Fórmula molecular

La figura muestra un ejemplo de un espectro de rsonancia magnética nuclear del protón.

La fórmula molecular es la verdadera fórmula de una sustancia compuesta y, por tanto, nos indica la relación real entre los átomos que constituyen a la molécula de la sustancia compuesta.

La fórmula molecular puede ser determinada utilizando métodos instrumentales como, por ejemplo, espectrometría de masas, resonancia magnética del protón, espectroscopia infrarrojo, UV, difracción de rayos X o la combinación de varias de ellas, pero también se pueden utilizar métodos clásicos de análisis como volumetría o gravimetría.

Para determinar la fórmula molecular, a partir de la composición centesimal de una sustancia, es requerido:

1. Conocimiento de la composición centesimal o composición porcentual
2. Conocimiento de la masa molar que se puede determinar mediante espectrometría de masas, propiedades coligativas (ebulloscopía, crioscopía, osmometría y descenso en la presión de vapor), método de Jean Dumas, Victor Meyer, densidades límites y otros.
3. Conocimiento de las masas atómicas o masas molares de los elementos que forman la fórmula.
4. Se puede utilizar la fórmula empírica, pero no es prescindible.

Por ejemplo, para una sustancia hipotética de fórmula A_xB_yC_z, los subíndices x, y, z, se determinan aplicando las siguientes expresiones:

x = (% de A . M_m del compuesto)/(100 . M_m de A)

y = (% de B . M_m del compuesto)/100 . M_m de B)

z = (% de C . M_m del compuesto)/(100 . M_m de C)

Actividad: 

Justifique las tres fórmulas anteriores.

http://encina.pntic.mec.es/~jsaf0002/p43.htm

Nota complementaria

La fórmula empirica representa una unidad de la verdadera fórmula de una sustancia, es decir, la unidad más simple que se repite n veces en la fórmula molecular. Por ejemplo, la verdadera fórmula del benceno es C6H6. La unidad más simple de esta fórmula que se repite 6 veces en el benceno es  CH. CH es la fórmula empírica del benceno. Por tanto, al multiplicar la fórmula empírica por el número de veces que se repite se obtiene la fórmula molecuar [6(CH) = C₆H₆].
El  propeno posee la fórmula molecular C₃H₆. La fórmula empírica del propeno es CH₂ que se repite 3 veces en la fórmula molecular y, por tanto, 3(CH₂)= C₃H₃

De acuerdo con los ejemplos dados, la masa molar de la fórmula molecular dividida entre la masa molar de la fórmula empírica es un número entero (n), es decir, la masa molar de la fórmula molecular es un múltiplo de la masa molar de la fórmula empírica. En algunos casos, al utilzar datos empíricos no se obtiene un número entero para n, pero se redondea al número entero más próximo.
Para calcular n se aplica la siguiente fórmula.

n = Masa molar de la fórmula molecular/Masa molar de la fórmula empírica.

Calculamos primero la fórmula empírica y su masa molar, y después calculamos n aplicando la fórmula anterior. Normalmente se conoce la masa molar de la fórmula molecular. Obtenido el valor de n, multiplicamos la fórmula empírica por n para obtener la fórmula molecular. Consideremos el siguiente ejemplo.💡

La composición centesimal de cierto compuesto es 85,6% de C y 14,4% de H. Si la masa molar (Mm) del compuesto es 28,054 g/mol, calcular la fórmula empírica y molecular.

MÉTODO I. Cálculo de la fórmula molecular pasando por el cálculo de la fórmula empírica.

1. Calculamos los moles de átomos de cada elemento por 100 g muestra.
nC = (85,6 g C/100 g muestra)/(mol C/12,011 g C) = 7,13 mol C/100 g muestra.
nH = (14,4 g H/100 g muestra)/(mol H/1,0079 g H) = 14, 3 mol H/100 g muestra.
2. Determinamos la proporción más simple en las que se combinan H y C.
nH/nC = (14,3 mol H/100 g muestra)/(7,13 mol C/100 g muestra) = 2,01 mol H/mol C ~ 2 mol H/mol C. 
3. Determinamos la fórmula empírica: CH₂
4. Calculamos la Mm de la fórmula empírica.
Mm de la fórmula empírica = 12,011g/mol + 2 x 21,0079 g/mol = 14,027 g/mol.
5. Calculamos el valor de n.
n = (28,054 g/mol)/(14,027 g/mol) = 2
6. Determinamos la fórmula molecular multiplicando la fórmula empírica por 2.
                      2(CH2) = C₂H₄ (eteno)🎯

MÉTODO II. Cálculo directo de la fórmula molecular.

