Estequiometria

Introducción

El estudio de la naturaleza cuantitativa de las fórmulas químicas y las reacciones químicas es conocida como estequiometria. A finales del siglo XVlll Antoine Lavoisier observó que la masa total de todas las sustancias presentes después de una reacción química es igual a la masa total antes de la reacción. Esta observación, conocida como ley de la conservación de la masa, es una de las leyes fundamentales del cambio químico. Con el advenimiento de la teoría atómica, los químicos comenzaron a entender las bases de esta ley: los átomos no se crean ni se destruyen durante ninguna reacción química. La misma colección de átomos está presente antes y después de una reacción. Los cambios que ocurren durante cualquier reacción sólo implican un reacomodo de los átomos.

La estequiometria es una herramienta indispensable en química y por lo tanto de la ingeniería química, una vez analizados los diversos tipos de reacciones se pueden estudiar los aspectos cuantitativos de las mismas ( la cantidad en las que estas reacciones forman productos), es decir; trata de los cambios matemáticos de fórmula molecular a fórmula- gramos, de fórmula-gramos a fórmula molecular, y de cuantitativamente, se requiera aplicar el conocimiento e las masas molares y el concepto de mol, éste se basa en el hecho de que los coeficientes estequiométricos en una ecuación química se interpretan como el numero de moles de moléculas de cada sustancia presentes en un sistema reaccionante. Problemas tan diversos como medir la concentración de ozono en la atmósfera, determinar el rendimiento potencial de oro e una mena o la evaluación de diferentes procesos para convertir carbón en combustibles gaseosos implican aspectos de estequiometria.

Principio

Una reacción química se produce cuando hay una modificación en la identidad química de las sustancias intervinientes; esto significa que no es posible identificar a las mismas sustancias antes y después de producirse la reacción química, los reactivos se consumen para dar lugar a los productos.

A escala microscópica una reacción química se produce por la colisión de las partículas que intervienen ya sean moléculas, átomos o iones, aunque puede producirse también por el choque de algunos átomos o moléculas con otros tipos de partículas, tales como electrones o fotones. Este choque provoca que las uniones que existían previamente entre los átomos se rompan y se facilite que se formen nuevas uniones. Es decir que, a escala atómica, es un reordenamiento de los enlaces entre los átomos que intervienen. Este reordenamiento se produce por desplazamientos de electrones: unos enlaces se rompen y otros se forman, sin embargo los átomos implicados no desaparecen, ni se crean nuevos átomos. Esto es lo que se conoce como ley de conservación de la masa, e implica los dos principios siguientes:

• El número total de átomos antes y después de la reacción química no cambia.

• El número de átomos de cada tipo es igual antes y después de la reacción.

Ecuación química

Una ecuación química es una representación escrita de una reacción química. Se basa en el uso de símbolos químicos que identifican a los átomos que intervienen y como se encuentran agrupados antes y después de la reacción.

Esto explica que se tienen dos oxígenos o moléculas de oxígeno, dos hidrógenos y una molécula de agua

Subíndices

Los subíndices indican la atomicidad, es decir la cantidad de átomos de cada tipo que forma cada agrupación de átomos (molécula). Así el primer grupo arriba representado, indica a una molécula que está formada por 2 átomos de oxígeno, el segundo a dos moléculas formadas por 2 átomos de hidrógeno, y el tercero representa a un grupo de dos moléculas formadas por 2 átomos de hidrógeno y uno de oxígeno, es decir dos moléculas de agua.

Coeficiente estequiométrico

Es un número que funciona en cierta forma como un multiplicador indicando el número de moléculas de un determinado tipo que participa en una ecuación química dada.

Balance de materia

Se dice que una ecuación química se encuentra ajustada, equilibrada o balanceada cuando respeta la ley de conservación de la materia, según la cual la cantidad de átomos de cada elemento debe ser igual del lado de los reactivos (antes de la flecha) y en lado de los productos de la reacción (después de la flecha).

Para balancear una ecuación, se deben ajustar los coeficientes, y no los subíndices. Esto es así porque cada tipo de molécula tiene siempre la misma composición, es decir se encuentra siempre formada por la misma cantidad de átomos, si modificamos los subíndices estamos nombrando a sustancias diferentes.

Balanceo por tanteo

El método de tanteo se basa simplemente en modificar los coeficientes de uno y otro lado de la ecuación hasta que se cumplan las condiciones de balance de masa. No es un método rígido, aunque tiene una serie de delineamientos principales que pueden facilitar el encontrar rápidamente la condición de igualdad.

• Se comienza igualando el elemento que participa con mayor estado de oxidación en valor absoluto.

• Se continúa ordenadamente por los elementos que participan con menor estado de oxidación

• Si la ecuación contiene oxígeno, conviene balancear el oxígeno en segunda instancia.

• Si la ecuación contiene hidrógeno, conviene balancear el hidrógeno en última instancia.

Balanceo por método algebraico

El método algebraico se basa en el planteamiento de un sistema de ecuaciones en la cual los coeficientes estequiométricos participan como incógnitas, procediendo luego despejar estas incógnitas. Es posible sin embargo que muchas veces queden planteados sistemas de ecuaciones con más incógnitas que ecuaciones, en esos casos la solución se halla igualando uno cualquiera de los coeficientes a 1 y luego despejando el resto en relación a él. Finalmente se multiplican todos los coeficientes por un número de modo tal de encontrar la menor relación posible entre coeficientes enteros.

Mol

El mol (símbolo: mol) es la unidad con que se mide la cantidad de sustancia, una de las siete magnitudes físicas fundamentales del Sistema Internacional de Unidades.

