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Cálculos estequiométricos
Reacciones químicas y ecuaciones
Una reacción química es un proceso en el cual una sustancia (o sustancias) cambia para formar una o más sustancias diferentes. Las reacciones químicas se representan utilizando ecuaciones químicas. En una ecuación química se utilizan fórmulas químicas para representar a las sustancias iniciales denominadas reactivos y a las sustancias formadas como resultado de dicha reacción denominadas productos. Además se utiliza una flecha entre las fórmulas de los reactivos y de los productos, que significa “produce”, y signos “+” entre las fórmulas de los reactivos y de los productos. El signo a la izquierda significa “reacciona con” y a la derecha significa “junto a”. En una ecuación química se indica el estado físico de los reactivos y de los productos mediante las letras g, l, s y ac, escritas entre paréntesis, para indicar si las sustancias se encuentran en estado gaseoso, líquido, sólido y/o disueltas en solución acuosa, respectivamente. En forma general: Reactivos → Productos
De acuerdo con la ley de conservación de masa, las ecuaciones químicas tienen que estar balanceadas , es decir que el número de átomos de cada tipo de elemento en los reactivos y productos debe ser el mismo. En las reacciones químicas no se crean o destruyen átomos, se reordenan formando partículas diferentes. Por ejemplo el hidruro de sodio reacciona con el agua formando hidróxido de sodio y agua. El proceso se representa por la siguiente ecuación:
NaH (s) + H 2 O (l) → NaOH (ac) + H 2 (g)
A partir de la ecuación química propuesta, es posible observar que el número de átomos de cada elemento a cada lado de la flecha, coincide. En los casos en que los números de átomos no coinciden, hay que balancear la ecuación, por medio de coeficientes estequiométricos, para lo cual existen distintos métodos. Al hacerlo, es necesario tener en cuenta la siguiente clasificación:
- Reacciones en las que no hay cambios en el número de oxidación de los elementos, entre los reactivos y los productos. Las ecuaciones químicas de estas reacciones pueden igualarse por tanteo.
- Reacciones en las que hay cambios en los números de oxidación de los elementos. Este tipo de reacciones se denomina reacciones de óxido-reducción o reacciones redox. Para balancear las ecuaciones redox se utiliza el método ion-electrón.
Se denomina oxidación al proceso por el cual un átomo de un elemento pierde electrones, aumentando su número de oxidación. Se denomina reducción al proceso por el cual un átomo de un elemento gana electrones, disminuyendo su número de oxidación. Los procesos de oxidación y reducción siempre ocurren de manera simultánea (cuando una especie se reduce, otra necesariamente se oxida). Por lo tanto, una reacción redox implica la transferencia de electrones de la especie (átomo, molécula o ion) que se oxida a la especie que se reduce. Es importante saber, que un agente oxidante es aquella sustancia que se reduce y produce la oxidación de otra sustancia y un agente reductor es aquella sustancia que se oxida y produce la reducción de otra sustancia. Para saber si una especie se oxida o se reduce hay que tener en cuenta el número de oxidación de los todos los elementos que intervienen en la reacción, para lo cual se utilizan las reglas de asignación de los números de oxidación (unidad 2: uniones químicas). Por ejemplo, para determinar si la ecuación que se detalla a continuación representa un proceso redox, asignamos los números de oxidación de todos los elementos.
KMnO 4 (ac) + KCl (ac) + H 2 SO 4 (ac) → MnSO 4 (ac) + Cl 2 (g) + K 2 SO 4 (ac) + H 2 O (l) +1 +7 - 2 +1 - 1 +1 +6 - 2 +2 +6 - 2 0 +1 +6 - 2 +1 - 2
Se observa que se modifican los números de oxidación de los elementos cloro y manganeso. El Cl-^ del KCl se oxida a Cl 2 y el Mn del KMnO 4 se reduce a Mn2+^ en el MnSO 4. Por lo tanto, es una reacción de óxido-reducción.
Cálculos estequiométricos
La estequiometría es una rama de la química que trata las relaciones cuantitativas entre las sustancias involucradas en las reacciones químicas.
