Reaccions químiques

Ajust d’equacions químiques
Càlculs massa-massa
Reactius en dissolució
Càlculs massa-volum
Pràctica virtual

Descarrega aquestes diapositives en format PDF 📥

Ajust d’equacions químiques

La llei de conservació de la massa implica dos principis:

El nombre total d’àtoms abans i després d’una reacció no canvia.
El nombre d’àtoms de cada tipus és el mateix abans i després.

A una equació química general:

$$ a\mathrm A + b\mathrm B \longrightarrow c\mathrm C + d\mathrm D $$

A, B, C i D representen els símbols químics dels àtoms o la fórmula molecular dels compostos que reaccionen (costat esquerre) i els que es produeixen (costat dret).

$a$, $b$, $c$ i $d$ representen els coeficients estequiomètrics, que han de ser ajustats segons la llei de conservació de la massa (comparant d’esquerra a dreta àtom per àtom el nombre que hi ha d’aquests a cada costat de la fletxa).

Els coeficients estequiomètrics indiquen el nombre d’àtoms/molècules/mols que reaccionen/es produeixen de cada element/compost (o volum si les substàncies que intervenen són gasos en les mateixes condicions de pressió i temperatura).

Exemple

Es vol ajustar la següent equació química:

$$ \mathrm{MnO_2} + \mathrm{HCl} \longrightarrow \mathrm{MnCl_2} + \mathrm{Cl_2} + \mathrm{H_2O} $$

Comencem pel Mn: veiem que a l’esquerra hi ha 1 àtom de Mn i a la dreta hi ha també 1 àtom, està ajustat.

Després mirem l’O: veiem que a l’esquerra hi ha 2 àtoms d’O i a la dreta només hi ha 1. Per tant hem de posar un 2 a la molècula d’aigua:

$$ \mathrm{MnO_2} + \mathrm{HCl} \longrightarrow \mathrm{MnCl_2} + \mathrm{Cl_2} + 2\thinspace\mathrm{H_2O} $$

Seguim amb l’H: a l’esquerra hi ha 1 sol àtom mentre que a la dreta hi ha $2\times 2=4$ àtoms. Per tant hem de col·locar un 4 al HCl:

$$ \mathrm{MnO_2} + 4\thinspace\mathrm{HCl} \longrightarrow \mathrm{MnCl_2} + \mathrm{Cl_2} + 2\thinspace\mathrm{H_2O} $$

Finalment el Cl: com hem posat 4 molècules de HCl hi ha 4 àtoms de Cl a l’esquerra, a la dreta hi ha 2 àtoms de la molècula de clorur de manganès(II) i 2 àtoms més de la molècula de clor, 4 en total, amb el que està ajustat i no hem de posar res més.

La reacció ajustada queda així:

$$ \mathrm{MnO_2} + 4\thinspace\mathrm{HCl} \longrightarrow \mathrm{MnCl_2} + \mathrm{Cl_2} + 2\thinspace\mathrm{H_2O} $$

Pots practicar més l’ajust d’equacions químiques amb aquestes simulacions:

Càlculs massa-massa

Es tracta de situacions en les quals ens donen la massa (típicament en g) d’un compost químic i ens demanen la massa (també en g) d’un altre compost químic.

Seguim aquestes tres passes:

Passar de g a mol utilitzant la massa molar.
Relacionar mols d’un compost amb mols d’un altre, a partir dels coeficients estequiomètrics.
Passar de mol a g utilitzant la massa molar.

Exemple

El clorat de potassi, KClO₃, descompon en clorur de potassi, KCl, i oxigen. Calculeu la massa d’oxigen que s’obté quan descomponen 86.8 g de clorat de potassi per l’acció de la calor.

$M(\mathrm{K}) = 39.1\thinspace\mathrm{g/mol}$; $M(\mathrm{Cl}) = 35.5\thinspace\mathrm{g/mol}$; $M(\mathrm{O}) = 16\thinspace\mathrm{g/mol}$.

