Neutralization of concentrated sodium hydroxide solution with hydrochloric acid
Química
LO QUE HAY QUE SABER
Trimestre 3
Masa y mol
Relaciona la masa de las sustancias con el mol para determinar la cantidad de sustancia.
Amadeo Avogadro(1776-1856) propuso en sus estudios que volúmenes iguales de gases diferentes, medidos a la misma presión y temperatura, tienen el mismo número de moléculas; a esto se le llamó hipótesis de Avogadro.
En el mismo volumen de hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, cloro o agua gaseosa se tiene el mismo número de moléculas.
El siguiente razonamiento te ayudará a comprender cómo se determinaron las masas relativas de los elementos, así como sus masas moleculares.
Primero se determina la masa relativa del oxígeno comparada con la del hidrógeno, para ello se calcula la densidad según la siguiente expresión.
Si se expresa la densidad del hidrógeno como
y la del oxígeno como
y se despeja el volumen, se obtienen:
Si consideramos que los volúmenes son iguales, tal como lo menciona la hipótesis de Avogadro, entonces tenemos lo siguiente.
Esta igualdad se transforma fácilmente en la siguiente expresión.
Así, la relación de masa es equivalente a la relación de densidades: el número de partículas en el volumen v1 es igual al del volumen v2.
Por ejemplo, las densidades del hidrógeno y el oxígeno diatómico son 0.0659 g/L y 1.05 g/L, respectivamente. Entonces, la relación de densidades sería:
Esto significa que la masa del oxígeno es casi 16 veces mayor que la del hidrógeno (ambos gases se encuentran como moléculas diatómicas).
Con los datos de las densidades y el porcentaje en masa de los elementos en algunos compuestos con hidrógeno, Stanislao Cannizzaro (1826-1910) determinó sus fórmulas, así como sus masas moleculares(que ahora se denominan masas molares).
El mol es la unidad con la que se mide la “cantidad de sustancia”, y como cada molécula de una sustancia tiene la misma masa, la masa de un mol de sustancia es constante. Un mol equivale a 6.022 x 1023 partículas.
Una masa molar es la masa en gramos de un mol de sustancia, mientras que la masa molecular es la masa de una molécula en unidades de masa atómica (uma).
La ley de la conservación de la materia (o de la masa) se conoce también como ley de Lomonósov-Lavoisier, pues fueron estos dos científicos quienes de manera independiente la propusieron. Esta teoría establece que la cantidad de materia o masa antes y después de una transformación física o química es siempre la misma.
Los procesos químicos deben cumplir con la ley de la conservación de la materia.
Lo anterior resulta útil cuando se quiere cuantificar una reacción química, por ejemplo, la reacción de combustión del metano (CH4).
Reacción de combustión del metano.
En esta reacción de combustión el metano, CH4, reacciona con el oxígeno, O2, para producir dióxido de carbono, CO2, y agua, H2O. Identifiquemos primero los reactivos y productos, observa la tabla.
Observa los tipos de átomo que componen a los reactivos y productos; contemos la cantidad de átomos de cada uno en ambos lados de la ecuación. Analiza la siguiente tabla.
Lo primero que debe notarse en este conteo es que tanto los coeficientes de la ecuación como los subíndices son importantes. Sin embargo, los subíndices están determinados por la fórmula química de cada componente y los coeficientes no.
También resulta importante mencionar que los subíndices de la expresión de los compuestos químicos no pueden ser modificados, lo único que podemos modificar para balancear la ecuación son los coeficientes de la igualdad.
Cuando la cantidad de átomos en las dos ecuaciones son iguales, entonces decimos que la ecuación está balanceada; esta es una consecuencia natural de la ley de la conservación de la masa. Estudia la siguiente ecuación; como observarás, se hizo el conteo de los átomos que aparecen en ella:
Fe2O3 + H2O Fe(OH)3
Esta ecuación no está balanceada, porque el número de átomos de las especies de los reactivos no es igual que el de los productos. La rama de la química que se encarga de analizar estos cálculos es la estequiometría.
Por otra parte, imagina que estamos en el laboratorio y tenemos 160 mg de Fe2O3, enseguida le agregamos agua suficiente para llevar cabo toda la transformación según la reacción balanceada.
Fe2O3(s) + 3 H2O(l) 2 Fe(OH)3(s)
El Fe2O3 y el Fe(OH)3 están en estado sólido y se indica con un subíndice (s) mientras que el agua H2O se encuentra en estado líquido, por lo que agregamos una (l) como subíndice. Si hubiera componentes en estado gaseoso, se agregaría un subíndice (g).
El óxido se forma cuando el oxígeno se combina con otro elemento, en este caso el hierro de la sartén.
