Leyes ponderales

1- ¿Qué son las reacciones químicas?

Una reacción química corresponde a un fenómeno en donde las sustancias que se encuentran inicialmente, denominadas reactivos o reactantes, se transforman en otras muy diferentes, en cuanto a sus características y propiedades, llamadas productos, por ejemplo, cuando se oxida un metal o al combustionar un pedazo de papel.
 

Para que se lleve a cabo una reacción química, es necesario que se rompan los enlaces de las moléculas originales, y que se formen nuevos enlaces.

Es posible representar las reacciones químicas a través de modelos moleculares y/o de ecuaciones químicas.

Los modelos moleculares, muestran las especies participantes y que se forman en la reacción química, a través de representaciones esquemáticas de los elementos a través de colores y tamaños diferentes, pudiendo apreciar cómo en la reacción se reorganizan los átomos.

Las ecuaciones químicas corresponden a representaciones simbólicas de las reacciones químicas, en donde se presentan los elementos, compuestos y/o moléculas que están formando parte de ella, a través de símbolos. 

Br₂ + H₂  →  2BrH

Por lo general, los cambios de color, la formación de precipitados, la liberación de gases y los cambios de temperatura, son evidencias que permiten afirmar que se está produciendo una reacción química.

2- ¿Qué son las leyes ponderales?

Las leyes ponderales son leyes que rigen todas las reacciones químicas, que se basan, en la masa de las sustancias que participan en ellas.

Las leyes ponderales son:

– La ley de conservación de la masa.

– La ley de las proporciones definidas.

– La ley de las proporciones múltiples.

– La ley de las proporciones recíprocas.

2.1- La ley de conservación de la masa.
Propuesta por Antoine Lavoisier en 1785, establece que “la materia no se crea ni se destruye, solo se transforma”, es decir, en un sistema cerrado, en donde no hay intercambio de materia con el exterior, la masa de los reactantes es igual a la masa de los productos, aunque se produzca cualquier reacción química.

Por ejemplo, si se pone a calentar una vela en un recipiente herméticamente cerrado, lo que asegura que no se está intercambiando materia con el exterior, no se debería apreciar cambios detectables en la masa.
 

2.2- La ley de las proporciones definidas.
Corresponde a una ley propuesta por Proust en 1801, y dice que “cuando dos o más elementos se unen para formar un compuesto determinado, siempre lo hacen en una relación de masas invariables, es decir, en una proporción fija o definida”.

Por ejemplo, al hacer reaccionar cobre con azufre, siempre se formará una cantidad determinada de sulfuro de cobre, según las cantidades de sustancia que inicialmente se presenten.

2.3-  La ley de las proporciones múltiples. 
En 1803, John Dalton presenta la ley de las proporciones múltiples, que establece que “las masas de un mismo elemento que se combinan con una cantidad fija de otro para formar compuestos distintos, están en una relación de números enteros y sencillos”.

Por ejemplo, al hacer reaccionar cobre con oxígeno en diferentes condiciones, es posible obtener dos óxidos de cobre diferentes, y en ellos, las cantidades de cobre son, aproximadamente el doble una de la otra.

2.4- La ley de las proporciones recíprocas.
Finalmente, en 1792, Ritcher, propone la ley de las proporciones recíprocas, que dice que: “las masas de elementos diferentes que se combinan con una misma masa de un elemento dado, son las masas relativas de aquellos elementos cuando se combinan entre sí o bien múltiplos o submúltiplos de estas masas”.

Es decir, las masas de sustancias diferentes que se combinan entre sí, con la misma masa de otra, lo hacen en una relación en base a como se combinan entre sí.

3.- ¿Cómo se representa un compuesto químico?

Las fórmulas químicas corresponden a representaciones, a través de las cuales se puede obtener información, como los elementos que forman el compuesto, y también la cantidad de cada uno de ellos.

Hay dos tipos de fórmulas químicas, la fórmula empírica y la fórmula molecular.

a) La fórmula empírica, indica el número relativo o la proporción de átomos de cada elemento presente en el compuesto, y para poder determinarla, es necesario conocer la composición porcentual de la muestra, o hacerla combustionar sabiendo su masa, y analizando los productos obtenidos.

Por ejemplo, la fórmula empírica de la glucosa es CH₂O, y la fórmula empírica del peróxido de hidrógeno es HO.

b) La fórmula molecular, por otra parte, corresponde a la fórmula real del compuesto, indicando por ello, la cantidad exacta de átomos de cada elemento presente en él.

Por ejemplo, en el caso de la glucosa, su fórmula molecular sería C₆H₁₂O₆, mientras que el peróxido de hidrógeno tendría una fórmula molecular H₂O₂.

