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:

   Masa molar de CH₄ = 12 + 4(1) = 16 g/mol Moles de CH₄ = 10/16 = 0,625 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 × 2 = 1,25 mol de O₂

3. Calculamos el volumen de O₂ en condiciones normales:

   V = n × 22,4 = 1,25 × 22,4 = 28 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:

   Masa molar de CaCO₃ = 40 + 12 + 3(16) = 100 g/mol Moles de CaCO₃ = 50/100 = 0,5 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 mol de CO₂

3. Calculamos el volumen de CO₂ en condiciones normales:

   V = n × 22,4 = 0,5 × 22,4 = 11,2 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:

   Masa molar de Zn = 65 g/mol Moles de Zn = 5/65 ≈ 0,077 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 mol de H₂

3. Calculamos el volumen de H₂ en condiciones normales:

   V = n × 22,4 = 0,077 × 22,4 ≈ 1,73 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:

   Masa molar de C₂H₅OH = 2(12) + 6(1) + 16 = 46 g/mol Moles de C₂H₅OH = 20/46 ≈ 0,435 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 × 3 = 1,305 mol de O₂

3. Calculamos el volumen de O₂ en condiciones normales:

   V = n × 22,4 = 1,305 × 22,4 ≈ 29,23 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:

   Masa molar de N₂ = 28 g/mol Moles de N₂ = 10/28 ≈ 0,357 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 × 2 = 0,714 mol de NH₃

3. Calculamos el volumen de NH₃ en condiciones normales:

   V = n × 22,4 = 0,714 × 22,4 ≈ 15,99 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:

   Masa molar de S = 32 g/mol Moles de S = 8/32 = 0,25 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 mol de SO₂

3. Calculamos el volumen de SO₂ en condiciones normales:

   V = n × 22,4 = 0,25 × 22,4 = 5,6 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:

   Masa molar de NaN₃ = 23 + 3(14) = 65 g/mol Moles de NaN₃ = 25/65 ≈ 0,385 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 × 3/2 ≈ 0,577 mol de N₂

3. Calculamos el volumen de N₂ en condiciones normales:

   V = n × 22,4 = 0,577 × 22,4 ≈ 12,92 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:

   Masa molar de C₃H₈ = 3(12) + 8(1) = 44 g/mol Moles de C₃H₈ = 15/44 ≈ 0,341 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 × 5 = 1,705 mol de O₂

3. Calculamos el volumen de O₂ en condiciones normales:

   V = n × 22,4 = 1,705 × 22,4 ≈ 38,20 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:

   Masa molar de Fe = 56 g/mol Moles de Fe = 12/56 ≈ 0,214 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 × 3/4 ≈ 0,161 mol de O₂

3. Calculamos el volumen de O₂ en condiciones normales:

   V = n × 22,4 = 0,161 × 22,4 ≈ 3,61 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:

   Masa molar de H₂ = 2 g/mol Moles de H₂ = 5/2 = 2,5 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 mol de Cl₂

3. Calculamos el volumen de Cl₂ en condiciones normales:

   V = n × 22,4 = 2,5 × 22,4 = 56 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.