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I. ESTEQUIOMETRÍA
Objetivo : Reconocerá la trascendencia de la determinación de las cantidades de reactivos y productos involucrados en una reacción química valorando la importancia que tiene este tipo de cálculos en el análisis cuantitativo de procesos que tienen repercusiones socioeconómicas y ecológicas, con una actitud crítica y responsable.
1. Introducción a la Estequiometría
Sugerencia: Para estudiar con éxito esta unidad, es necesario que domine los contenidos de Reacciones Químicas del curso “Fundamentos de Química”, por lo que es muy recomendable que lo repase.
Método de relación molar La ESTEQUIOMETRÍA. Es la parte de la química que estudia las relaciones cuantitativas entre las sustancias que intervienen en una reacción química (reactivos y productos).
Estas relaciones pueden ser:
mol-mol mol-gramos gramos-gramos mol-volumen volumen-gramos volumen-volumen Las relaciones pueden ser: entre reactivos y productos, sólo entre reactivos o sólo entre productos.
Cualquier cálculo estequiométrico que se lleve a cabo, debe hacerse en base a una ecuación química balanceada , para asegurar que el resultado sea correcto.
La parte central de un problema estequiométrico es el FACTOR MOLAR cuya fórmula es:
Los datos para calcular el factor molar se obtienen de los COEFICIENTES EN LA ECUACIÓN BALANCEADA.
La sustancia deseada es la que se presenta como la incógnita y que puede ser en moles, gramos o litros; la sustancia de partida se presenta como dato y puede ser en: moles, gramos o litros.
Para diferenciar el factor molar de los factores de conversión, se utilizan [corchetes] para indicar el factor molar y (paréntesis) para los factores de conversión.
2. Cálculos estequiométricos 2.1 Cálculos mol-mol. En este tipo de relación la sustancia de partida está expresada en moles, y la sustancia deseada se pide en moles.
En los cálculos estequiométricos los resultados se reportan redondeándolos a dos decimales. Igualmente, las masas atómicas de los elementos, deben utilizarse redondeadas a dos decimales.
Recordando: Para redondear con dos decimales, usamos como base el tercer decima l. Si este es mayor o igual a 5, aumentamos una unidad al segundo decimal; si es menor o igual a 4 se conservara la cifra del segundo decimal.
10.54 mol de Al
Sustancia deseada: Al (mol)
Sustancia de partida:
El dato proporcionado es 5.27 mol de óxido de aluminio (Al 2 O 3 ) por lo tanto, esta es la sustancia de partida. Se anota la fórmula y entre paréntesis el dato.
Sustancia de partida: Al 2 O 3 (5.27 mol)
PASO 3
Aplicar el factor molar.
Las moles de la sustancia deseada y la de partida los obtenemos de la ecuación balanceada.
Se simplifica mol de Al 2 O 3 y la operación que se realiza es^5.^272 (^4 ) =
Se sugiere que el resultado final se enmarque. La respuesta es:
. b) ¿Cuántas moles de oxígeno (O 2 ) reaccionan con 3.97 moles de Al? PASO 1: La ecuación está balanceada
2.98 mol de O 2
PASO 2:
Sustancia deseada: O 2 (mol) Sustancia de partida: Al (3.97 mol)
PASO 3: Aplicar el factor molar De acuerdo a la ecuación que estamos utilizando:
Simplificamos mol de Al y resolviendo la operación 3. 974 ( 3 ) ====2.9775, redondeando a dos decimales, la respuesta es
2.2 Cálculos mol-ramo 2.3 Cálculos gramo-gramo Ejemplos:
1. Para la ecuación mostrada calcule:
a) Mol de Mg(OH) 2 (hidróxido de magnesio) que se producen a partir de 125 g de agua. b) Gramos de Mg 3 N 2 (nitruro de magnesio) necesarios para obtener 7.11 mol de NH 3 (amoniaco).
Ahora como ya tenemos el dato de la sustancia de partida en moles, podemos aplicar el factor molar. Recuerde que los datos del factor molar se obtienen de la ecuación balanceada.