Cálculo de los moles de C.
nC = (85,6 g C/100 g muestra)(28,054 g muestra/mol muestra)/(12,011 g C/mol C) = 1,99 mol C /mol muestra ~ 2 mol C/mol muestra
Cálculo de los moles de H.
nH = (14,4 g H/100 g muestra)(28,054 g muestra/mol muestra)/(1,0079 g H/mol H) = 4,01mol H/mol muestra ~ 4 mol H/mol muestra. 
Se combinan 2mol de C por mol 4 mol de H.
La fórmula molecular = C₂H₄(eteno)🆗

Fórmula empírica

La fórmula empírica es la fórmula que expresa la relación más simple entre sus átomos constituyentes y, por tanto, no es la verdadera fórmula del compuesto, pero a partir de ella es posible obtener la fórmula molecular o verdadera fórmula del compuesto. La determinación de la fórmula empírica se realiza a partir de datos obtenidos mediante análisis químico. Consideremos, por ejemplo, los resultados obtenidos mediante análisis químico para un compuesto desconocido.

• masa de carbono = 0,8180 g, masa de hidrógeno = 0,1370 g y masa de oxígeno = 0,5450 g.

Las etapas que debemos  seguir para encontrar la fórmula empírica a partir de estos datos son:
1. Determinamos la cantidad (de acuerdo con SI el término cantidad se refiere a mol) de cada elemento constituyente del compuesto.

• mol de C = masa de carbono/Masa atómica del carbono = 0,8180 g/12,011 gmol^-1 = 0,06810
• mol de H = masa de hidrógeno/Masa atómica del hidrógeno = 0,1370 g/1,0079 gmol^-1 = 0,1359
• mol de oxígeno = masa de oxígeno/Masa atómica del oxígeno = 0,5450 g/15,9994 gmol^-1 = 0,03406

2. Determinamos la relación más simple. Esto lo podemos hacer dividiendo el menor valor entre si mismo y los otros valores entre el menor. En realidad, se debe buscar el máximo común divisor de todos los valores (m. c. d) y dividir todos los valores entre el m. c. d, pero para un gran número de situaciones se puede operar como se indicó primero.

• relación: mol de C/mol de oxígeno = 0,06810/0,03406=1,999 aproximado a 2
• relación: mol de H/mol de oxígeno = 0,1359/0,03406 = 3,990 aproximado a 4
• relación: mol de O/mol de oxígeno = 0,03406/0,03406 = 1,000 ó 1

3. Determinamos la fórmula empírica.

• C₂H₄O

Nota: Si los resultados del análisis químico se reportan en composición centesimal o en porcentaje, podemos aplicar el mismo procedimiento anterior, pero la cantidad es referida a 100 g de muestra. Al obtener la relación más simple y al estar todas las cantidades referidas a 100 g de muestra ésta se cancela obteniéndose el mismo resultado:

• mol de A/ 100 g de muestra = %A/ Masa atómica de A
• mol de B/100 g de muestra = %B/Masa atómica de B
• mol de C/100 g de muestra = %C/Masa atómica de C

Relación más simple: asumiendo la primera como la de menor cantidad, dividimos la primera entre si mismo y todas las otras entre la primera. 

• (mol de B/100 g de muestra)/(mol de A/100 g de muestra) = mol de B/mol de A
• (mol de C/100 g de muestra)/(mol de A/100 g de muestra) = mol de C/mol de A
• (mol de A/ 100 g de muestra)/(mol de A/100 g de muestra) = 1

Fórmula química

Es la representación esquemática de una sustancia compuesta, una molécula o un ion poliatómico y consiste de un ensamblaje de símbolos con subíndices que representan las proporciones molares de cada elemento dentro de la fórmula. El subíndice también representa el número de átomos del elemento bajo consideración en una molécula del compuesto o en un ion. Por ejemplo, hay seis átomos de hidrógeno por molécula de benceno, seis mol de átomos de hidrógeno por mol de moléculas de benceno, seis mol de átomos de hidrógeno por seis mol de átomos de carbono en un mol de moléculas de benceno o seis átomos de carbono por seis átomos de hidrógeno en una molécula de benceno.

Ejemplos:

Na₂SO₄ (tetraoxosulfato de disodio, sulfato de sodio...