Escrivim l’equació química de la descomposició:

$$ \mathrm{KClO_3} \longrightarrow \mathrm{KCl} + \mathrm O_2 $$

L’ajustem:

$$ 2\thinspace\mathrm{KClO_3} \longrightarrow 2\thinspace\mathrm{KCl} + 3\thinspace\mathrm O_2 $$

Calculem les masses molars de tots els compostos químics involucrats, en aquest cas el KClO₃ i el O₂:

Per a relacionar els grams de clorat de potassi amb els grams d’oxigen utilitzem les tres passes del càlcul massa-massa:

$$ 86.8\thinspace\mathrm{g_{\mathrm{KClO_3}}}\cdot \frac{1\thinspace\mathrm{mol_{\mathrm{KClO_3}}}}{122.6\thinspace\mathrm{g_{\mathrm{KClO_3}}}}\cdot \frac{3\thinspace\mathrm{mol_{\mathrm{O_2}}}}{2\thinspace\mathrm{mol_{\mathrm{KClO_3}}}}\cdot \frac{32\thinspace\mathrm{g_{\mathrm{O_2}}}}{1\thinspace\mathrm{mol_{\mathrm{O_2}}}} = 34.0\thinspace\mathrm{g_\mathrm{O_2}} $$

Reactius en dissolució

Quan els reactius es troben en dissolució, hem de relacionar el nombre de mols, $n$, amb el volum, $V$, a través de la concentració molar o molaritat:

$$ c = \frac{n}{V} \rightarrow n = cV\quad \text{($V$ en L)} $$

Pots aprendre més amb aquesta excel·lent simulació:

Exemple

L’àcid clorhídric reacciona amb l’hidròxid de calci per a produir clorur de calci i aigua. Calcula el volum d’àcid clorhídric 0.25 M que es necessita per a reaccionar amb 50 ml d’hidròxid de calci 0.5 M.

$$ 2\thinspace \mathrm{HCl(aq)} + \mathrm{Ca(OH)_2(aq)} \longrightarrow \mathrm{CaCl_2(aq)} + 2\thinspace \mathrm{H_2O(l)} $$

\begin{align*} 50\thinspace\mathrm{mL_{\mathrm{Ca(OH)2}}} & \cdot \frac{1\thinspace\mathrm{L_{\mathrm{Ca(OH)2}}}}{1000\thinspace\mathrm{mL_{\mathrm{Ca(OH)2}}}} \cdot \frac{0.5\thinspace\mathrm{mol_{\mathrm{Ca(OH)2}}}}{1\thinspace\mathrm{L_{\mathrm{Ca(OH)2}}}} \\ & \cdot \frac{2\thinspace\mathrm{mol_{\mathrm{HCl}}}}{1\thinspace\mathrm{mol_{\mathrm{Ca(OH)2}}}}\cdot \frac{1\thinspace\mathrm{L_{\mathrm{HCl}}}}{0.25\thinspace\mathrm{mol_{\mathrm{HCl}}}} = 0.2\thinspace\mathrm{L_{\mathrm{HCl}}} \end{align*}

(continua cap avall)

👇

Equació dels gasos ideals

Quan algun dels compostos que intervenen a la reacció és un gas, necessitem fer ús de l’equació dels gasos ideals:

$$ pV = nRT $$

$p$ és la pressió a la qual es troba el gas, mesurada en atm.
$V$ és el volum que ocupa el gas, mesurat en L.
$n$ és el nombre de mols que tenim del gas, que el podem relacionar amb els grams a través de la massa molar.
$R=0.082\thinspace\frac{\mathrm{atm\thinspace L}}{\mathrm{mol\thinspace K}}$ és la constant universal dels gasos ideals.
$T$ és la temperatura a la qual es troba el gas, mesurada en K: $$ T(\mathrm K) = T(^\circ\mathrm C) + 273 $$

En el cas de treballar en el SI, la constant dels gasos ideals pren el valor $R=8.314\thinspace\frac{\mathrm{J}}{\mathrm{mol\thinspace K}} = 8.314\thinspace\frac{\mathrm{kPa\thinspace L}}{\mathrm{mol\thinspace K}}$.

