Principios y leyes químicas
La ley de las proporciones recíprocas o equivalentes o también ley de Richter-Wenzel es una de las llamadas leyes estequiométricas y fue enunciada por primera vez porJeremías Benjamín Richter en 1792 en el libro que estableció los fundamentos de la estequiometría, que completó el trabajo realizado previamente por Carl Friedrich Wenzel, quien en 1777 publicó por primera vez tablas de pesos de equivalencia para ácidos y bases. Es de importancia para la historia de la química y el desarrollo del concepto de moly de fórmula química, más que para la química actual. Esta ley permite establecer el peso equivalente o peso-equivalente-gramo, que es la cantidad de un elemento ocompuesto que reaccionará con una cantidad fija de una sustancia de referencia.
Ley de las proporciones recíprocas o equivalentes o de Richter-Wenzel
"Las masas de dos elementos diferentes que se combinan con una misma cantidad de un tercer elemento, guardan la misma relación que las masas de aquellos elementos cuando se combinan entre sí." -Richter-Wenzel.
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r1 = 2 x 14,007/15,9994 = 1,75
r2 = 14,007/15,9994 = 0,875
1,75 = n1 x 0,583; n1 = 1,75 /0,583= 3
0,875 = n2 x 0,583; n2 = 0,875 /0,583= 1,5
El carbono se combina con el hidrógeno para formar metano, CH4, y con el cloro para formar tetracloruro de carbono, CCl4; la relación con que el hidrógeno y el cloro se combinan con una misma cantidad de carbono es:
pues bien, la relación con que se combinan el hidrógeno y el cloro para formar el cloruro de hidrógeno, HCl, es la misma:
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Reactivo Limitante
Cuando se desea obtener un compuesto en el laboratorio, la cantidad de producto resultante está limitada por una de las sustancias que intervienen en la reacción. A esa sustancia se le conoce como reactivo limitante.
Ejemplo:
Para la reacción:
¿Cuál es el reactivo limitante si tenemos 10 moléculas de hidrógeno y 10 moléculas de oxígeno?
Necesitamos 2 moléculas de H2 por cada molécula de O2
Necesitamos 2 moléculas de H2 por cada molécula de O2
Pero tenemos sólo 10 moléculas de H2 y 10 moléculas de O2.
La proporción requerida es de 2 : 1
Pero la proporción que tenemos es de 1 : 1
Es claro que el reactivo en exceso es el O2 y el reactivo limitante es el H2
Como trabajar con moléculas es lo mismo que trabajar con moles.
Si ahora ponemos 15 moles de H2 con 5 moles de O2 entonces como la estequiometría de la reacción es tal que 1 mol de O2 reaccionan con 2 moles de H2, entonces el número de moles de O2 necesarias para reaccionar con todo el H2 es 7,5, y el número de moles de H2 necesarias para reaccionar con todo el O2 es 10.
Es decir, que después que todo el oxígeno se ha consumido, sobrarán 5 moles de hidrógeno. El O2 es el reactivo limitante
Una manera de resolver el problema de cuál es el reactivo es el limitante es:
Calcular la cantidad de producto que se formará para cada una de las cantidades que hay de reactivos en la reacción.
El reactivo limitante será aquel que produce la menor cantidad de producto.
Rendimiento de una reacción
Cuando se produce una reacción en la que se forman cantidades máximas de productos, se dice que la reacción tiene un rendimiento de 100%
Ejemplo:
Cuántos gramos de cobre se necesitan para obtener 100 gramos de sulfato de cobre si el rendimiento de la reacción es del 65 %?
Cu + 2 H2SO4 ----------------- CuSO4 + SO2 + 2 H2O
Cu + 2 H2SO4 ----------------- CuSO4 + SO2 + 2 H2O
Por cada 63,5 g de cobre se obtienen 159,5 g de sulfato de cobre. Si se tiene en cuenta el rendimiento:
Cantidad obtenida = 159,5 g x 0,65 = 103.7 g (a partir de 63,5 g de cobre)
Si se plantea la proporción:
63,5 g cobre x 100 g de sulfato de cobre / 103,7 g de sulfato de cobre = 61,23 g de cobre
Cantidad obtenida = 159,5 g x 0,65 = 103.7 g (a partir de 63,5 g de cobre)
Si se plantea la proporción:
63,5 g cobre x 100 g de sulfato de cobre / 103,7 g de sulfato de cobre = 61,23 g de cobre
Lavoisier en sus experimentos con el agua estableció la composición cuantitativa, sin embargo no mostró interés en las relaciones ponderales con que los elementos químicos se combinan entre sí para formar compuestos.