C₆H₆ (benceno)

PO₄^3- [ion tetraoxofosfato(3-)...]

http://www.babylon.com/definition/Chemical_Formula/English

http://www.answers.com/topic/chemical-formula

http://www.iupac.org/dhtml_home.html

Eutéctico

 

Es un término que se aplica a una mezcla formada por dos o más sustancias y posee la menor temperatura de fusión que los componentes de la mezcla.

El diagrama corresponde a dos sólidos solubles en estado líquido e insolubles en estado sólido. En este diagrama, T_A es la temperatura de fusión de la sustancia A (x=0), T_B es la temperatura de fusión de la sustancia B (x=1). En el eje X, se representan las fracciones molares de diversas mezclas de A y B. En lugar de las fracciones molares, se pueden utilizar los porcentajes en masa o las fracciones masa de A y B. 

Como podemos apreciar, el diagrama está formado por cuatro regiones. En la región superior, se encuentran los dos sólidos fundidos o fase líquida (L). A la derecha el sólido B(s) está en equilibrio con la mezcla líquida, es decir, B(s)+L. En la izquierda, se encuentra la región A(s)+L, el sólido A(s) está en equilibrio con la mezcla líquida. La región inferior la forman A(s)+B(s). En el punto eutéctico (E), la composición del líquido en equilibrio con las dos fases sólidas se denomina composición eutéctica. La solución con la composición eutéctica está en equilibrio con los sólidos A(s) y B(s). El punto eutéctico está representado en la figura con la letra roja (E). La temperatura eutéctica permanece constante hasta la transformación de la fase líquida en los sólidos A(s) y B(s), es decir, L-->A(s)+B(s). El eutéctico es un punto invariante en un diagrama a presión constante. Cualquier composición sobre la línea eutéctica tendrá la misma temperatura de solidificación. Mezclas de A y B a la temperatura eutéctica y con composición superior a la eutéctica tendrá al sólido B(s) en equilibrio con la solución eutéctica, pero a la temperatura eutéctica y a una composición inferior a la eutéctica tendrá al sólido A(s) en equilibrio con la solución eutéctica.  Cualquier temperatura debajo de la temperatura eutéctica representa un estado formado solamente por A(s) y B(s). 

Consideremos, por ejemplo, el enfriamiento de una mezcla fundida de A y B a lo largo de la línea a1-a5. En a1, existe una mezcla fundida de A y B. En a2, empieza a separarse B(s) de la mezcla líquida. a3 está en la región de dos fases, y coexisten en equilibrio B(s) y la mezcla líquida. La relación entre las cantidades de B(s) y la mezcla líquida está dada por el segmento que une b con a3 y conecta con C en el eje vertical de B puro (se aplica la regla de la palanca para calcular el porcentaje de cada fase). En a4 se alcanza la menor temperatura a la cual la mezcla es líquida. El sólido B(s) se encuentra en equilibrio con la solución residual, que posee la composición del eutéctico.  En a5, la mezcla se enfría y se separan simultáneamente los dos sólidos A(s)+B(s), debido a que son insolubles. 

Los diagramas de Sb-Pb, Si-Al, Be-Si, AgCl-KCl, Bi-Cd...son del tipo mostrado en la figura. La mayor aplicación de estos sistemas es para la separación y purificación de especies sólidas, estudio de formación de minerales, sistemas geológicos, en el estudios de aleaciones y compuestos intermetálicos.

Entropía

La entropía (S) puede ser utilizada como un criterio para indicar la reversibilidad o irreversibilidad. Un proceso irreversible va acompañado con un aumento de la entropía, mientras uno reversible carece de aumento de entropía, es decir, cualquier proceso natural va acompañado con un aumento de entropía. La entropía también indica el desorden molecular. En los gases el desorden molecular es mayor que en los líquidos y los sólidos y, por tanto, los gases poseen mayor valor de entropía que los líquidos y los sólidos. Por ejemlo, metanol líquido posee un valor de entropía molar de 126,8 J/K mol a 298,15 K y 101325 Pa, mientras la entropía molar de matanol gas es 239,7 J/K mol a las mismas condiciones de temperatura y presión. En forma diferencial, la entropía se define mediante la siguiente expresión,

dS = dQ_reversible/T

Para calcular la variación de entropía en un proceso no adiabático, la transferncia de calor entre el sistema y el entorno o viceversa debe ser reversible. En un ciclo reversible la variación de entropía es cero y, por tanto, la entropia es una función de estado.

El cambio de entropía en un proceso adiabático reversible es cero, pero en uno adiabático irreversible es mayor de cero.

