Unidades Químicas y Masa Atómica

Las unidades químicas se dividen en dos categorías principales que usamos dependiendo de lo que queremos medir. Las unidades macroscópicas son las que utilizamos en la vida diaria como miligramos, gramos y libras. Por otro lado, las unidades microscópicas son específicas de la química: masa atómica, masa molecular y mol.

La masa atómica se define como una masa exactamente igual a 1/12 de la masa del isótopo del carbono-12. Esta unidad nos permite comparar las masas relativas de los diferentes elementos. Por ejemplo, cuando un elemento tiene varios isótopos, calculamos una masa atómica promedio.

Veamos el caso del cloro: tiene dos isótopos principales $Cl-35 con masa 34,97 uma y abundancia 75,77$. Para calcular la masa atómica promedio del cloro multiplicamos cada masa por su abundancia relativa: mCl = (34,97 × 75,77)/100 + (36,97 × 24,23)/100 = 35,45 uma

💡 Dato clave: Las masas atómicas que usas en tus cálculos químicos son realmente promedios ponderados basados en la abundancia natural de los isótopos de cada elemento.

Masa Molecular y Concepto de Mol

La masa molecular es simplemente la suma de las masas atómicas promedio de todos los átomos que forman una molécula. Calcularla es bastante directo: multiplicas la masa atómica de cada elemento por el número de átomos de ese elemento y sumas todos los resultados.

Por ejemplo:

• Trióxido de dialuminio (Al₂O₃): (2 × 27 uma) + (3 × 16 uma) = 102 uma
• Ácido sulfúrico (H₂SO₄): (2 × 1 uma) + (1 × 32 uma) + (4 × 16 uma) = 98 uma
• Dihidróxido de calcio $Ca(OH)₂$: (1 × 40 uma) + (2 × 16 uma) + (2 × 1 uma) = 74 uma

El mol es una unidad básica del sistema internacional que nos permite contar partículas microscópicas. Un mol contiene exactamente 6,02 × 10²³ partículas (conocido como el Número de Avogadro). Es importante entender que para cualquier elemento o compuesto: 1 mol = 6,02 × 10²³ átomos/moléculas = masa atómica/molecular en gramos

🔍 Recuerda: El mol funciona como una "docena" pero a escala química. Así como una docena siempre contiene 12 unidades (ya sean huevos o lápices), un mol siempre contiene 6,02 × 10²³ partículas (ya sean átomos de hidrógeno o moléculas de agua).

Cálculos con Moles - Parte 1

Ahora que entendemos qué es un mol, ¿cómo lo usamos para resolver problemas químicos? Veamos algunos ejemplos prácticos que te ayudarán a dominar los cálculos:

Para convertir entre gramos y moles, usamos la masa molar $masa atómica/molecular en gramos$. Por ejemplo, para calcular cuántas moles hay en 25g de hierro (Fe):

• La masa molar del Fe es 56g/mol
• Convertimos: 25g Fe × $1 mol Fe/56g Fe$ = 0,4 mol Fe

También podemos calcular la masa conociendo el número de átomos. Por ejemplo, para determinar la masa de 3,01 × 10²³ átomos de sodio (Na):

• Comparamos con el número de Avogadro: (3,01 × 10²³ átomos Na × 23g)/(6,02 × 10²³ átomos Na) = 11,5g Na

En otro ejemplo, si queremos calcular las moles en 1000g de NaOH:

• La masa molar del NaOH es 40g/mol
• Convertimos: 1000g NaOH × $1 mol NaOH/40g NaOH$ = 25 mol NaOH

🧪 Consejo práctico: Para resolver estos problemas con facilidad, siempre recuerda armar una proporción con las unidades que conoces. Esto te ayudará a identificar dónde multiplicar y dónde dividir para conseguir el resultado correcto.

Cálculos con Moles - Parte 2

Continuando con ejemplos prácticos, veamos cómo calcular el número de moléculas en una muestra. Si tenemos 25,0g de HCl:

• La masa molar del HCl es 36,46g/mol
• Convertimos: (6,02 × 10²³ moléculas × 25,0g)/36,46g = 4,13 × 10²³ moléculas de HCl

Ahora practiquemos con algunos ejercicios para reforzar lo aprendido:

Para calcular las moles en 7g de nitrógeno atómico (N):

• La masa molar del N es 14g/mol
• Convertimos: 7g × $1 mol/14g$ = 0,5 mol de N

Para determinar las moles en 32g de azufre (S):

• La masa molar del S es 32g/mol
• Convertimos: 32g × $1 mol/32g$ = 1 mol de S

Para encontrar las moles en 88g de titanio (Ti):

• La masa molar del Ti es 47,9g/mol
• Convertimos: 88g × $1 mol/47,9g$ = 1,84 mol de Ti

⚠️ Atención: Al hacer estos cálculos, asegúrate siempre de verificar tus unidades para comprobar que se cancelen correctamente. Este paso simple te ahorrará muchos errores en tus evaluaciones.