Para encontrar cuál es el peso molecular de cada reactivo y producto recuerda que debemos sustituir el peso atómico de cada elemento en las fórmulas. Debes tener en cuenta sus subíndices, por ello busca primero los pesos atómicos del Fe, O e H en la tabla periódica, en ella verás la siguiente información.
Ya que encontraste la información necesaria, usa estos valores para calcular el peso molecular. Observa las siguientes ecuaciones.
Nota que se ha redondeado el peso atómico del hierro a 56, el del hidrógeno a 1 y el del oxígeno a 16. Por lo anterior, el resultado es 160 g de Fe2O3, que equivalen a 1 mol; además, si ponemos a reaccionar 1 mol del óxido de hierro esperamos obtener 2 moles de Fe(OH)3. Si se calcula esta reacción en gramos, se tiene que 2 × 107 = 214 g.
Y como siempre se cumple la ley de conservación de masa, entonces la suma de las masas de los reactivos y productos debe ser la misma, por lo cual debemos obtener
214 g − 160 g = 54 gr de H2O;
esto equivale a 3 moles de agua, que es igual a
3 × 18g = 54g,
es decir:
TIC
En el siguiente enlace podrás conocer más acerca de la constante de Avogadro.
La masa relativa se refiere a las veces que un objeto es más pesado que otro. Para los átomos funciona de la misma manera; por ejemplo, las masas del azufre y del oxígeno son, respectivamente, 32 y 16 veces mayores que la del hidrógeno.
En el año de 1789, Lavoisier publicó sus observaciones en un libro de texto de química en el que escribió: “Podemos basarnos en un axioma incuestionable, que en todas las acciones del arte y de la naturaleza nada es creado; una cantidad igual de materia existe, tanto antes como después del experimento”.
El diminuto tamaño de átomos y moléculas implica que para que se transformen cantidades grandes de materia es necesario que participen un número enorme de partículas (que resulta difícil de manejar). Por lo anterior, se utiliza el mol para formar pocos grupos con muchas partículas en cada uno de ellos. Cada uno de estos grupos tiene un número fijo de partículas: el número de Avogadro.
En el laboratorio, cuando se lleva a cabo una reacción química, no podemos cuantificar un átomo. Lo que hacemos es pesar la cantidad de cada sustancia involucrada en la reacción.
La ley de la conservación de la masa es válida para todas las reacciones químicas; sin embargo, cabe mencionar que las únicas excepciones son las reacciones nucleares, en las que la masa sí se modifica un poco.
Ácidos y bases
Identifica ácidos y bases en materiales de uso cotidiano.
Las propiedades son características con base en las cuales se clasifican los objetos y determinan su uso. ¿Recuerdas cómo conforme crecías descubrías el mundo?, pues lo hacías por medio de tus sentidos.
Las propiedades y los estados de agregación conforman las propiedades cualitativas de la materia, características que no se expresan mediante cantidades, sino por medio de sus cualidades, de ahí su nombre.
Como las propiedades cualitativas no se miden, su apreciación depende de los sentidos de cada persona. Por tal razón, su identificación resulta subjetiva.
Como los sabores, las propiedades cualitativas son subjetivas.Como los sabores, las propiedades cualitativas son subjetivas.Como los sabores, las propiedades cualitativas son subjetivas.Como los sabores, las propiedades cualitativas son subjetivas.
Se llaman propiedades cuantitativaslas que se pueden medir (como la masa, el volumen, la temperatura y la densidad) y se clasifican en extensivas e intensivas.
Existen otras propiedades según las cuales una sustancia puede reaccionar frente a otra y formar una nueva, es decir, deja de ser lo que era y se transforma en otra sustancia con propiedades distintas a las que tenía. Estas son a las que se les llama propiedades químicas de la materia, las cuales se refieren a cómo reacciona una sustancia frente a otra, de modo que hay tantas como posibles combinaciones de sustancias.
Otra propiedad química de la materia es qué tan ácida o básica es una sustancia. La palabra ácido proviene del latín acidus, que significa “agrio”. Por tener ese sabor decimos que el limón, la naranja y la piña son ácidos; también lo son los tomates, los chiles, el yogur y la leche cortada.
Los cítricos son frutas ácidas.El yogur es un ejemplo de alimento ácido.
Otros materiales de uso doméstico tienen sustancias ácidas, como el principio activo de un analgésico: el ácido acetilsalicílico. El vinagre que se usa en guisos, ensaladas y para limpiar vidrios contiene ácido acético. El vino contiene ácido tartárico, sustancia presente en las uvas con las que se fabrica esta bebida tan antigua como las civilizaciones humanas.
