Reacciones Químicas II

Alcance y convenciones

Se resuelven los ejercicios disponibles de Progresión 2, los tres ejercicios de moles fotografiados y las preguntas y aplicación de Progresión 3. Esta última estaba indicada como consulta: resolverla no significa que se haya confirmado una entrega adicional. La práctica reciente de Alka-Seltzer queda preparada, pero no se simula haberla realizado.

Datos para reproducir los cálculos

n = m/M · m = nM · N = nNₐ · n = N/Nₐ · m = ρV

n: cantidad en mol; m: masa en g; M: masa molar en g/mol; N: número de entidades. Nₐ = 6.02214076 × 10²³ mol⁻¹, exactamente. Fuente: BIPM, definición del mol.

Masas atómicas aproximadas usadas: H 1.008; C 12.011; O 15.999; Na 22.990; Mg 24.305; S 32.06; Cu 63.546; Au 196.967. Otras tablas escolares pueden producir pequeñas diferencias de redondeo. Se muestran valores de cálculo y, cuando importa, un redondeo razonable.

Para los ejercicios de gas se usa la convención de la hoja: 22.4 L/mol, aproximación de gas ideal a 0 °C y 1 atm. No es el volumen de cualquier gas a cualquier temperatura o presión.

01 · Ejercicios de clase

Semillas de arroz y frijol

Si cada semilla de arroz tiene una masa supuesta de 0.1 g, en 1 kg hay 1000 g ÷ 0.1 g/semilla = 10 000 semillas. Cada frijol del ejemplo pesa cinco veces más: 0.5 g. Por tanto, 5 kg contienen 5000 ÷ 0.5 = 10 000 frijoles. Es una idealización: en muestras reales varían tamaño y humedad.

Las preguntas introductorias sobre naranjas, maíz y arena no incluyen masa por unidad; no existe un número único calculable con los datos dados. Se necesitaría medir una masa media representativa y usar N ≈ masa total/masa media por unidad.

250 mL de etanol

Como 1 mL = 1 cm³, el volumen es 250 cm³.

m = (0.789 g/cm³)(250 cm³) = 197.25 g

M(C₂H₅OH) = 2(12.011) + 6(1.008) + 15.999 = 46.069 g/mol
n = 197.25/46.069 = 4.2816 mol ≈ 4.28 mol

Respuesta: masa calculada 197.25 g; cantidad aproximada 4.28 mol. La escritura “250” no aclara por sí sola todas sus cifras significativas; no se debe interpretar 197.25 como una medición de precisión infinita.

Etanol obtenido de 10.0 g de glucosa

C₆H₁₂O₆ → 2 C₂H₅OH + 2 CO₂

La ecuación conserva C, H y O. Una molécula de glucosa produce dos de etanol, no una. M(glucosa) = 180.156 g/mol.

m(etanol) = (10.0 g)(1 mol/180.156 g)(2 mol etanol/1 mol glucosa)(46.069 g/mol)
= 5.1143 g ≈ 5.11 g

Es el rendimiento teórico con glucosa como reactivo limitante y conversión ideal. El rendimiento experimental puede ser menor; no se inventa un valor medido.

Átomos en 16.3 g de azufre

n(S) = 16.3/32.06 = 0.50842 mol
N = (0.50842)(6.02214076 × 10²³) = 3.06 × 10²³ átomos de S

Se cuentan átomos, como pide la consigna. Si se solicitaran moléculas S₈, el número sería ocho veces menor.

Relación sodio–cloro de la introducción

2 Na + Cl₂ → 2 NaCl

Dos moles de átomos de Na reaccionan con un mol de moléculas de Cl₂ para formar dos moles de unidades fórmula de NaCl. El mol permite contar indirectamente a partir de masas.

02 · Ocho conversiones

A. ¿A cuántos gramos equivale?

B. ¿A cuántas partículas equivale?

C. ¿A cuántos litros equivale?

Ambos volúmenes son aproximaciones con la convención de gas ideal indicada arriba; sin condiciones de presión y temperatura no son valores universales.

03 · Gramos a moles

a) 225 g de Mg(OH)₂

El subíndice 2 multiplica tanto al O como al H del grupo OH.

