Fundamentos Esenciales de Química: Conceptos, Cálculos y Nomenclatura Inorgánica

Conceptos Fundamentales y Fórmulas Clave en Química

Ley de los Gases Ideales

La relación entre la presión, el volumen, la cantidad de sustancia y la temperatura de un gas ideal se describe mediante la siguiente ecuación:

P·V = n·R·T

• P: Presión (comúnmente en atmósferas (atm) o milímetros de mercurio (mmHg))
• V: Volumen (en litros (L))
• n: Cantidad de sustancia (en moles (mol))
• R: Constante de los gases ideales (su valor depende de las unidades de presión y volumen, por ejemplo, 0.082 atm·L/(mol·K) o 62.4 mmHg·L/(mol·K))
• T: Temperatura (en Kelvin (K), donde 0°C ≈ 273.15 K)

Ejemplo de Cálculo de Moles

Para calcular los moles de 50 g de H₂O:

50 g H₂O · (1 mol H₂O / 18 g H₂O)

Expresiones de Concentración de Disoluciones

Las disoluciones son mezclas homogéneas y su composición se puede expresar de diversas maneras:

• Porcentaje en masa (% m/m): (masa de soluto / masa de disolución) · 100
• Porcentaje en volumen (% v/v): (volumen de soluto / volumen de disolución) · 100
• Concentración en masa (g/L): masa de soluto (g) / volumen de disolución (L)
• Molaridad (M): moles de soluto / volumen de disolución (L) (unidades: mol·L^-1)
• Fracción molar (X): moles del componente / moles totales de la disolución

Magnitudes Atómicas Fundamentales

Para describir la composición de los átomos, se utilizan las siguientes magnitudes:

• Número Atómico (Z): Representa el número de protones en el núcleo de un átomo. Define la identidad química del elemento.
• Número Másico (A): Representa la suma del número de protones y neutrones en el núcleo de un átomo.
• En un átomo neutro, el número de protones es igual al número de electrones.
• La relación entre estas magnitudes es: A = Z + número de neutrones.

Presión Osmótica

La presión osmótica (π) es la presión necesaria para detener el flujo neto de disolvente a través de una membrana semipermeable. Se calcula mediante la siguiente ecuación:

π = M·R·T

• π: Presión osmótica (en atmósferas, atm)
• M: Molaridad de la disolución (en mol/L)
• R: Constante de los gases ideales (0.082 atm·L/(mol·K))
• T: Temperatura (en Kelvin, K)

Ejemplo de Cálculo de Presión Osmótica

Calcule la presión osmótica de una disolución acuosa que contiene 18 g de sacarosa (C₁₂H₂₂O₁₁) en 0.5 L de disolución a 20°C. La masa molar de la sacarosa (C₁₂H₂₂O₁₁) es 342 g/mol.

(Nota: Para resolver este problema, primero se deben calcular los moles de sacarosa, luego la molaridad de la disolución y finalmente aplicar la fórmula de presión osmótica, convirtiendo la temperatura a Kelvin.)

Tipos de Reacciones Químicas

Las reacciones químicas se clasifican según la forma en que los átomos se reorganizan:

1. Reacción de Síntesis (o Combinación): Dos o más reactivos se combinan para formar un único producto.

   Ejemplo: N₂(g) + 3H₂(g) → 2NH₃(g)

2. Reacción de Descomposición: Un compuesto se descompone en dos o más sustancias más simples.

   Ejemplo: 2H₂O(l) → 2H₂(g) + O₂(g)

3. Reacción de Desplazamiento Simple (o Sustitución Simple): Un elemento desplaza a otro en un compuesto.

   Ejemplo: Metal + Ácido → Sal + Hidrógeno (e.g., Zn(s) + 2HCl(aq) → ZnCl₂(aq) + H₂(g))

4. Reacción de Doble Desplazamiento (o Metátesis): Los iones de dos compuestos intercambian lugares para formar dos nuevos compuestos.

   Ejemplo: Ácido + Base → Sal + Agua (e.g., HCl(aq) + NaOH(aq) → NaCl(aq) + H₂O(l))

Cálculos Estequiométricos

Los cálculos estequiométricos permiten determinar las cantidades de reactivos y productos involucrados en una reacción química. Los pasos generales son:

1. Escribir y ajustar la ecuación química: Asegurarse de que la ecuación esté balanceada, es decir, que el número de átomos de cada elemento sea el mismo en ambos lados de la reacción.
2. Convertir las masas o volúmenes conocidos a moles: Utilizar las masas molares o las condiciones de los gases para transformar los datos iniciales a moles.
3. Establecer la relación molar: Utilizar los coeficientes estequiométricos de la ecuación ajustada para encontrar la relación entre los moles de las sustancias conocidas y las sustancias que se desean calcular.
4. Convertir los moles calculados a las unidades deseadas: Expresar el resultado final en la masa, volumen u otras magnitudes indicadas.

Ejemplo de Cálculo Estequiométrico

Se hace reaccionar aluminio (Al) con yodo (I₂) para obtener triyoduro de aluminio (AlI₃). Calcule la masa de triyoduro de aluminio que se obtenga a partir de 25 g de yodo.

(Nota: Primero se debe escribir y ajustar la ecuación: 2Al(s) + 3I₂(s) → 2AlI₃(s). Luego, convertir los 25 g de I₂ a moles, usar la relación molar de la ecuación y finalmente convertir los moles de AlI₃ a gramos.)