Jeremías Benjamín Richter (1762-1807) buscó aplicar las matemáticasa la reciente Química y trató de establecer relaciones numéricas entre las composiciones de las diferentes sustancias.
En su trabajo con los ácidos y las bases (o álcalis), Richter observó que si se mezclaban disoluciones de ácidos y bases, éstas se neutralizaban, es decir, la mezcla no mostraba propiedades de ácido ni de base. Estudió este fenómeno y midió la cantidad exacta de diferentes ácidos que se necesitaba para neutralizar una cantidad determinada de una base particular y viceversa. Mediante mediciones cuidadosas encontró que se requerían cantidades fijas y exactas.
A partir de sus observaciones, y apoyándose en numerosos ejemplos, dedujo la llamada Ley de los pesos equivalentes, la cual fue enunciada en 1792 y completada varios años más tarde por Wenzel. Establece como conclusión: “Los pesos de dos sustancias que se combinan con un peso conocido de otra tercera sustancia son químicamente equivalentes entre sí”.
Richter realizó numerosos experimentos en los que estudió al oxígeno por ser el elemento que se combina con casi todos los demás elementos químicos, se tomó inicialmente como tipo 100 partes en peso de oxígeno; la cantidad en peso de cada elemento que se combinaba con estas 100 partes en peso deoxígeno era su peso de combinación. El menor peso de combinación que así se encontraba era el del hidrógeno, por lo que fue natural tomar como base relativa de los pesos de combinación de los elementos el valor 1 para el hidrógeno; en esta escala el oxígeno tiene el valor 7,9365 (según las investigaciones últimamente realizadas) y otros elementos tienen también valores algo inferiores a números enteros.
Pero puesto que el hidrógeno se combina con muy pocos elementos y el peso de combinación de éstos tenía que encontrarse en general a partir de su combinación con el oxígeno, se decidió finalmente tomar nuevamente el oxígeno como base de los pesos de combinación redondeando su peso tipo a 8,000; el del hidrógeno resulta ser igual a 1,008 y el de varios elementos son ahora números aproximadamente enteros.
Con ayuda de sus datos experimentales, Richter construyó una tabla de pesos equivalentes.
Tabla 1. Pesos de combinación de Richter.
Jeremías Benjamín Richter (1762-1807) buscó aplicar las matemáticasa la reciente Química y trató de establecer relaciones numéricas entre las composiciones de las diferentes sustancias.
En su trabajo con los ácidos y las bases (o álcalis), Richter observó que si se mezclaban disoluciones de ácidos y bases, éstas se neutralizaban, es decir, la mezcla no mostraba propiedades de ácido ni de base. Estudió este fenómeno y midió la cantidad exacta de diferentes ácidos que se necesitaba para neutralizar una cantidad determinada de una base particular y viceversa. Mediante mediciones cuidadosas encontró que se requerían cantidades fijas y exactas.
A partir de sus observaciones, y apoyándose en numerosos ejemplos, dedujo la llamada Ley de los pesos equivalentes, la cual fue enunciada en 1792 y completada varios años más tarde por Wenzel. Establece como conclusión: “Los pesos de dos sustancias que se combinan con un peso conocido de otra tercera sustancia son químicamente equivalentes entre sí”.
Richter realizó numerosos experimentos en los que estudió al oxígeno por ser el elemento que se combina con casi todos los demás elementos químicos, se tomó inicialmente como tipo 100 partes en peso de oxígeno; la cantidad en peso de cada elemento que se combinaba con estas 100 partes en peso deoxígeno era su peso de combinación. El menor peso de combinación que así se encontraba era el del hidrógeno, por lo que fue natural tomar como base relativa de los pesos de combinación de los elementos el valor 1 para el hidrógeno; en esta escala el oxígeno tiene el valor 7,9365 (según las investigaciones últimamente realizadas) y otros elementos tienen también valores algo inferiores a números enteros.
