conversion y rendimiento pero para mas de un producto entonces el rendimiento seria funcion de la selectividad hacia un producto determinado, y vendria dada por el cociente de los moles de producto n entre los moles de productos totales, o sea la cantidad total de producto por la conversion. Rendimiento del producto En un sentido amplio, la palabra rendimiento refiere el producto o la utilidad que rinde o da una persona o cosa. Poniéndolo de alguna manera en términos matemáticos, el rendimiento sería la proporción entre el resultado que se obtiene y los medios que se emplearon para alcanzar al mismo

Diagrama del proceso Un diagrama de procesos es una representación gráfica de los principales procesos que se llevan a cabo en una compañía, su orden y sus interrelaciones. Muestra la secuencia e interacción de las actividades de un proceso a través de símbolos gráficos, que proporcionan una mejor visualización del funcionamiento del proceso, ayudando a su entendimiento y haciendo su descripción más visual e intuitiva. Así, el diagrama de procesos es una herramienta fundamental para analizarlos y ver en qué aspectos se pueden introducir mejoras, especialmente para aumentar la productividad de los empleados, delimitar la responsabilidad de cada tarea y, en general, aclarar el propio flujo de trabajo. Tabla de datos Tabla en las bases de datos, se refiere al tipo de modelado de datos, donde se guardan los datos recogidos por un programa. Su estructura general se asemeja a la vista general de un programa de hoja de cálculo. Una tabla es utilizada para organizar y presentar información.

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DIAGRAMA DE BLOQUES EXPERIMENTO 1 Transformación del cobre en nitrato de cobre (II) Primeramente tener todo el material a utilizar; pesar y tarar un vidrio de reloj

Pesar exactamente un gramo de cobre (Cu)

Depositar el gramo de cobre anteriormente pesado en un vaso de precipitado, procurando que se deposite todo el reactivo

A continuación debido a la reacción del gas toxico que generara el cobre con el HNO3 pasar a una campana de extracción

Medir 6 ml de ácido nítrico HNO3 en una probeta

Agregar lentamente el ácido nítrico HNO3 al vaso de precipitado que contiene el cobre

Posteriormente prender la campana de extracción para que se desprenda todo el gas que se genera

Finalmente al desprender todo el gas observar que la reacción se llevó a acabo y sacar el vaso de precipitado de la campana de extracción

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DIAGRAMA DE FLUJO EXPERIMENTO 1 Se debe pesar exactamente un gramo de cobre, sobre el vidrio de reloj previamente tarado

El gramo de cobre que se pesó verterlo en un vaso de precipitado de 250 ml procurando que todo el producto sea depositado

En la campana de ventilación, llevar a cabo la reacción añadiendo poco a poco los 6 ml de HNO3 al vaso que contiene el cobre

Se observa que al momento de prender la campana de ventilación se desprenden los gases que la reacción genera

Finalmente al desprender todos los gases se observa un precipitado color azul verdoso y nos indica que se llevó a cabo la reacción del cobre al nitrato de cobre Cu (NO3)2 11

DIAGRAMA DE BLOQUES EXPERIMENTO II Transformación del nitrato de cobre (II) en hidróxido de cobre (II) Primeramente tener la sustancia producida de Cu (NO3)2 nitratos de cobre II previamente obtenida

En seguida vamos a transformar el nitrato de cobre II en hidróxido de cobre

Diluir la solución de nitrato de cobre con 100 ml de agua destilada agregando poco apoco

Mezclar toda la disolución ya con el agua destilada previamente agregada

A continuación agregar 50 ml de NaOH al 6 molar, lentamente e ir agitando conforme sea agregado

Finalmente observar la reacción que se formó generando el hidróxido de cobre II Cu (OH)2

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DIAGRAMA DE FLUJO EXPERIMENTO II Se tiene la sustancia producida de la reacción nitrato de cobre Cu (NO3)2

Se agregan 100 ml de agua destilada a la reacción anteriormente producida

Se agita completamente el Cu (NO3)2 con el agua destilada hasta ser completamente diluida

Se agregan 50 ml de NaOH a la solución mezclando y agregando completamente poco a poco

Finalmente se observa que se forma un precipitado de color azul más intenso al mezclar el NaOH con el Cu (NO3)2, el cual se observa que forma el Cu (OH)2 como producto

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DIAGRAMA DE BLOQUES EXPERIMENTO III Transformación del hidróxido de cobre (II) en óxido de cobre (II) Primeramente tener la solución de hidróxido cobre II, en la cual se transformara en oxido de cobre II

Calentar el vaso de precipitados que contiene el hidróxido de cobre (II) sin llegar a la ebullición

Agitar la suspensión con una varilla de vidrio hasta observar que se forma un precipitado de color obscuro

Al obtener el precipitado negro dejar reposar al menos 5 minutos la solución dejando que sedimente

Después de transcurrir los 5 minutos de reposo decantar el sobrenadante

Con ayuda de una pipeta Pasteur extraer la mayor cantidad de líquido, sin eliminar nada de sólido

Finalmente al decantar la solución verificar que se extraiga todo el líquido dejando el sólido precipitado

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DIAGRAMA DE FLUJO DEL EXPERIMENTO III Se tiene el precipitado Cu (OH)2 previamente obtenido y se coloca al fuego evitando la ebullición

Se observa que después de varios minutos calentándose se genera un precipitado de color oscuro formando el óxido de c...