Termoquímica: Calor de Reacción

Reacciones Exotérmicas y Endotérmicas

Las reacciones químicas pueden liberar o absorber energía:

• Una reacción exotérmica es aquella que libera energía en forma de calor al entorno.
• Una reacción endotérmica es aquella que absorbe energía del entorno en forma de calor.

Ejemplo de Cálculo de Calor de Reacción

Calcule el calor desprendido al quemar 100 g de dióxido de azufre (SO₂).

(Nota: Este cálculo requiere conocer la entalpía de combustión del SO₂ y la masa molar del SO₂ para convertir los gramos a moles.)

Reacciones de Combustión

Una reacción de combustión es un tipo de reacción exotérmica en la que un combustible reacciona rápidamente con un oxidante (generalmente oxígeno, O₂), produciendo calor y luz.

• La combustión del carbono produce dióxido de carbono (CO₂).
• La combustión de compuestos hidrocarbonados (como alcoholes, ceras, butano, etc.) produce dióxido de carbono (CO₂) y agua (H₂O).

La forma general de una reacción de combustión de un compuesto orgánico es:

Combustible (X) + O₂ → CO₂ + H₂O

Nomenclatura de Compuestos Inorgánicos

A continuación, se presenta una lista de compuestos inorgánicos con sus fórmulas y nombres, utilizando diferentes sistemas de nomenclatura (sistemática, de stock y tradicional cuando aplica).

Óxidos y Peróxidos

• MgO: Óxido de magnesio
• BaO₂: Peróxido de bario
• N₂O: Óxido de dinitrógeno; Óxido de nitrógeno(I)
• N₂O₄: Tetraóxido de dinitrógeno
• Ag₂O: Óxido de plata
• Au₂O₃: Trióxido de dioro; Óxido de oro(III)
• H₂O₂: Peróxido de hidrógeno
• MnO₂: Dióxido de manganeso; Óxido de manganeso(IV)
• CaO: Óxido de calcio
• P₂O₅: Pentaóxido de difósforo; Óxido de fósforo(V)
• SO₃: Trióxido de azufre; Óxido de azufre(VI)
• Cl₂O₇: Heptaóxido de dicloro; Óxido de cloro(VII)
• FeO: Monóxido de hierro; Óxido de hierro(II)
• Cr₂O₃: Trióxido de dicromo; Óxido de cromo(III)
• Br₂O: Monóxido de dibromo; Óxido de bromo(I)
• I₂O₅: Pentaóxido de diyodo; Óxido de yodo(V)
• Cl₂O₅: Pentaóxido de dicloro
• NO₂: Dióxido de nitrógeno
• Al₂O₃: Óxido de aluminio
• CdO: Óxido de cadmio
• P₂O₃: Óxido de fósforo(III)
• PbO₂: Óxido de plomo(IV)
• CoO: Óxido de cobalto(II)
• SO₂: Dióxido de azufre
• Ni₂O₃: Óxido de níquel(III)
• Sb₂O₅: Óxido de antimonio(V)
• HgO: Óxido de mercurio(II); Monóxido de mercurio
• TeO₃: Trióxido de teluro
• K₂O: Óxido de potasio
• Cl₂O: Óxido de dicloro
• Fe₂O₃: Trióxido de dihierro; Óxido de hierro(III)

Hidruros

• H₂S: Sulfuro de hidrógeno; Ácido sulfhídrico
• CH₄: Tetrahidruro de carbono; Metano
• HCl: Cloruro de hidrógeno; Ácido clorhídrico
• HI: Yoduro de hidrógeno; Ácido yodhídrico
• AlH₃: Hidruro de aluminio
• SiH₄: Silano; Tetrahidruro de silicio
• CaH₂: Hidruro de calcio
• LiH: Hidruro de litio
• FeH₂: Dihidruro de hierro; Hidruro de hierro(II)
• PH₃: Trihidruro de fósforo; Fosfina
• BaH₂: Hidruro de bario
• PbH₄: Tetrahidruro de plomo; Plumbano
• HBr: Bromuro de hidrógeno; Ácido bromhídrico
• N₂H₄: Tetrahidruro de dinitrógeno; Hidrazina
• ZnH₂: Hidruro de cinc
• HF: Fluoruro de hidrógeno; Ácido fluorhídrico
• SnH₄: Hidruro de estaño(IV); Estannano
• BH₃: Trihidruro de boro; Borano

Hidróxidos

• NaOH: Hidróxido de sodio
• Ca(OH)₂: Dihidróxido de calcio; Hidróxido de calcio
• Pt(OH)₄: Tetrahidróxido de platino; Hidróxido de platino(IV)
• NH₄OH: Hidróxido de amonio
• Ni(OH)₃: Trihidróxido de níquel; Hidróxido de níquel(III)

Sales y Otros Compuestos

• CaCl₂: Cloruro de calcio
• Fe₂S₃: Trisulfuro de dihierro; Sulfuro de hierro(III)
• CCl₄: Tetracloruro de carbono
• PCl₃: Tricloruro de fósforo
• CuBr₂: Dibromuro de cobre; Bromuro de cobre(II)
• MgS: Sulfuro de magnesio
• Na₂O₂: Peróxido de sodio
• NaCl: Cloruro de sodio
• Cr₂S₃: Trisulfuro de dicromo; Sulfuro de cromo(III)
• MgCl₂: Dicloruro de magnesio; Cloruro de magnesio
• NH₄Cl: Cloruro de amonio
• ZnS: Sulfuro de cinc
• CrCl₃: Tricloruro de cromo; Cloruro de cromo(III)
• AuBr: Bromuro de oro(I)
• PtO₂: Dióxido de platino; Óxido de platino(IV)