Dada cualquier sustancia (elemento o compuesto químico) y considerando a la vez un cierto tipo de entidades elementales que la componen, se define como un mol a la cantidad de esa sustancia que contiene tantas entidades elementales del tipo considerado, como átomos hay en 12 gramos de carbono-12. Esta definición no aclara a qué se refiere cantidad de sustancia y su interpretación es motivo de debates,1 aunque normalmente se da por hecho que se refiere al número de entidades, como parece confirmar la propuesta de que a partir del 2011 la definición se base directamente en el número de Avogadro (de modo similar a como se define el metro a partir de la velocidad de la luz).2

El número de unidades elementales –átomos, moléculas, iones, electrones, radicales u otras partículas o grupos específicos de éstas– existentes en un mol de sustancia es, por definición, una constante que no depende del material ni del tipo de partícula considerado. Esta cantidad es llamada número de Avogadro (NA)3 y equivale a:

Mezcla, proporciones y condiciones estequiométricas

Cuando los reactivos de una reacción están en cantidades proporcionales a sus coeficientes estequiométricos se dice que la mezcla es estequiométrica; los reactivos están en proporciones estequiométricas; la reacción tiene lugar en condiciones estequiométricas.

En estas condiciones, si la reacción es completa, todos los reactivos se consumirán dando las cantidades estequiométricas de productos correspondientes.

Si no en esta forma, existirá el reactivo limitante que es el que está en menor proporción y que con base en él se trabajan todos los cálculos.

Ejemplo:

¿Qué cantidad de oxígeno es necesaria para reaccionar con 100 gramos de carbono produciendo dióxido de carbono?

Masa atómica del oxígeno = 15,9994.

Masa atómica del carbono = 12,0107.

La ecuación química que representa la reacción química es:

Se tienen las siguientes equivalencias a partir de la reacción química y las masas atómicas citadas:

Esta última relación es consecuencia de la fórmula química del oxígeno molecular ( )

Entonces para determinar la masa de oxígeno podemos realizar los siguientes "pasos": determinamos las moles de átomos de carbono (primer factor), con estas moles fácilmente determinamos las moles de moléculas de oxígeno (segundo factor a partir de coeficientes de la ecuación química), y finalmente obtenemos la masa de oxígeno (tercer factor)

Realizadas las operaciones obtenemos:

Cálculos estequiométricos

Los cálculos estequiométricos se basan en las relaciones fijas de combinación que hay entre las sustancias en las reacciones químicas balanceadas. Estas relaciones están indicadas por los subíndices numéricos que aparecen en las fórmulas y por los coeficientes. Este tipo de cálculos es muy importante y se utilizan de manera rutinaria en el análisis químico y durante la producción de las sustancias químicas en la industria. Los cálculos estequiométricos requieren una unidad química que relacione las masas de los reactantes con las masas de los productos. Esta unidad química es el mol.

Cuando hablamos de "estequiometría", nos estamos refiriendo a una rama de la Química básica, en la que estamos usando la expresión escrita (ecuación química) de un proceso o fenómeno químico con el fin de hacer cálculos cuantitativos (en peso y/o volumen) sobre dicho proceso, que puedan utilizarse en un laboratorio o industria, generalmente para obtener una cantidad de producto puro; también se nos puede preguntar la cantidad (o cantidades respectivas) de los reactivos necesarios para una determinada producción.

Según en el ámbito en que nos movamos, las sustancias de partida (los reactivos) se encontrarán en estado puro (caso de los laboratorios químicos de cierto nivel) o impurificados (caso de la industria en general). Este dato deberá tenerse muy en cuenta al realizar los cálculos, ya que -en la ecuación química- trataremos con especies químicas puras, concretamente con sus fórmulas químicas, que (como es lógico) se refieren a moléculas concretas y no a mezclas o disoluciones.

-Por tanto, el primer paso para estudiar la estequiometría de una reacción es escribir correctamente tanto los reactivos como los productos del proceso total, especificando su estado físico (sólido, líquido, gas, disolución), su grado de pureza, y las condiciones ambientales (presión dentro del recipiente, temperatura, a veces grado de humedad, etc.).

-Un segundo paso es ajustar (balancear) químicamente la ecuación, tal como se ha expresado en apartados anteriores.

-Dentro de este algoritmo, el siguiente paso es tener en cuenta la pureza de las especies, para usar cantidades puras.

-Cuarto paso: Expresar los datos cuantitativos del problema propuesto en unidades químicas, es decir, en moles.

-La quinta etapa consiste en establecer una relación molar (mediante la ecuación química) y resolver la proporción (que en casi todos los casos será de tipo elemental).

-Por último, se convierte el número de moles calculado, a la unidad cuantitativa pedida en el problema (gramos, litros, etc.)

Conclusión

La Estequiometría nos sirve para calcular y conocer la cantidad de materia de los productos que se forma a partir de los reactivos.

Ahora bien, la estequiometría es de gran importancia para los procesos químicos, lo que la hace una herramienta indispensable, pues nos permite realizar los cálculos necesarios para determinar la masa de cada una de las materias primas que deben mezclarse y reaccionar, para obtener una masa determinada de producto. Además, problemas tan diversos, como por ejemplo, la medición de la concentración de ozono en la atmósfera, el control de la lluvia ácida, la determinación del grado de contaminación de un río, la cuantificación de la clorofila de una planta, el análisis bromatológico de un fruto, etc.

También se puede decir que, los gases ideales son sistemas que contienen números enormes de átomos o moléculas, y la única forma razonable de comprender sus propiedades térmicas con base en la mecánica molecular, es encontrar determinadas cantidades dinámicas de tipo promedio y relacionar las propiedades físicas observadas del sistema con estas propiedades dinámicas moleculares en promedio.

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