En toda ecuación química es importante: a) escribir las fórmulas de las sustancias de forma correcta y balancear la ecuación, en caso de que no esté balanceada. b) interpretar el significado de la ecuación. Los coeficientes estequiométricos, a nivel submicroscópico, indican el número de partículas (iones, átomos o moléculas) de cada sustancia que intervienen en la reacción y, a nivel macroscópico, el número de moles (cantidad de sustancia) de cada una. A partir de estos datos es posible establecer relaciones cuantitativas entre distintas magnitudes de las diferentes sustancias. Las relaciones estequiométricas que brindan las ecuaciones químicas son las que permiten realizar los cálculos correspondientes, por eso es importante interpretarlas y escribirlas.
3
3 - 1 - 1 118,6 dm 2,00atm
8,76mol.0,082atm.dm .K .mol. 330 K P
n.R.T V
Para el cálculo estequiométrico de un producto a partir de la masa de una muestra o mineral, es necesario determinar la masa de reactivo que se encuentra en la muestra o en el mineral a partir del porcentaje de pureza, pues lo que reacciona es la masa (pura) del reactivo.
La masa de la muestra, 800 g, no son solo MgCO 3 , sino que contiene otras sustancias denominadas impurezas, motivo por el cual se determina la masa de MgCO3.
100 g de muestra. “contiene” .92,0 g de MgCO 3 800 g de muestra. “contiene” .x = 736 g de MgCO 3 (puro)
Cálculo del volumen de gas
Ecuación balanceada
MgCO 3 (s) → CO 2 (g) + MgO (s)
Relaciones estequiométricas
1 mol 84,0 g
1 mol 44 ,0 g
1 mol 40,0 g
Datos del ejercicio e incógnita
800 g muestra 92,0 % pureza
¿V?
57,0 ºC
2,00 atm 736 g
con 84,0 g MgCO 3 “se obtiene” 1 mol de CO 2 736 g MgCO 3 “se obtienen” x= 8,76 moles de CO 2
Para determinar el volumen de gas, se utiliza la ecuación:
P. V = n. R. T
Reactivo limitante
El reactivo limitante es el reactivo que se consume primero en la reacción y que limita la cantidad de producto que se puede formar. Recordar que es conveniente realizar el cálculo de la cantidad de producto formado a partir del reactivo limitante. El cálculo del reactivo limitante se realiza siempre que se informen datos (masa, cantidad, volumen de sc) de por lo menos dos de los reactivos que intervienen en la reacción.
Por ejemplo determinar el reactivo limitante si se hacen reaccionar 47,5 g de flúor con 30,0 mL de agua (ρ= 1g/ mL) según la siguiente ecuación:
Ecuación balanceada
2 F 2 (g) + 2 H 2 O (l) → 4 HF (ac) + O 2 (g)
Relaciones estequiométricas
2 mol 76,0 g
2 mol 36,0 g
4 mol 1 mol
Datos del ejercicio 47,5 g 30 mL (ρ= 1g/mL)
Incógnita ¿Rvo limitante?
Dado que se informan datos de los dos reactivos, hay que determinar cuál es el reactivo limitante. Con 76,0 g de F 2 “reaccionan estequiométricamente” 36,0 g de H 2 O 47,5 g de F 2 “reaccionan estequiométricamente” x= 22,5 g de H 2 O
Conclusión, para que reaccionen los 47,5 g de F 2 se necesitan sólo 22,5 g de H 2 O de los 30,0 g de los que se dispone, por lo tanto sobra agua. En este caso el agua es el reactivo en exceso, y el F 2 es el reactivo limitante.
Rendimiento
El % de rendimiento indica la cantidad de producto que se obtiene en la práctica en relación a la cantidad teórica que debería obtenerse según la ecuación estequiométrica. La relación estequiométrica que brinda la ecuación, la cantidad, en moles, y/o la masa de los productos corresponde a un 100 % de rendimiento, es decir, es la máxima cantidad posible de producto que se puede obtener en la reacción. El rendimiento es un concepto que se aplica a los productos de la reacción, nunca a los reactivos. Para el cálculo del porcentaje de rendimiento, es posible utilizar la siguiente expresión:
. 100 masaocantidaddeproductoesperada
% Rtomasaocantidaddeproductoobtenida