A partir de la fórmula molecular, también es posible calcular la masa molecular de un compuesto determinado, y para ello, se debe seguir el siguiente procedimiento:

– Si se quiere calcular la masa molecular de la glucosa, en primer lugar, se debe conocer su fórmula molecular que es C₆H₁₂O₆

– Posteriormente, se debe separar los elementos que están presentes en la molécula, indicando la cantidad de cada uno de ellos, teniendo en consideración que esto es posible deducirlo a partir de su fórmula:

C = 6 átomos

H = 12 átomos

O = 6 átomos

– Con ayuda de la tabla periódica, se debe verificar la masa atómica de cada elemento, y multiplicarla por la cantidad de átomos, antes indicada. Con esto obtendremos la masa molecular de cada elemento. 

C = 6 átomos x 12 g/mol = 72 g/mol

H = 12 átomos x 1 g/mol = 12 g/mol

O = 6 átomos x 16 g/mol = 96 g/mol
 

– Finalmente, se debe sumar la masa de todos los elementos para poder determinar la masa molecular del compuesto:

C₆H₁₂O₆ = 72 g/mol + 12 g/mol + 96 g/mol = 180 g/mol

Conociendo la fórmula molecular de un compuesto, también es posible determinar la composición porcentual de él.
 

– La composición porcentual.
Representa la relación de masas, en término de porcentajes, de cada elemento presente en la fórmula de un compuesto, y para determinarlo es necesario saber la masa de cada elemento presente en una cantidad dada de compuesto a partir del siguiente procedimiento:

Por ejemplo, para determinar la composición porcentual de la aspirina, cuya fórmula es C₉H₈O₄, se debe tener en consideración:

– En primer lugar, se debe determinar la masa molecular de la aspirina.

Masa molar: 180,0 g/mol

– Posteriormente, se debe calcular el porcentaje de cada elemento, teniendo en cuenta que el 100% de la muestra corresponde a la masa total de la aspirina, que en este caso es 180 g/mol:

– Finalmente, es posible decir que la composición porcentual de la aspirina es:

 60,00 % de carbono, 4,44 % de hidrógeno y 35,56% de oxígeno.

Es posible determinar la fórmula empírica de una sustancia conociendo su composición porcentual, suponiendo que se dispone de 100 gramos de sustancia, por ende, cada porcentaje representa los gramos de cada elemento presentes en 100 g de la sustancia. Para ello, se debe seguir el siguiente procedimiento:

Por ejemplo, sabiendo que un compuesto está formado por 40,2% de K, 26,9% de Cr, 32,9% de O:

– En primer lugar, se debe determinar la cantidad de moles de cada elemento, dividiendo su porcentaje entre la masa atómica del elemento:

K = 40,2% / 39 = 1,03

Cr = 26,9% / 52 =0,52

O = 32,9% / 16 = 2,06

– Luego, se divide cada resultado entre el menor de todo ellos, para encontrar la relación más sencilla entre los moles de los elementos:

K = 1,03 / 0,52 = 2

Cr = 0,52 / 0,52 = 1

O = 2,06 / 0,52 = 4

Al obtener números enteros, esta relación es la que existe en la fórmula, por lo tanto la fórmula empírica de este compuesto es K₂CrO₄

– En caso de que la relación obtenida, no sea de números enteros, se debe multiplicar todos los valores obtenidos por un mismo número que permita eliminar los decimales y obtener una relación de números enteros.

También, se puede deducir la fórmula molecular del compuesto, sabiendo la fórmula empírica y su masa molecular. Los subíndices de la fórmula molecular siempre son múltiples enteros de los de la fórmula empírica, por lo tanto, se pueden determinar dividiendo la masa molar del compuesto entre la masa molar de la fórmula empírica, según la siguiente fórmula:

Así, por ejemplo, si se quiere determinar la fórmula molecular de un compuesto cuya fórmula empírica es CH₂O y su masa molar es 120 g/mol, se debe tener en consideración que:

– En primer lugar, es necesario calcular la masa molar de la fórmula empírica. Para ello, se debe recordar, que se deben contar los átomos de cada elemento presente y con ayuda de la tabla periódica, determinar su masa atómica:

C = 1 átomo x 12 g/mol = 12 g/mol

H = 2 átomos x 1 g/mol = 2 g/mol

O = 1 átomo x 16 g/mol = 16 g/mol

Masa molar fórmula empírica = 30 g/mol

– Sabiendo que la masa molar de la fórmula empírica es 30 g/mol y la masa molar de la fórmula molecular es 120 g/mol, se puede determinar el múltiplo entre ellas, según la siguiente fórmula:

Múltiplo = 120/ 30 = 4

– Por lo tanto, se debe multiplicar los subíndices presentes en la formula empírica por el múltiplo obtenido, quedando la fórmula molecular C₄H₈O₄