PASO 4
Cancelamos moles de H 2 O y obtenemos moles de Mg(OH) 2 , que son las unidades de la sustancia deseada, y la respuesta es:
b) Gramos de Mg 3 N 2 (nitruro de magnesio) necesarios para obtener 7. moles de NH 3 (amoniaco ).
Como este el segundo inciso, empezamos en el paso 2. PASO 2
Sustancia deseada: Mg 3 N 2 (nitruro de magnesio) g Sustancia de partida: NH 3 (amoniaco). 7.11 mol
3.47 mol de Mg(OH) 2
PASO 3
Aplicamos directamente el factor molar porque el dato de la sustancia de partida está en moles:
PASO 4
Con el factor molar calculamos la sustancia deseada en mol, pero las unidades de la sustancia deseada son gramos de Mg 3 N 2 por lo que debemos introducir un factor de conversión de mol-gramos. Primero calculamos la masa molecular del Mg 3 N 2.
Mg 3 N 2 Mg 3 x 24.31 = 72. N 2 x 14.01 = 28.02 +
100.05 g
Factor de conversión:
De esta forma obtenemos el resultado que es: 356.18 g Mg 3 N 2
2. De acuerdo con la siguiente ecuación balanceada:
a) ¿Cuántos gramos de H 3 PO 4 (ácido fosfórico) reaccionan con 5.70 mol de Ca(OH) 2 (hidróxido de calcio)?
P 1 x 30.97 = 30. O 4 X 16.00 = 64.00 +
98.00 g
Factor de conversión:
El resultado es:
37.24 g H 3 PO 4
b) ¿Cuántas mol de agua se producen al obtener 500 g de Ca 3 (PO 4 ) 2 (fosfato de calcio)? PASO 2
Sustancia deseada: H 2 O (agua) mol Sustancia de partida : Ca 3 (PO 4 ) 2 (fosfato de calcio) 500 g
Relación mol-gramos PASO 3 La sustancia de partida está en gramos, debemos convertir a mol utilizando la masa molecular de dicha sustancia. Ca 3 (PO 4 ) 2 Ca 3 x 40.08 = 120. P 2 x 30.97 = 61. O 8 x 16.00 = 128.00 +
310.18 g
Factor de conversión:
Aplicamos el factor molar de acuerdo a los coeficientes de la sustancia de partida y la deseada que se muestran en la ecuación balanceada.
La respuesta son mol de H 2 O y el resultados es:
9.66 mol H 2 O c) ¿Cuántos gramos de H 3 PO 4 (ácido fosfórico) son necesarios para producir 275 g de agua? PASO 1 : Ecuación ya balanceada. PASO 2: Sustancia deseada: H 3 PO 4 (ácido fosfórico) g Sustancia de partida: H 2 O (agua) 275 g Relación gramo-gramo PASO 3 Como la sustancia deseada no son moles, calculamos el peso molecular para poder realizar la conversión de gramos a moles. H 2 O H 2 x 1.01 = 2. O 1 x 16.00 = 16.00 +
= 18.02 g
2.4 Volumen molar de un gas
El volumen molar de un gas es el volumen que ocupa un gas a condiciones normales (C.N.) o condiciones estándar (STP) de temperatura y presión. Estas condiciones son: T = 0°C = 273 K P = 1 atm =760 mm de Hg = 760 torr
Este volumen es fijo y constante para estas condiciones. Como el valor es por cada mol de gas, se puede obtener la siguiente equivalencia:
1 MOL DE GAS = 22.4 LITROS ( )
De esta equivalencia se obtienen los factores de conversión.
2.4.1 Cálculos mol-volumen Para realizar un cálculo estequiométrico con volumen son necesarias dos condiciones:
1. Que las sustancias sean gases. 2. Que la reacción se efectúe en condiciones normales de temperatura y presión.
Ejemplo : La siguiente ecuación balanceada, muestra la descomposición del clorato de potasio por efecto del calor. Suponiendo que la reacción se efectúa a condiciones normales de temperatura y presión:
a) ¿Cuántas mol de KClO 3 (clorato de potasio) son necesarios para producir 25 de O 2?