M = 24.305 + 2(15.999 + 1.008) = 58.319 g/mol
n = 225/58.319 = 3.8581 mol ≈ 3.86 mol

b) 0.324 g de aspirina, C₉H₈O₄

M = 9(12.011) + 8(1.008) + 4(15.999) = 180.159 g/mol
n = 0.324/180.159 = 0.0017984 mol ≈ 1.80 × 10⁻³ mol

c) 150 g de NaHCO₃

M = 22.990 + 1.008 + 12.011 + 3(15.999) = 84.006 g/mol
n = 150/84.006 = 1.7856 mol ≈ 1.79 mol

Correcciones conceptuales de los otros apuntes

• La regla del octeto es una tendencia de muchos elementos representativos, con excepciones; no significa que todo átomo estable tenga exactamente ocho electrones totales.
• En un enlace covalente se comparten electrones, típicamente entre no metales. No se define como unión exclusiva de átomos metálicos.
• El enlace iónico es la atracción electrostática entre iones de carga opuesta. La transferencia de electrones explica la formación de esos iones en modelos escolares.
• En el enlace metálico, los electrones de valencia están deslocalizados en una estructura de átomos metálicos; no se trata de núcleos desnudos aislados.
• Un átomo más grande no es necesariamente más electronegativo. La electronegatividad mide la tendencia a atraer electrones compartidos.

04 · Cinco preguntas

1. Equilibrio estático y dinámico

En un equilibrio estático no hay movimiento macroscópico del objeto considerado y las fuerzas se compensan. En un equilibrio químico dinámico siguen ocurriendo la reacción directa e inversa, pero a igual velocidad, de modo que la composición permanece constante bajo las mismas condiciones. “Constante” no significa que las concentraciones de reactivos y productos sean iguales.

2. ¿Por qué el equilibrio químico implica reversibilidad?

Porque los productos pueden volver a formar reactivos. El equilibrio requiere que ambas transformaciones ocurran y alcancen velocidades iguales. En un proceso prácticamente irreversible en las condiciones estudiadas no se observa ese balance reversible.

3. Ejemplos cotidianos

En un recipiente cerrado con agua líquida y vapor, evaporación y condensación pueden equilibrarse. Es un equilibrio físico. En una bebida carbonatada cerrada existe un equilibrio entre CO₂ disuelto y gaseoso. Las disociaciones ácido-base de los sistemas carbonato y bicarbonato son ejemplos de equilibrio químico. Al destapar la bebida cambia la condición de presión y escapa gas.

4. ¿Qué sucede ante una perturbación?

Si cambian temperatura, concentración o presión relevante, las velocidades dejan de estar compensadas y la composición puede evolucionar hasta otro equilibrio. La respuesta tiende a oponerse parcialmente al cambio. No cualquier aumento de presión tiene el mismo efecto: una compresión favorece el lado con menos moles de gas, cuando ese número es distinto. Un catalizador acelera la llegada al equilibrio, pero no cambia su posición a temperatura fija.

5. ¿Para qué conocer la velocidad de reacción?

Permite decidir cuánto tiempo requiere un proceso, comparar condiciones de producción, controlar conservación de materiales y evitar cambios demasiado rápidos. La velocidad indica qué tan rápido ocurre una transformación; el equilibrio indica las proporciones finales compatibles con las condiciones. Una reacción favorable puede ser muy lenta.

Precisión de la constante

Para aA + bB ⇌ cC + dD:
Kc = [C]ᶜ[D]ᵈ / ([A]ᵃ[B]ᵇ)

La fórmula simplificada “productos/reactivos” de la hoja necesita coeficientes como exponentes. Los sólidos puros y líquidos puros no se incluyen en esa expresión escolar de Kc. Para el amoniaco: Kc = [NH₃]²/([N₂][H₂]³). La temperatura puede modificar K; un catalizador no.

05 · Tres equilibrios reales

Industria · Síntesis de amoniaco

N₂(g) + 3 H₂(g) ⇌ 2 NH₃(g)

La reacción directa es exotérmica. En un sistema cerrado, a temperatura fija, se alcanza equilibrio cuando las velocidades directa e inversa se igualan. La compresión favorece NH₃ porque hay dos moles gaseosos del lado de productos y cuatro del lado de reactivos. Elevar la temperatura favorece termodinámicamente la reacción inversa, aunque acelera la cinética. En la operación industrial se retira producto y se reciclan reactivos: es un proceso de flujo, no un recipiente perpetuamente en equilibrio. El catalizador acelera ambas direcciones y no aumenta por sí mismo el rendimiento de equilibrio.

Contraste: OpenStax, Chemistry 2e, §13.3.

