Estequiometría con gases: ejercicios resueltos

La estequiometría con gases es una parte fundamental de la química que nos permite calcular las cantidades de reactivos y productos en una reacción química, especialmente cuando se trata de gases. Estos ejercicios están diseñados para ayudarte a comprender cómo aplicar la ecuación de estado de los gases ideales (PV=nRT) en diferentes contextos, como combustiones y descomposiciones.

Ejercicios resueltos

Ejercicio 1

Enunciado: Calcula el volumen de oxígeno necesario para quemar completamente 10 gramos de metano (CH₄) en condiciones normales.

Datos:

• Masa de CH₄ = 10 g
• Condiciones normales: 22,4 L/mol
• Reacción: CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O

Resolución paso a paso:

1. Calculamos los moles de CH₄:

   [ ext{Masa molar de CH₄} = 12 + 4(1) = 16 , ext{g/mol} ] [ ext{Moles de CH₄} = \frac{10}{16} = 0.625 , ext{mol} ]

2. Según la reacción, 1 mol de CH₄ requiere 2 moles de O₂. Por lo tanto, 0.625 moles de CH₄ requieren:

   [ 0.625 imes 2 = 1.25 , ext{mol de O₂} ]

3. Calculamos el volumen de O₂ en condiciones normales:

   [ V = n imes 22.4 = 1.25 imes 22.4 = 28 , ext{L} ]

Solución: Se necesitan 28 L de oxígeno.

Ejercicio 2

Enunciado: ¿Qué volumen de dióxido de carbono se produce al descomponer 50 g de carbonato de calcio (CaCO₃) en condiciones normales?

Datos:

• Masa de CaCO₃ = 50 g
• Condiciones normales: 22,4 L/mol
• Reacción: CaCO₃ → CaO + CO₂

Resolución paso a paso:

1. Calculamos los moles de CaCO₃:

   [ ext{Masa molar de CaCO₃} = 40 + 12 + 3(16) = 100 , ext{g/mol} ] [ ext{Moles de CaCO₃} = \frac{50}{100} = 0.5 , ext{mol} ]

2. Según la reacción, 1 mol de CaCO₃ produce 1 mol de CO₂. Por lo tanto, 0.5 moles de CaCO₃ producen:

   [ 0.5 , ext{mol de CO₂} ]

3. Calculamos el volumen de CO₂ en condiciones normales:

   [ V = n imes 22.4 = 0.5 imes 22.4 = 11.2 , ext{L} ]

Solución: Se producen 11.2 L de dióxido de carbono.

Ejercicio 3

Enunciado: Determina el volumen de hidrógeno producido al reaccionar 5 g de zinc con ácido clorhídrico en condiciones normales.

Datos:

• Masa de Zn = 5 g
• Condiciones normales: 22,4 L/mol
• Reacción: Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂

Resolución paso a paso:

1. Calculamos los moles de Zn:

   [ ext{Masa molar de Zn} = 65 , ext{g/mol} ] [ ext{Moles de Zn} = \frac{5}{65} \approx 0.077 , ext{mol} ]

2. Según la reacción, 1 mol de Zn produce 1 mol de H₂. Por lo tanto, 0.077 moles de Zn producen:

   [ 0.077 , ext{mol de H₂} ]

3. Calculamos el volumen de H₂ en condiciones normales:

   [ V = n imes 22.4 = 0.077 imes 22.4 \approx 1.73 , ext{L} ]

Solución: Se producen aproximadamente 1.73 L de hidrógeno.

Ejercicio 4

Enunciado: ¿Cuántos litros de oxígeno se necesitan para quemar completamente 20 g de etanol (C₂H₅OH) en condiciones normales?

Datos:

• Masa de C₂H₅OH = 20 g
• Condiciones normales: 22,4 L/mol
• Reacción: C₂H₅OH + 3O₂ → 2CO₂ + 3H₂O

Resolución paso a paso:

1. Calculamos los moles de C₂H₅OH:

   [ ext{Masa molar de C₂H₅OH} = 2(12) + 6(1) + 16 = 46 , ext{g/mol} ] [ ext{Moles de C₂H₅OH} = \frac{20}{46} \approx 0.435 , ext{mol} ]

2. Según la reacción, 1 mol de C₂H₅OH requiere 3 moles de O₂. Por lo tanto, 0.435 moles de C₂H₅OH requieren:

   [ 0.435 imes 3 = 1.305 , ext{mol de O₂} ]

3. Calculamos el volumen de O₂ en condiciones normales:

   [ V = n imes 22.4 = 1.305 imes 22.4 \approx 29.23 , ext{L} ]

Solución: Se necesitan aproximadamente 29.23 L de oxígeno.

Ejercicio 5

Enunciado: ¿Qué volumen de amoníaco (NH₃) se produce al reaccionar 10 g de nitrógeno con hidrógeno en condiciones normales?

Datos:

• Masa de N₂ = 10 g
• Condiciones normales: 22,4 L/mol
• Reacción: N₂ + 3H₂ → 2NH₃

Resolución paso a paso:

1. Calculamos los moles de N₂:

   [ ext{Masa molar de N₂} = 28 , ext{g/mol} ] [ ext{Moles de N₂} = \frac{10}{28} \approx 0.357 , ext{mol} ]

2. Según la reacción, 1 mol de N₂ produce 2 moles de NH₃. Por lo tanto, 0.357 moles de N₂ producen:

   [ 0.357 imes 2 = 0.714 , ext{mol de NH₃} ]

3. Calculamos el volumen de NH₃ en condiciones normales:

   [ V = n imes 22.4 = 0.714 imes 22.4 \approx 15.99 , ext{L} ]

Solución: Se producen aproximadamente 15.99 L de amoníaco.