Exemple

Calcula el volum d’hidrogen, mesurat a $25\thinspace\mathrm{^\circ\mathrm C}$ i $0.98\thinspace\mathrm{atm}$, que es desprèn en fer reaccionar $41.4\thinspace\mathrm g$ de sodi en aigua:

$$ 2\thinspace\mathrm{Na(s)} + 2\thinspace\mathrm{H_2O(l)} \longrightarrow 2\thinspace\mathrm{NaOH(aq)} + \mathrm{H_2(g)} $$

$M(\mathrm{Na}) = 23\thinspace\mathrm{g/mol}$; $M(\mathrm{H}) = 1\thinspace\mathrm{g/mol}$; $M(\mathrm{O}) = 16\thinspace\mathrm{g/mol}$.

L’equació ens la donen ja escrita i ajustada. Fixeu-vos en les lletres entre parèntesis, que indiquen l’estat d’agregació de cada compost químic:

(s) $\rightarrow$ sòlid
(l) $\rightarrow$ líquid
(g) $\rightarrow$ gas
(aq) $\rightarrow$ a dissolució aquosa (aqueous en anglès)

Calculem primer les masses molars dels compostos involucrats: \begin{align*} M(\mathrm{Na}) &= 23\thinspace\mathrm{g/mol}\text{ (m’ho donaven com a dada)} \\ M(\mathrm{H_2}) &= 2\cdot M(\mathrm{H}) = 2\cdot 1\thinspace\mathrm{g/mol} = 2\thinspace\mathrm{g/mol} \end{align*}

A partir dels grams de Na calculem els mols d’H₂ que es desprendran, utilitzant les dues primeres passes del càlcul massa-massa:

$$ 41.4\thinspace\mathrm{g_{\mathrm{Na}}}\cdot \frac{1\thinspace\mathrm{mol_{\mathrm{Na}}}}{23\thinspace\mathrm{g_{\mathrm{Na}}}}\cdot \frac{1\thinspace\mathrm{mol_{\mathrm{H_2}}}}{2\thinspace\mathrm{mol_{\mathrm{Na}}}} = 0.9\thinspace\mathrm{mol_\mathrm{H_2}} $$

Per a relacionar la quantitat d’hidrogen que es desprèn (mesurada en mols) amb el volum (mesurat en L), utilitzem l’equació dels gasos ideals:

$$ pV = nRT $$

S’ha d’anar amb cura perquè la temperatura $T$ l’hem de passar a K: \begin{align*} T(\mathrm K) &= T(^\circ\mathrm C) + 273 \\ &= 25\thinspace ^\circ\mathrm C + 273 = 298\thinspace\mathrm K \end{align*}

Aïllem el volum $V$:

$$ V = \frac{nRT}{p} = \frac{0.9\thinspace\mathrm{mol} \cdot 0.082\thinspace\frac{\mathrm{atm\thinspace L}}{\mathrm{mol\thinspace K}}\cdot 298\thinspace\mathrm{K}}{0.98\thinspace\mathrm{atm}} = 22.4\thinspace\mathrm{L_\mathrm{H_2}} $$

Pràctica virtual

Exportar a PDF

📥 Punxa aquí i segueix aquestes instruccions:

Obre el diàleg d’Impressió (Control-P si estàs en Windows).
Canvia el Destí a Desar com PDF.
Canvia el Disseny a Horitzontal.
Canvia els Marges a Cap.
Activa l’opció Gràfics de fons.

El procés, en principi, només funciona amb Google Chrome.