Cuerpo humano · Sistema bicarbonato

CO₂ + H₂O ⇌ H₂CO₃ ⇌ H⁺ + HCO₃⁻

Estas reacciones reversibles participan en el transporte de CO₂ y en la amortiguación del pH. En los tejidos se genera CO₂; en los pulmones se elimina, favoreciendo el retorno desde bicarbonato hacia CO₂. Si se acumula CO₂ sin compensación, la reacción tiende a elevar H⁺ y disminuir el pH. El cuerpo es un sistema abierto regulado, no un sistema global en equilibrio termodinámico. La explicación es de química y fisiología escolar, no una indicación médica.

Contraste: OpenStax, Anatomy and Physiology 2e, §22.5.

Naturaleza · Carbonatos del océano

CO₂(ac) + H₂O ⇌ H₂CO₃ ⇌ H⁺ + HCO₃⁻
H⁺ + CO₃²⁻ ⇌ HCO₃⁻

El CO₂ disuelto participa en equilibrios ácido-base. Si aumenta su incorporación al agua, aumenta la concentración de H⁺ y parte del carbonato se transforma en bicarbonato. Disminuye así la disponibilidad de carbonato para organismos que forman estructuras de CaCO₃. La temperatura, la composición y el intercambio de gases influyen en las condiciones. “Acidificación” significa disminución del pH; no exige que el océano llegue a pH menor que 7.

Fuente de contraste: NOAA, química de la acidificación oceánica.

Conclusión común: no basta decir “si se altera, se produce menos”. Es necesario identificar qué variable cambia, hacia dónde se desplaza el equilibrio y distinguir ese desplazamiento de la rapidez con la que ocurre.

06 · Prácticas preparadas

Alka-Seltzer: temperatura y rapidez

Pregunta: ¿cómo influye la temperatura del agua en el tiempo de efervescencia de tabletas iguales? Hipótesis: bajo condiciones comparables, el agua más caliente producirá una reacción más rápida y un menor tiempo de efervescencia. Es una predicción, no un resultado observado.

Variable independiente: temperatura del agua. Dependiente: tiempo hasta el criterio de final definido. Controles: volumen de agua, tipo y tamaño del recipiente, marca y masa de tableta, tableta entera, agitación y procedimiento de cronometraje.

La guía disponible utiliza dos tabletas; el chat pide tres por equipo. No se atribuye a la tercera una función que no está documentada. La maestra debe confirmar si se usa como control, repetición o repuesto.

1. Con supervisión docente, preparar dos vasos iguales con el mismo volumen de agua, uno frío y otro tibio. Medir y anotar temperaturas; no usar agua hirviendo.
2. Colocar una tableta del mismo tipo en cada vaso y cronometrar por separado desde el contacto con el agua.
3. Aplicar a ambos el mismo criterio de final, por ejemplo, cese de efervescencia visible. Ese criterio no es una medida exacta de toda la cinética.
4. Registrar observaciones reales y comparar los tiempos. Si hay recursos, repetir en condiciones equivalentes para evaluar variación.

Precauciones: no ingerir las mezclas, evitar salpicaduras, usar protección indicada por el docente y no cerrar los recipientes, porque se libera CO₂. No mezclar con otras sustancias.

Explicación teórica: al aumentar la temperatura aumenta la fracción de choques capaces de superar la barrera de activación. La efervescencia involucra la reacción de componentes ácidos con bicarbonato y la liberación de CO₂. El tiempo observado también depende de disolución y mezcla.

Conclusión que sí puede adelantarse: esta comparación estudia rapidez de reacción; no demuestra por sí sola equilibrio químico. La conclusión experimental debe esperar los datos y mencionar si apoyan la hipótesis y qué errores pudieron intervenir.

Transferencia de agua: modelo de equilibrio dinámico

Dos personas transfieren agua en sentidos opuestos con vasos. Si transfieren el mismo volumen por unidad de tiempo, los niveles pueden permanecer constantes aunque el agua siga cambiando de recipiente. Usar vasos distintos puede producir un cambio neto si no se ajusta la frecuencia de transferencias.

Vasos iguales no garantizan por sí solos igualdad de tasas: deben llenarse de forma equivalente y operar al mismo ritmo. Es una analogía de procesos opuestos, no una reacción química. Queda pendiente la ejecución con registro real de niveles y tiempos.

Material y consignas

• Progresion 2.pdf
• Progresion 3.pdf
• Apuntes de quimica enlaces moles y equilibrio.pdf
• 05 Practica Alka Seltzer.pdf
• 13 Ejercicios Parte Inferior.pdf

Se usan las páginas y fotografías indicadas en cada actividad. “Histórica” no significa entregada; se conserva la clasificación del catálogo. Las actividades de apoyo se distinguen de las consignas confirmadas.