Pero puesto que el hidrógeno se combina con muy pocos elementos y el peso de combinación de éstos tenía que encontrarse en general a partir de su combinación con el oxígeno, se decidió finalmente tomar nuevamente el oxígeno como base de los pesos de combinación redondeando su peso tipo a 8,000; el del hidrógeno resulta ser igual a 1,008 y el de varios elementos son ahora números aproximadamente enteros.
Con ayuda de sus datos experimentales, Richter construyó una tabla de pesos equivalentes.
Tabla 1. Pesos de combinación de Richter.
| Bases | Ácidos | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| Nombre de la sustancia | Fórmula química | Peso equivalente | Nombre de la sustancia | Fórmula química | Peso equivalente |
Datos tomados de Partington, 1959.
La ventaja de estos cálculos es que permitían predecir las cantidades de sustancias que reaccionarían totalmente entre sí; por ejemplo, en la tabla 1 se observa que 1 605 partes de potasa (KOH) son neutralizadas por 427 partes de ácido fluorhídrico (HF), según la nomenclatura de la época, o por 577 de ácido carbónico. Como puedes imaginar, la posibilidad de predecir la cantidad de sustancia que reaccionaría con tal cantidad de otra sustancia era muy adecuada para la ciencia y la naciente industria química.
Estos pesos de combinación se conocen hoy como pesos equivalentes. El peso equivalente de un elemento (o compuesto) es la cantidad del mismo que se combina o reemplaza -equivale químicamente- a 8,000 partes de oxígeno o 1,008 partes de hidrógeno. Se denomina también equivalente químico.
Estos pesos de combinación se conocen hoy como pesos equivalentes. El peso equivalente de un elemento (o compuesto) es la cantidad del mismo que se combina o reemplaza -equivale químicamente- a 8,000 partes de oxígeno o 1,008 partes de hidrógeno. Se denomina también equivalente químico.
Ejemplo
Para ver cómo se cumple la Ley de de las proporciones recíprocas o de las proporciones equivalentes, consideremos dos sustancias cualesquiera, elementales o compuestas (N2 y O2) cada una de las cuales puede reaccionar con una tercera sustancia (H2).
Es evidente que de conformidad con la ley de las proporciones definidas 1,008g de H2 reaccioan con 14,0007/3 = 4,66g de N2 para dar NH3.
1,008g de H2 reaccionan con 15,9994/2 = 8g de O2 para dar H2O.
Llamemos R a la relación entre el peso de nitrógeno y el peso de oxígeno que reaccionan con un peso dado de hidrógeno: R = 4,66/8 = 0,583.
Como por otra parte, el nitrógeno y el oxígeno pueden reaccionar entre si para formar hasta cinco compuestos diferentes, analicemos en alguno de ellos la relacion de combinación nitrógeno/oxígeno.
a) Consideremos el N2O:llamemos a r1 a dicha relacion.
Es evidente que de conformidad con la ley de las proporciones definidas 1,008g de H2 reaccioan con 14,0007/3 = 4,66g de N2 para dar NH3.
1,008g de H2 reaccionan con 15,9994/2 = 8g de O2 para dar H2O.
Llamemos R a la relación entre el peso de nitrógeno y el peso de oxígeno que reaccionan con un peso dado de hidrógeno: R = 4,66/8 = 0,583.
Como por otra parte, el nitrógeno y el oxígeno pueden reaccionar entre si para formar hasta cinco compuestos diferentes, analicemos en alguno de ellos la relacion de combinación nitrógeno/oxígeno.
a) Consideremos el N2O:llamemos a r1 a dicha relacion.
b) Consideremos el NO: llamemos a r2 a dicha relacion
Es evidente que r = n x R siendo n un numero al cual corresponden valores enteros o fraccion de enteros.
Aplicación
Debido a la ley de las proporciones múltiples algunos elementos tienen varios equivalentes.
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