Cálculos Átomos-Masa

¿Cómo calcular el número de átomos en una muestra? Veamos algunos ejemplos:

Para 20g de neón (Ne):

• El número de Avogadro nos dice que hay 6,02 × 10²³ átomos en 20g de Ne
• Por lo tanto, en 20g de Ne hay 6,02 × 10²³ átomos

Para 80g de zirconio (Zr):

• La masa molar del Zr es 91,22g/mol
• Convertimos: 80g × $6,02 × 10²³ átomos/91,22g$ = 5,28 × 10²³ átomos de Zr

Para 320g de carbono (C):

• La masa molar del C es 12g/mol
• Convertimos: 320g × $6,02 × 10²³ átomos/12g$ = 1,60 × 10²⁵ átomos de C

Y ahora al revés, calculando la masa a partir del número de átomos:

Para 3,01 × 10²⁴ átomos de hidrógeno (H):

• Convertimos: (3,01 × 10²⁴ átomos × 1g)/(6,02 × 10²³ átomos) = 5g (considerando H₂, serían 10g)

Para 3,5 moles de cloro gaseoso (Cl₂):

• La masa molar del Cl es 35,45g/mol
• Para Cl₂: 3,5 mol × $70,9g/mol$ = 248,15g

🔄 Truco de conversión: Siempre puedes usar el "triángulo" de conversión entre masa (g), moles (mol) y partículas (átomos o moléculas). Solo necesitas dos valores para encontrar el tercero.

Cálculos con Compuestos

Los cálculos con compuestos siguen la misma lógica, pero primero debemos calcular la masa molar sumando las masas de todos los átomos que lo componen:

Para calcular moles en 50g de diferentes compuestos:

CaSO₄:

• Masa molar: 40g + 32g + (16g × 4) = 136g
• Convertimos: 50g × $1 mol/136g$ = 0,37 mol de CaSO₄

H₂O:

• Masa molar: (1g × 2) + 16g = 18g
• Convertimos: 50g × $1 mol/18g$ = 2,78 mol de H₂O

NaOH:

• Masa molar: 23g + 16g + 1g = 40g
• Convertimos: 50g × $1 mol/40g$ = 1,25 mol de NaOH

KMnO₄:

• Masa molar: 39g + 55g + (16g × 4) = 158g
• Convertimos: 50g × $1 mol/158g$ = 0,32 mol de KMnO₄

🧮 Simplifica tus cálculos: Una forma práctica de resolver estos problemas es plantear una proporción donde X sea la incógnita que buscas. Así: $1 mol/masa molar$ = $X mol/masa dada$.

Cálculos Avanzados con Compuestos

Calculando moles para compuestos más complejos:

Fe(OH)₃:

• Masa molar: 56g + (16g × 3) + (1g × 3) = 107g
• Convertimos: 50g × $1 mol/107g$ = 0,47 mol de Fe(OH)₃

Para calcular la masa de compuestos a partir del número de moléculas:

3,01 × 10²⁴ moléculas de Ni₂O₃:

• Masa molar: (59g × 2) + (16g × 3) = 166g
• Convertimos: (3,01 × 10²⁴ moléculas × 166g)/(6,02 × 10²³ moléculas) = 830g

0,0005 moles de SO₂:

• Masa molar: 32g + (16g × 2) = 64g
• Convertimos: 0,0005 mol × $64g/1 mol$ = 0,032g

3,01 × 10²² moléculas de Fe₂O₃:

• Masa molar: (56g × 2) + (16g × 3) = 160g
• Convertimos: (3,01 × 10²² moléculas × 160g)/(6,02 × 10²³ moléculas) = 8g

🔬 Aplicación práctica: Estos cálculos son fundamentales en el laboratorio para preparar soluciones con concentraciones específicas y determinar cantidades exactas de reactivos necesarios para experimentos.

Comparaciones de Masa en Compuestos

En ocasiones necesitamos comparar masas entre diferentes compuestos para determinar cuál contiene más materia. Veamos cómo hacerlo:

1,05 moles de ácido sulfúrico (H₂SO₄):

• Masa molar: (1g × 2) + 32g + (16g × 4) = 98g
• Convertimos: 1,05 mol × $98g/1 mol$ = 102,9g

Ahora, comparemos la masa de:

a) 7 moles de H₃PO₄:

• Masa molar: (1g × 3) + 31g + (16g × 4) = 98g
• Convertimos: 7 mol × $98g/1 mol$ = 686g

b) 6,02 × 10²³ moléculas de CaCO₃:

• Masa molar: 40g + 12g + (16g × 3) = 100g
• Cantidad: 1 mol = 100g

c) 0,5 moles de H₂SO₄:

• Masa molar: 98g
• Convertimos: 0,5 mol × $98g/1 mol$ = 49g

Comparando las masas: 686g > 100g > 49g, por lo que 7 moles de H₃PO₄ tienen la mayor masa.

🏆 Estrategia ganadora: Para comparar masas entre diferentes compuestos, siempre conviértelos a la misma unidad (gramos). Así podrás determinar fácilmente cuál tiene mayor cantidad de materia.