Ejercicio 6

Enunciado: Calcula el volumen de dióxido de azufre (SO₂) producido al quemar 8 g de azufre en condiciones normales.

Datos:

• Masa de S = 8 g
• Condiciones normales: 22,4 L/mol
• Reacción: S + O₂ → SO₂

Resolución paso a paso:

1. Calculamos los moles de S:

   [ ext{Masa molar de S} = 32 , ext{g/mol} ] [ ext{Moles de S} = \frac{8}{32} = 0.25 , ext{mol} ]

2. Según la reacción, 1 mol de S produce 1 mol de SO₂. Por lo tanto, 0.25 moles de S producen:

   [ 0.25 , ext{mol de SO₂} ]

3. Calculamos el volumen de SO₂ en condiciones normales:

   [ V = n imes 22.4 = 0.25 imes 22.4 = 5.6 , ext{L} ]

Solución: Se producen 5.6 L de dióxido de azufre.

Ejercicio 7

Enunciado: ¿Qué volumen de nitrógeno se libera al descomponer 25 g de azida de sodio (NaN₃) en condiciones normales?

Datos:

• Masa de NaN₃ = 25 g
• Condiciones normales: 22,4 L/mol
• Reacción: 2NaN₃ → 2Na + 3N₂

Resolución paso a paso:

1. Calculamos los moles de NaN₃:

   [ ext{Masa molar de NaN₃} = 23 + 3(14) = 65 , ext{g/mol} ] [ ext{Moles de NaN₃} = \frac{25}{65} \approx 0.385 , ext{mol} ]

2. Según la reacción, 2 moles de NaN₃ producen 3 moles de N₂. Por lo tanto, 0.385 moles de NaN₃ producen:

   [ 0.385 imes \frac{3}{2} \approx 0.577 , ext{mol de N₂} ]

3. Calculamos el volumen de N₂ en condiciones normales:

   [ V = n imes 22.4 = 0.577 imes 22.4 \approx 12.92 , ext{L} ]

Solución: Se liberan aproximadamente 12.92 L de nitrógeno.

Ejercicio 8

Enunciado: Determina el volumen de oxígeno necesario para quemar 15 g de propano (C₃H₈) en condiciones normales.

Datos:

• Masa de C₃H₈ = 15 g
• Condiciones normales: 22,4 L/mol
• Reacción: C₃H₈ + 5O₂ → 3CO₂ + 4H₂O

Resolución paso a paso:

1. Calculamos los moles de C₃H₈:

   [ ext{Masa molar de C₃H₈} = 3(12) + 8(1) = 44 , ext{g/mol} ] [ ext{Moles de C₃H₈} = \frac{15}{44} \approx 0.341 , ext{mol} ]

2. Según la reacción, 1 mol de C₃H₈ requiere 5 moles de O₂. Por lo tanto, 0.341 moles de C₃H₈ requieren:

   [ 0.341 imes 5 = 1.705 , ext{mol de O₂} ]

3. Calculamos el volumen de O₂ en condiciones normales:

   [ V = n imes 22.4 = 1.705 imes 22.4 \approx 38.20 , ext{L} ]

Solución: Se necesitan aproximadamente 38.20 L de oxígeno.

Ejercicio 9

Enunciado: ¿Cuántos litros de oxígeno se necesitan para oxidar completamente 12 g de hierro en condiciones normales?

Datos:

• Masa de Fe = 12 g
• Condiciones normales: 22,4 L/mol
• Reacción: 4Fe + 3O₂ → 2Fe₂O₃

Resolución paso a paso:

1. Calculamos los moles de Fe:

   [ ext{Masa molar de Fe} = 56 , ext{g/mol} ] [ ext{Moles de Fe} = \frac{12}{56} \approx 0.214 , ext{mol} ]

2. Según la reacción, 4 moles de Fe requieren 3 moles de O₂. Por lo tanto, 0.214 moles de Fe requieren:

   [ 0.214 imes \frac{3}{4} \approx 0.161 , ext{mol de O₂} ]

3. Calculamos el volumen de O₂ en condiciones normales:

   [ V = n imes 22.4 = 0.161 imes 22.4 \approx 3.61 , ext{L} ]

Solución: Se necesitan aproximadamente 3.61 L de oxígeno.

Ejercicio 10

Enunciado: Calcula el volumen de cloro necesario para reaccionar completamente con 5 g de hidrógeno en condiciones normales.

Datos:

• Masa de H₂ = 5 g
• Condiciones normales: 22,4 L/mol
• Reacción: H₂ + Cl₂ → 2HCl

Resolución paso a paso:

1. Calculamos los moles de H₂:

   [ ext{Masa molar de H₂} = 2 , ext{g/mol} ] [ ext{Moles de H₂} = \frac{5}{2} = 2.5 , ext{mol} ]

2. Según la reacción, 1 mol de H₂ requiere 1 mol de Cl₂. Por lo tanto, 2.5 moles de H₂ requieren:

   [ 2.5 , ext{mol de Cl₂} ]

3. Calculamos el volumen de Cl₂ en condiciones normales:

   [ V = n imes 22.4 = 2.5 imes 22.4 = 56 , ext{L} ]

Solución: Se necesitan 56 L de cloro.

Errores frecuentes

1. No ajustar correctamente las ecuaciones químicas: Asegúrate de que la ecuación esté balanceada antes de realizar cualquier cálculo.
2. Confundir las condiciones normales con otras condiciones: Recuerda que las condiciones normales son 22,4 L/mol.
3. Errores en el cálculo de moles: Verifica siempre las masas molares y los cálculos de moles para evitar errores.