domingo, 5 de junio de 2022

9. Estequiometría avanzada, análisis de combustión | Grado 11 |

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El análisis de combustión es un método utilizado tanto en química orgánica como en química analítica para determinar la composición elemental (más precisamente, la fórmula empírica) de un compuesto orgánico puro mediante la combustión de la muestra en condiciones en las que los productos de combustión resultantes pueden analizarse cuantitativamente. Una vez que se ha determinado el número de moles de cada producto de combustión, se puede calcular la fórmula empírica o una fórmula empírica parcial del compuesto original.

El procedimiento se basa en quemar un compuesto en presencia de oxígeno, medir las masas de los productos generados, y emplear algoritmos estequiométricos para calcular los subíndices de la fórmula empírica.

Técnica algorítmica

Calcular la masa del elemento como si fuera monoatómico.

Masa del producto de combustión → convertir a moles → relacionar moles de producto con moles del elemento asumido como monoatómico → (Anotar este resultado) → convertir a gramos del elemento asumido como monoatómico → (Anotar este resultado).

Realizar lo anterior para todos los elementos donde tengamos un dato. Si no tenemos dato para un elemento (normalmente es oxígeno), este se deja de último y su masa se calcula como una resta asumiendo la ley de la conservación de la masa y convertir a moles del elemento como si fuera monoatómico.

El agua normalmente es reservorio del hidrógeno, pero el oxígeno debe calcularse por eluy de la conservación de la masa.

Hacer una lista con los resultados en moles y dividir entre el valor más pequeño, los resultados se expresan a sin decimales asumiendo que son muy cercanos a un entero, estos se asumen como los subíndices de una fórmula empírica.

Suponga que en un experimento la combustión de 11.5 g de etanol produjo 22.0 g de CO2 y 13.5 g de H2O. Podemos calcular la masa de carbono e hidrógeno en la muestra original de 11.5 g de etanol como sigue:

Técnica algebraica

Fórmula 1, Nota, siempre y cuando las masas dadas tengan las mismas unidades, los valores pueden reemplazarse sin unidades.

si(I,r) = Subíndice de la fórmula empírica de un elemento I cualquiera en el reactivo.

si(I,p) = Subíndice de la fórmula molecular de un elemento I cualquiera en el producto (enunciado) para el hidrógeno en H2O es 2, para el carbono en CO2 es 1, para el hidrógeno en NH3 es 3.

m(p) = masa del producto (enunciado).

m(r) = masa del reactivo problema (enunciado).

M(p) = masa molar del producto (con pesos de la tabla periódica).

M(r) = masa molar del reactivo problema (si no aparece en el enunciado, asuma 100 g/mol).

Fórmula 2, ley de la conservación de la masa para el oxígeno o elemento del cual no nos dan un producto. Nota, esta ecuación puede reemplazarse sin unidades ya que las unidades de masa molar se cancelan analíticamente.

M(O) = masa molar del elemento cuyo producto del cual no tenemos datos, normalmente es el oxígeno ya que se distribuye en muchos productos, asuma 16.00 g/mol.

En caso de que algún subíndice o todos sean decimales muy lejanos de un entero, se hace una lista de los subíndices calculados, y se dividen todos entre el subíndice más pequeño.

Suponga que en un experimento la combustión de 11.5 g de etanol produjo 22.0 g de CO2 y 13.5 g de H2O. Podemos calcular la masa de carbono e hidrógeno en la muestra original de 11.5 g de etanol como sigue:

El enunciado NO ofrece la masa molar del reactivo, por lo que se asume una hipótesis de 100 g/mol.

Calculamos el subíndice el hidrógeno en el reactivo, tenga en cuenta que el valor de si(I,p) en el H2O es 2, porque el subíndice del hidrógeno es 2.

Ejemplo.

El ácido valproico, que se usa para tratar las convulsiones y el trastorno bipolar, está compuesto de C, H y O. Se quema una muestra de 0.165 g. La ganancia de masa del absorbente de H2O es de 0.166 g, mientras que la del absorbente de CO2 es de 0.403 g. ¿Cuál es la fórmula empírica del ácido valproico? Si la masa molar es 144 g/mol, ¿cuál es la fórmula molecular?

Factores de conversión

La fórmula empírica es C4H8O. La masa molar de la fórmula empírica es 72.104 g/mol. Si comparamos con la masa molar real 144 g/mol nos damos cuenta de que necesitamos el doble de átomos para obtener la fórmula molecular C8H16O2.

Algebraico

En este caso el enunciado ya nos da la masa molar del reactivo M(r) = 144 g/mol, por lo que solo aplicamos la fórmula 1 y luego la 3.

El subíndice de C en CO2 es 1, y el subíndice de H en H2O es 2.

Como usamos la masa molar, lo que obtuvimos fue la fórmula molecular C8H16O2, la cual convertimos a fórmula empírica al dividir todos los subíndices entre el factor común que es C6H8O.


¿Cuáles son las leyes de la química necesarias parea realizar la demostración matemática?

¿Qué conceptos secundarios se deben tener en cuenta al invocar las leyes de la química en esta demostración?

¿Qué operaciones matemáticas y/o propiedades de las operaciones básicas fueron aplicadas en esta demostración?

Normalmente los procesos de enseñanza de la historia y la filosofía de la química se interpretan como en oposición o perdida de tiempo con respecto al entrenamiento para resolver situaciones numéricas, ¿Cómo relaciona el proceso de demostración estas dos áreas de la enseñanza de la química?

El método científico nos enseña a pensar por nosotros mismos, y cuestionar lo que han dicho nuestros predecesores de manera argumentada y ofreciendo una alternativa mas completa,  ¿Qué relación tiene este ideal con el hecho de que mientras los algoritmos de factor de conversión dados en los libros de texto no ofrecen demostración a su existencia, las ecuaciones algebraicas si ofrecen una explicación de su procedencia?

Se quemaron 12.915 g de una sustancia bioquímica que contiene solo carbono, hidrógeno y oxígeno en una atmósfera con exceso de oxígeno. El análisis posterior del resultado gaseoso arrojó 18.942 g de dióxido de carbono y 7.749 g de agua. Determine la fórmula molecular de la sustancia asumiendo que su masa molar verdadera es de 180.16 g/mol.

Se quemaron 3.450 g de omeprazol produciéndose 1.709 g de H2O (18.02 g/mol), 7.473 g de CO2 (44.01 g/mol), 1.858 g de NO3 (62.00 g/mol), y 0.800 g de SO3 (80.06 g/mol). En un experimento independiente se determinó que la masa molar del omeprazol es de 345.4 g/mol. Calcule la fórmula molecular. Asuma que el compuesto contiene C H N S y O.

Se quemaron 1.500 g de aspirina “ácido acetilsalicílico” produciéndose 3.300 g de CO2 y 0.600 g de agua. Asumiendo que la aspirina contiene carbono, hidrógeno y oxígeno y que su masa molar es 180.16 g/mol calcular la fórmula molecular.

Se quemaron 2.000 g de testosterona produciéndose 5.798 g de CO2 y 1.749 g de agua. Asumiendo que la testosterona contiene carbono, hidrógeno y oxígeno y que su masa molar es 288.42 g/mol calcular la fórmula molecular de la testosterona.


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