También se pueden usar como limpiadores; por ejemplo, el ácido muriático que es una mezcla de agua, cloruro de hidrógeno y sales minerales, los cuales se utilizan para quitar el sarro.
Las baterías de los coches usan ácido sulfúrico, que favorece la generación de energía eléctrica mediante reacciones químicas.
Por otro lado, las bases o álcalis (del árabe al-qaliy, “cenizas”) son sustancias de sabor amargo, resbaladizas al tacto en presencia de agua y algunas irritan la piel. Los antiácidos, los líquidos destapacaños, los limpiadores de hornos, los jabones, las cremas para depilar y algunos desinfectantes contienen bases.
Aun los jabones neutros son básicos.
La cal (óxido de calcio) es una sustancia que al mezclarse con agua produce hidróxido de calcio (cal apagada), un sólido que se usa para blanquear bardas o troncos de árboles; también fue muy utilizado por los pueblos mesoamericanos en la fabricación de estuco, material con el que decoraban edificaciones. Otras sustancias alcalinas que se conocen desde el México prehispánico son el hidróxido de sodio o sosa y el carbonato de sodio, que se utilizan en la fabricación de jabón.
En un plato de pozole conviven sustancias alcalinas, como el maíz, que pasó por un proceso con la cal y el limón de naturaleza ácida.
Los cultivos de maíz y papa requieren tierra ligeramente ácida para crecer y muchas flores deben sus llamativos colores a las condiciones de acidez del suelo donde crecen, porque tienen pigmentos sensibles a los ácidos y las bases.
Nuestra sangre es ligeramente ácida. Cuando el nivel de acidez aumenta (acidosis) o cuando disminuye (alcalosis) sobrevienen síntomas que si no se atienden de manera adecuada, ocasionan la muerte. El control del nivel de acidez en la sangre involucra varios procesos químicos acoplados y complejos en los que intervienen sustancias como el dióxido de carbono, el ácido carbónico y el ion bicarbonato.
Al combinar un ácido y una base sus propiedades se eliminan entre sí, por eso a estas reacciones químicas se les conoce como reacciones de neutralización, ya que el producto que se obtiene no es ácido ni básico, es como el agua: neutro.
En 1909 el químico danés Søren Peter Lauritz Sørensen (1868-1939) propuso una escala numérica para expresar la acidez o basicidad de las sustancias, la cual va desde el cero hasta el 14 y se conoce como escala de pH. Las sustancias ácidas tienen valores de pH entre 0 y 7; en las neutras, el pH es igual a 7, y las básicas o alcalinas presentan valores de pH mayores que 7.
Una escala de valores de pHMedición de pH de una muestra de agua.
TIC
Antes de la Conquista los pobladores del valle de México sabían de la existencia de sales alcalinas y las aprovechaban. Averigua más en este enlace.
Cuando se mide, se efectúa la comparación de una magnitud (que es una propiedad medible) con un patrón de referencia. En el Sistema Internacional de unidades (SI) el metro es el patrón de referencia para la longitud; el kilogramo es para la masa; el metro cúbico es para el volumen, y el segundo es para el tiempo.
Tanto el ácido muriático como el sulfúrico son ácidos muy corrosivos que pueden provocar daños severos a la piel; por ello es necesario usar equipo de protección cuando se usan.
Los ácidos y las bases son muy importantes en las actividades cotidianas; por ejemplo, en la cocina mexicana utilizamos la misma cal de las construcciones para hacer la masa de maíz para las tortillas y para preparar el maíz pozolero.
En el funcionamiento de nuestro organismo son muy importantes los ácidos y las bases. Muchas reacciones metabólicas, como las relacionadas con los procesos de respiración, digestión y desintoxicación de la sangre, suceden solo si se tienen las condiciones de acidez o alcalinidad precisas.
Reacciones de óxido-reducción
Identifica el cambio químico en algunos ejemplos de reacciones de óxido-reducción en actividades experimentales y en su entorno.
¿Sabes cómo funcionan las pilas o por qué se corroen ciertos materiales que están a la interperie? En la batería de un coche o en ese clavo oxidado en una tabla vieja se lleva a cabo un tipo de reacción química llamada deóxido-reducción. La parte de la química que estudia este tipo de reacciones es la electroquímica.
En una pila ocurre una reacción de oxidación-reducción. Con la transferencia de electrones de una sustancia a otra se obtiene energía eléctrica.
La electroquímica, como lo indica su nombre, estudia el proceso de intercambio de electrones entre una sustancia y otra dentro de una reacción química. Como ese intercambio de electrones genera un flujo, entonces lo que en realidad se produce en estas reacciones es electricidad.
La electroquímica es una disciplina muy importante por su gran variedad de aplicaciones; por ejemplo, en la metalurgia, donde mediante procesos electroquímicos, se obtiene una gran parte de los metales contenidos en los minerales.