• La segunda ley de la termodinámica nos indica que cualquier proceso real va acompañado con un aumento de la entropía del sistema y de su medio circundante, es decir, la entropía del universo aumenta en un proceso irreversible, mientras en uno reversible permanece constante.

(S₂ - S₁)_universo = (S₂ - S₁)_sistema + (S₂ - S₁)_entorno

(S₂ - S₁)_universo = 0 para un proceso reversible

(S₂ - S₁)_universo > 0 para un proceso irreversible

• La tercera ley de la termodinámica nos indica que la entropía molar de un elemento puro o una sustancia en su estado cristalino perfecto es cero en el cero absoluto y a 101325 Pa.
• La entropía es una función de la presión, volumen y temperatura. Para gases ideales, las expresiones para calcular el cambio de entropía cuando son sometidos a variaciones de P, V y T son:

S₂ - S₁ = n C_V,m Ln (T₂/T₁) + n R Ln (V₂/V₁)

S₂ - S₁ = n C_p,m Ln (T₂/T₁) - n R Ln (P₂/P₁)

• Aplicación: Un gas ideal es sometido al proceso cíclico, indicado en la figura de arriba. La flecha indica el sentido del proceso o las etapas a las que se sometió el gas ideal. Prediga el signo de las magnitudes termodinámicas de energía interna, entalpia y entropía en cada una de las etapas A, B, C y D.

• Reflexión: ¿Está Ud. de acuerdo con el comentario que se realiza al final de la página que se localiza en el siguiente enlace? ¿Qué reflexiones puede realizar sobre otros contenidos de la página?

http://www.cec.uchile.cl/~roroman/pag_2/ENTROPIA.HTM

http://www.monografias.com/trabajos/termoyentropia/termoyentropia.shtml

http://en.wikipedia.org/wiki/Entropy

Biografía de Rudolf Clausius: http://es.wikipedia.org/wiki/Rudolf_Clausius

Entalpía

La entalpía (H) es una magnitud termodinámica que cambia cuando el sistema sufre una variación de presión, temperatura o ambas. Debido a que la entalpía no se conoce en valor absoluto, al hablar de entalpía nos referimos a un cambio o variación de entalpía. La entalpía de los gases ideales sólo depende de la temperatura, es decir, la presión no afecta los valores de entalpía de un gas ideal. La entalpía es una función de estado y, por tanto, en un proceso cíclico la suma de las variaciones de entalpía vale cero. Para un proceso a presión constante la variación de entalpía es igual al calor envuelto en el proceso (Q_p), es decir,

H₂ - H₁ = Q_p

La entalpía y la energía interna se relacionan mediante las siguientes expresiones:

H₂ - H₁ = U₂ - U₁ + P (V₂ - V₁) (presión constante)

H₂ - H₁ = U₂ - U₁ + (P₂V₂ - P₁V₁) (presión no constante)

Para un gas ideal

H₂ - H₁ = nC_p,m (T₂ - T₁)

U₂ - U₁ = nC_v,m(T₂ - T₁)

C_p,m es la capacidad calorífica molar a presión contate y C_v,m es la capacidad calorífica molar a volumen constante.

Para un gas ideal,

C_p,m - C_v,m = R

En un cambio de estado físico la variación de entalpía es constante

http://www.monografias.com/trabajos17/calorimetria/calorimetria.shtml

http://www.ausetute.com.au/enthchan.html

Enlace químico

El enlace químico es la forma mediante la cual se unen los átomos para formar especies moleculares e iónicas y también la forma de unión entre moléculas. Esta unión se realiza mediante fuerzas electrostáticas o por compartimiento o donación de electrones. En el siguiente esquema se representan los diferentes tipos de enlaces:

1. Enlace interatómico

• Iónico
• Covalente -> Normal, múltiple y dativo o coordinado
• Metálico

2. Enlace intermolecular

• Fuerzas de Van der Waals -> Dipolo-dipolo, dipolo-dipolo inducido y dipolo inducido-dipolo inducido
• Puente de hidrógeno

http://bdml.stanford.edu/twiki/bin/view/Main/InvestigationOfVanDerWaalsForce

http://www.visionlearning.com/library/module_viewer.php?mid=55&l=s

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/chemical/bond.html

http://laguna.fmedic.unam.mx/~evazquez/0403/van%20der%20waals.html

http://users.rcn.com/jkimball.ma.ultranet/BiologyPages/H/HydrogenBonds.html

Biografía de Van der Waals: http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1910/waals-bio.html