PASO 1
Revisamos la ecuación y encontramos que está balanceada. PASO 2
Sustancia deseada : KClO 3 mol Sustancia de partida : O 2 25 L PASO 3 Es necesario convertir los 25 L de la sustancia de partida para aplicar el factor molar.
1 MOL = 22.4 LITROS
Una vez hecha la conversión utilizar el factor molar. La sustancia de partida está ya expresada en moles.
Directamente del factor molar obtenemos la respuesta que es:
0.75 mol KClO 3 b) ¿ Cuántos litros de O 2 se producen si se obtienen 5.11 moles de KCl (cloruro de potasio)? PASO 1 La ecuación está balanceada PASO 2
c) ¿Cuántos gramos de agua se obtienen al producirse 319 litros de CO 2 (bióxido de carbono)?
a) ¿ Cuántos gramos de C 3 H 8 (propano) reaccionan con 50 L de O 2 (oxígeno)? PASO 1 Revisamos y encontramos que la ecuación está balanceada. PASO 2 Relación: gramos-litros
Sustancia deseada : C 3 H 8 g
Sustancia de partida : O 2 50 PASO 3 Como la sustancia de partida son litros convertimos a moles para aplicar el factor molar. Utilizamos el volumen molar de un gas para realizar la conversión.
Aplicar el factor molar:
PASO 4
Convertimos las moles de la sustancia deseada (propano) a gramos utilizando el peso molecular.
C 3 H 8
C 3 x 12.01 = 36. H 8 x 1.01 = 8.08 +
44.11 g Factor de conversión:
La respuesta es:
19.85 g C 3 H 8
b) ¿Cuántos de CO 2 (bióxido de carbono) se producen a partir de
130 g de C 3 H 8 (propano)? PASO 2 Relación: litros-gramos
Sustancia deseada : CO 2
Sustancia de partida : C 3 H 8 130 g
PASO 3
Como la sustancia de partida son gramos, convertimos a moles utilizando la masa molecular del propano, la cual calculamos en el inciso a) y es de 44.11 g.
Aplicar el factor molar:
PASO 4
Incluimos un factor de conversión de moles a gramos utilizando la masa molecular del agua.
H 2 O
H 2 x 1.01 = 2. O 1 x 16.00 = 16.00 +
18.02 g
La respuesta es:
342.20 g H 2 O
2.5. Cálculos de reactivo limitante y porcentaje de rendimiento En una reacción química no necesariamente se consume la totalidad de los reactivos. Generalmente alguno de ellos se encuentra en exceso. El otro reactivo, que es el que se consume totalmente se conoce como reactivo limitante. Para que una reacción se lleve a cabo debe haber sustancias (reactivos) capaces de reaccionar para formar los productos, pero basta que uno solo de los reactivos se agote para que la reacción termine. En los procesos industriales generalmente se usa un exceso el reactivo mas barato y fácil de conseguir, y se selecciona como limitante el más caro o difícil de conseguir, Ejemplo
El proceso Haber para producción de amoniaco se representa mediante la siguiente ecuación balanceada:
a) A partir de 100 g de N 2 y 100 g H 2. ¿cuántos g de NH 3 (amoniaco) se obtienen? b) ¿Cuál el reactivo limitante y cuál el reactivo en exceso? c) Calcule la cantidad de g de reactivo en exceso que quedan al final de la reacción.
PASO 1
Revisar si la ecuación está balanceada
En este caso la ecuación se muestra ya balanceada.
PASO 2 Calcular la mol de producto señalado (sustancia deseada) que se forman con cada reactivo siguiendo los pasos indicados anteriormente para la solución de los ejercicios de estequiometría.
Se inicia calculado las mol de NH 3 (amoniaco), a partir de los 100 g de N 2.
Sustancia deseada : NH 3 g Sustancia de partida : N 2 mol Calculamos la masa molecular del nitrógeno para convertir a moles y poder aplicar el factor molar.