El hierro es obtenido de la reducción de minerales que tienen óxido de hierro, mismos que son fundidos en las instalaciones industriales denominadas altos hornos.
El oxígeno es tan reactivo que seguramente has visto cómo una manzana o un aguacate ennegrecen en su presencia. Antes se llamaba oxidación a la reacción en la que una sustancia se combinaba con oxígeno, como el hierro con el oxígeno del ambiente para formar óxido de hierro.
La presencia de oxígeno en el aire reacciona con alimentos como el aguacate y la manzana, ennegreciéndolos.La presencia de oxígeno en el aire reacciona con alimentos como el aguacate y la manzana, ennegreciéndolos.
La reducción era una reacción en la que un compuesto liberaba oxígeno, por ejemplo, cuando se obtiene oxígeno gaseoso a partir del peróxido de hidrógeno (agua oxigenada). Cuando el oxígeno se combina con otras sustancias gana electrones, mientras que la sustancia con la que se combina los pierde.
En la actualidad una reacción de oxidación-reducción se define en función de la ganancia o pérdida de electrones, así que este tipo de reacciones pueden presentarse aun si el oxígeno no está involucrado. Como una sustancia no puede ganar electrones sin que otra los pierda y viceversa, para que haya una oxidación, necesariamente debe haber una reducción, por eso ahora se llaman reacciones de oxidación-reducción,o redox, para abreviar.
Cuando una sustancia pierde electrones se oxida, mientras que si los gana, se reduce. De este modo, el hierro se oxida al combinarse con el oxígeno, en tanto que el oxígeno se reduce al reaccionar con el hierro.
El óxido que vemos en piezas de hierro es la consecuencia de una reacción redox.
En toda reacción de óxido-reducción debe haber un cambio en el número de oxidación de algunos de los átomos que participan, de modo que se puede saber cuál sustancia se oxida y cuál se reduce.
Probablemente una de las reacciones redox más importante es la síntesis de la glucosa, una de las reacciones simples de la fotosíntesis de las plantas. En esta reacción, a partir de CO2, agua y luz, se produce glucosa y oxígeno.
6C02 + 6H2O + energía (luz solar) C6H12O6 + 6O2
Nosotros al respirar hacemos la reacción inversa: oxidamos la glucosa con el oxígeno y liberamos dióxido de carbono y agua, pero además obtenemos energía.
C6H12O6 + 6O2 6C02 + 6H2O + energía (calor)
Se mencionó que las reacciones de óxido-reducción se caracterizan porque hay un flujo de energía eléctrica derivado de la transferencia de electrones. Pues bien, para medir este flujo de electrones se usa lo que se conoce como celda electroquímica. Las celdas electroquímicas son dispositivos que involucran las reacciones químicas con la energía eléctrica y pueden ser de dos tipos: galvánicas (se lleva a cabo una reacción química y a partir de ella se produce una corriente eléctrica. Así ocurre en las pilas) y electrolítica (se hace pasar una corriente eléctrica externa para que se produzca una reacción).
El primero en usar el principio de la celda electroquímica fue el italiano Alessandro Volta (1745-1827), quien en 1800 diseñó la famosa pila voltaica.
Alessandro Volta fue el creador de la pila eléctrica.
La unidad de fuerza electromotriz del sistema mundial de unidades lleva el nombre de voltio en su honor desde 1981.
Si llamamos oxidación al proceso en el cual un átomo pierde electrones y reducción al proceso en el que un átomo los gana, entonces la oxidación está ligada a la reducción, ya que para que un átomo gane electrones otro debe perderlos.
En la atmósfera el oxígeno suele sustraer los electrones de muchos átomos, sobre todo de los metales, por ello decimos que los metales se oxidan.
En el caso de las reacciones de óxido-reducción las manifestaciones de cambio se producen por la presencia de un flujo de electrones en la reacción. Este flujo de electrones se debe a que algunos de los átomos de los elementos presentes en la reacción pierden elementos y otros los ganan al momento de formar nuevas sustancias.
El estado de oxidación expresa el grado de oxidacción y reducción de los átomos en las sustancias, y se le asigna un número (número de oxidación): cuanto más grande (positivo) sea este número, más se habrá oxidado el átomo (perdió más electrones), y cuanto más pequeño (negativo), más se habrá reducido (ganó más electrones).
En los compuestos neutros la suma de los números de oxidación de todos los átomos que aparecen en el compuesto debe ser cero.
Como en una reacción redox hay transferencia de electrones, estos se pueden utilizar para obtener energía eléctrica. Este tipo de reacciones se aprovechan en las baterías que se emplean en un sinnúmero de dispositivos.